ES2320837B1

ES2320837B1 - Dispositivo de hipertermia y su utilizacion con nanoparticulas.

Info

Publication number: ES2320837B1
Application number: ES200702084A
Authority: ES
Inventors: Miguel Angel Muñoz Marquez; Estefania Guerrero Garcia; Maria Asuncion Fernandez Camacho
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: EP2192953B1; US20110034974A1; US8463397B2; WO2009013630A2; ES2392006T3; AU2008278713A1; CA2694512A1; WO2009013630A3; AU2008278713B2; JP5465174B2; WO2009013630A9; CA2694512C; EP2192953A2; ES2320837A1; JP2010534499A

Abstract

Dispositivo de hipertermia y su utilización con nanopartículas.

El objeto de la presente invención consiste en un dispositivo de hipertermia que comprende un generador de campos electromagnéticos de radiofrecuencia, un amplificador de dicha señal, un transmisor del campo electromagnético que se genera y un sistema de medida directa de la temperatura, que se utiliza junto con una o más nanopartículas capaces de disipar la energía del campo electromagnético aplicado en forma de calor pudiéndose controlar la temperatura de éstas de una forma directa.

Description

Dispositivo de hipertermia y su utilización con nanopartículas.

Sector de la técnica

La presente invención se enmarca dentro del campo de la nanotecnología y la modificación de sistemas nanoestructurados en cualquier aplicación en la que se necesite calentar una región determinada de forma controlada, y dentro del campo de la biomedicina en aplicaciones como la liberación controlada de fármacos, el tratamiento de tumores, o la amiloidosis entre otras.

Estado de la técnica

La terapia térmica consiste en aumentar la temperatura de los tejidos vivos hasta conseguir su muerte. Este tipo de tratamientos se puede clasificar en dos grandes grupos: por una parte la hipertermia, en la que las temperaturas llegan a los 46ºC y por otra la ablación térmica en la que la temperatura supera los 47ºC. La terapia térmica, y en particular la hipertermia, se ha utilizado para intensificar los tratamientos de radio y quimioterapia; los tejidos tumorales son más sensibles al calor que los tejidos sanos, a esto hay que sumar que el incremento de temperatura provoca que las células cancerígenas sean todavía más sensibles a los tratamientos de quimioterapia y radiación. En oncología experimental y clínica ya se han utilizado tratamientos de hipertermia para elevar la temperatura de zonas tumorales hasta los 42-46ºC. Otra posible aplicación de la hipertermia en el campo de la biomedicina consiste en controlar la agregación de proteínas que forman unos depósitos en los tejidos llamados amiloides. Si se acumulan en una cantidad suficiente, estos depósitos pueden alterar el funcionamiento normal del tejido. La amiloidosis está relacionada con enfermedades como la diabetes mellitus, tuberculosis y artritis reumatoide, también existen evidencias relacionando la amiloidosis con enfermedades neurodegenerativas como el alzheimer y el parkinson.

Las nanopartículas magnéticas se han utilizado en la diagnosis y monitorización del crecimiento de tumores. Estas partículas debido a sus propiedades magnéticas han servido para mejorar notablemente el contraste en las imágenes de resonancia magnética nuclear. Otro campo en el que se han empleado nanopartículas es en la liberación controlada de fármacos, concentrándolas en la zona afectada mediante campos magnéticos.

Actualmente existen diversos dispositivos de hipertermia por microondas aplicados al tratamiento de tejidos tumorales. Estos dispositivos no emplean nanopartículas, irradian directamente los tejidos enfermos con un campo de microondas que a nivel local tiene efectos destructores. Este método se conoce con el nombre de hipertermia intersticial.

Los sistemas de hipertermia intersticial son bastante agresivos con el organismo ya que para controlar al máximo el área irradiada se deben implantar antenas en los tejidos por métodos quirúrgicos, por ejemplo mediante un catéter (R.S. Kasevich, S.M. Selkowitz, US 006097985A), o mediante la inserción de un electrodo activo de radiofrecuencia en el tejido tumoral que libera la energía del campo electromagnético (S.D. Edwards, H.R. Sharkey, US Patent No. 005507743A).

Como alternativa a estas técnicas agresivas, se han propuesto unos tratamientos de hipertermia basados en el uso de fluidos magnéticos como medio para disipar el calor en los tejidos vivos. Estos fluidos están compuestos por partículas finas o nanopartículas magnéticas biocompatibles estabilizadas para evitar que se formen agregados. Este tipo de procedimientos tiene la ventaja de que no implica la implantación quirúrgica de antenas o electrodos en los tejidos enfermos; sino que emplea fluidos magnéticos como por ejemplo, nanopartículas de magnetita (R. Hergt, W. Andrä, C.G. d'Ambly, I. Hilger, W.A. Kaiser, U. Richter, H-G. Schmidt, IEEE Trans. Mag. 34 (1998) 3745), material que posee una biocompatibilidad aceptable, por lo que resulta un candidato ideal para la preparación de fluidos magnéticos. En este caso, los mecanismos de disipación de la energía en forma de calor están principalmente relacionados con pérdidas por histéresis, y pérdidas por relajación y fricción; no existiendo pérdidas por corrientes inducidas de Foucault. Cada uno de estos fenómenos se detalla a continuación:

\bullet: Pérdidas por histéresis: la histéresis es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en este caso la imanación (M), en ausencia del estímulo que ha producido un cambio en esa propiedad, en este caso un campo magnético externo (H). Expresándolo de otra forma, si aplicamos un campo magnético externo a un material magnético su imanación crecerá si aumentamos el campo hasta un valor máximo (H_{max}). Si a continuación disminuimos el campo la imanación no decrecerá tan rápidamente como aumentó; representando los valores del campo magnético externo frente a la imanación se comprueba que la relación entre M y H no solamente no es lineal, sino que tampoco es univaluada. Si disminuimos el campo hasta un valor mínimo (H_{min} = - H_{max}) y a continuación se cambia la dirección del campo para hacerlo aumentar de nuevo hasta H_{max} la curva M contra H resulta ser una curva cerrada conocida como curva o ciclo de histéresis (representada en la Figura 1). En todos los sistemas con histéresis existe una conversión irreversible de energía (o trabajo) en calor a lo largo de un ciclo completo. En este caso se trata de una conversión de energía magnética en calor; este calor es igual al área encerrada por la curva de histéresis.

\bullet: Pérdidas por corrientes inducidas de Foucault: cuando un conductor eléctrico se encuentra en el seno de un campo magnético variable en el tiempo (B(t)), el flujo magnético(\Phi(t)) que atraviesa el conductor también será variable con el tiempo. Esta variación en el tiempo induce una corriente en el conductor cuyo sentido se opone a la variación del flujo magnético. La corriente inducida tiene su origen en un campo eléctrico generado que produce un movimiento de cargas libres en el conductor metálico, generando, en última instancia, corrientes que por efecto Joule disiparán energía en forma de calor.

\bullet: Pérdidas por relajación y fricción: En los materiales magnéticos, se forman dominios con las diferentes orientaciones del momento magnético (m). En las fronteras de grano de estos dominios se puede considerar que hay dos estados metaestables de m, a cada estado le corresponde un nivel energético cuya diferencia se corresponde con la energía de anisotropía del sistema (E_{anis}). En presencia de un campo magnético externo (H) existe una probabilidad de transición de un estado a otro que provocará una pérdida de energía en forma de calor, este mecanismo también se conoce como relajación por efecto Néel. En el caso de ferrofluidos con un índice de viscosidad \eta, las relajaciones también pueden ocurrir debido a los movimientos Brownianos rotacionales de las partículas magnéticas; fenómeno muy importante cuando la dirección del momento magnético está fuertemente acoplada a la partícula y los movimientos debidos a la relajación de m provocan fricciones de las nanopartículas con el medio que las rodea y/u otras nanopartículas.

Las propiedades magnéticas de las nanopartículas dependen de manera significativa de su tamaño y estructura. Sobre los fluidos ferromagnéticos se han llevado a cabo investigaciones de hipertermia inducida por radiofrecuencia en células in-vitro (N.A. Brusentsov, V.V. Gogosov, T.N. Brusentsova, A.V. Sergeev, N.Y. Jurchenko, A.A. Kuznetsov, O.A. Kuznetsov, L.I. Shumakov, J. Magn. Magn. Mater. 225 (2001) 113) y en tumores sólidos en humanos (A. Jordan, R. Scholz, K. Maier-Hauff, M. Johannsen, P. Wust, J. Nadobny, H. Schirra, H. Schhmidt, S. Deger, S. Loening, W. Lanksch, R. Felix, J. Magn. Magn. Mater. 225 (2001) 118).

Desafortunadamente, el control de la temperatura en la zona tumoral hasta el momento ha resultado ser muy complicado. Existiendo el riesgo de llegar a una situación de sobrecalentamiento que dañe también los tejidos sanos. Para solventar este problema, recientemente se ha desarrollado un tipo diferente de nanopartículas magnéticas, con una temperatura de Curie (temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagnético pierde su magnetismo, comportándose como un material puramente paramagnético) comprendida entre los 40 y los 46ºC para su posible aplicación en tratamientos médicos de hipertermia (Y. Haik, C-J. Chen, US Publication No. 2005/0249817 A1). Sin embargo, todavía no se conoce completamente cuales son los efectos sobre los organismos vivos del campo de radiofrecuencia necesario para provocar un cambio de temperatura significativo. Además, los materiales que se emplean en nanopartículas con una temperatura de Curie controlada son metales de transición como por ejemplo: níquel, cobre, cromo, gadolinio, cobalto, manganeso y cinc que resultan de una toxicidad elevada para los seres vivos.

Por otro lado, existen observaciones indirectas del calentamiento de nanopartículas de oro metálicas bajo la acción de un campo electromagnético alterno (K. Hamad-Schifferli, J.J. Schwartz, A.T. Santos, S. Zhang, J.M. Jacobson, Nature 415 (2002) 152; M.J. Kogan, N.G. Bastus, R. Amigo, D. Grillo-Bosch, E. Araya, A. Turiel, A. Labarta, E. Giralt, V.F. Puentes, Nanoletters 6 (2006) 110). El cambio de estructura de proteínas o deshibridación de cadenas de ADN enlazadas a nanopartículas metálicas de oro se ha atribuido a la disipación de calor por efecto Joule de las corrientes de Foucault inducidas en las nanopartículas por aplicación de un campo electromagnético. La disipación de calor, con el consiguiente aumento de temperatura del medio, siempre se ha determinado en estos sistemas a partir de observaciones indirectas relacionadas con el cambio de estructura de los compuestos a los cuales se unen las nanopartículas por lo que no se consigue un control exacto y preciso de la temperatura alcanzada ya que solamente se puede estimar de manera indirecta.

Entre las aplicaciones punteras en el campo de la liberación controlada de fármacos, encontramos la combinación de la hipertermia con la dosificación del fármaco. Existen estudios sobre liberación de fármacos a partir de liposomas (A.M. Ponce, B.L. Viglianti, D. Yu, P.S. Yarmolenko, C.R Michelich, J. Woo, M.B. Bally, M.W. Dewhirst, J. Natl. Cancer Inst. 99 (2007) 53), en los que se demuestra que la dosificación de los fármacos es mucho más homogénea y efectiva que a través de métodos convencionales. Sin embargo, la aplicación del campo electromagnético tal y como se ha venido haciendo hasta ahora en estos sistemas implica la utilización de técnicas como la implantación quirúrgica de una antena de microondas para irradiar la zona afectada y provocar la liberación del fármaco, lo que resulta excesivamente agresivo.

En muchos casos existen fármacos que no consiguen atravesar las barreras biológicas de los organismos vivos, por ejemplo la membrana celular o la barrera hematoencefálica, sin embargo dichos fármacos podrían desarrollar funciones terapéuticas muy importantes en el interior de la célula o del cerebro. Nanopartículas ligadas a dichos fármacos con una cubierta biocompatible son capaces de atravesar las barreras biológicas antes mencionadas, una vez atravesada la barrera y aplicando un campo de radiofrecuencia, la cubierta biocompatible modifica su estructura debido al incremento de temperatura liberando el fármaco en el lugar deseado.

Descripción breve

Constituye el objeto de la presente invención un dispositivo de hipertermia, en adelante dispositivo de la invención, que comprende un generador de campos electromagnéticos de radiofrecuencia, un amplificador de dicha señal, un transmisor del campo electromagnético de radiofrecuencia generado y un sistema de medida directa de la temperatura que se emplea junto con una o más nanopartículas.

Adicionalmente, y para el caso en el que se empleen frecuencias muy elevadas, el dispositivo de la invención comprende además una caja Faraday para evitar daños materiales o personales debidos a la nocividad de dosis de radiación elevadas.

El generador que comprende el dispositivo de la invención, puede ser un analizador de redes que además de generar la señal sirva para determinar impedancias, coeficientes de reflexión, transmisión y pérdidas por inserción, lo que permite realizar investigaciones sobre el origen del calentamiento de una o más nanopartículas bajo la acción de campos electromagnéticos. Mediante la medida de los coeficientes y pérdidas antes mencionados es posible determinar la atenuación de la señal y calcular así la energía disipada por la nanopartícula o nanopartículas a una frecuencia del campo determinada.

La nanopartícula o nanopartículas que son susceptibles de ser empleadas en el dispositivo de la invención son todas aquellas que pueden calentarse bajo la acción de un campo electromagnético de radiofrecuencia como por ejemplo nanopartículas de metales nobles funcionalizadas a través de enlaces Metal-azufre con moléculas orgánicas o biomoléculas, nanopartículas de metales nobles funcionalizadas a través de enlaces metal-ligando, nanopartículas de metales nobles protegidas por moléculas de surfactante con estabilización a través de interacciones bipolares, nanopartículas magnéticas funcionalizadas directamente o funcionalizadas a través de una cubierta de metal noble. Estas nanopartículas se calientan (hipertermia) bajo la acción de campos electromagnéticos mediante pérdidas por histéresis, corrientes de Foucault o por relajación y fricción.

El campo electromagnético de radiofrecuencia producido por el generador tiene una intensidad y frecuencia controlada, situándose esta última entre los valores para señales de muy baja frecuencia (VLF) y señales de súper alta frecuencia (SHF).

El sistema de transmisión del campo electromagnético de radiofrecuencia que comprende el dispositivo de la invención es capaz de focalizar y concentrar el campo electromagnético en una región concreta.

La modificación geométrica de los dispositivos de transmisión dará lugar a diferentes formas de propagación del campo electromagnético en el espacio, lo que permitirá llevar a cabo estudios sobre nuevos sistemas de transmisión del campo para direccionarlo y concentrarlo en regiones concretas del espacio.

Además, el dispositivo de la invención es útil para cualquier aplicación en la que se necesite un calentamiento localizado como por ejemplo y sin que limite el alcance de la invención, en cualquier aplicación relacionada con la modificación de sistemas nanométricos o con la biomedicina.

El uso del dispositivo de la invención en aplicaciones de biomedicina supera las restricciones técnicas de los aparatos de hipertermia existentes hasta la fecha, ya que, por ejemplo en la liberación controlada de fármacos, en la destrucción de agregados proteínicos en amiloidosis o en la destrucción localizada de tumores evita tener que emplear los actuales sistemas de hipertermia con técnicas invasivas como la implantación de antenas para provocar la liberación del fármaco o destruir el tumor evitando así uno de los grandes inconvenientes de los sistemas de hipertermia ya existentes.

En la literatura se encuentran estudios experimentales que consiguen elevar la energía térmica de las nanopartículas por medio de su irradiación con campos electromagnéticos. Sin embargo, hasta la fecha el control de la temperatura no ha sido óptimo. La medida directa de las variaciones de temperatura que incorpora el dispositivo de la invención con medidas realizadas preferentemente por infrarrojos o con métodos basados en el efecto Seebeck, es una importante novedad en el campo de la hipertermia, ya que hasta la fecha los indicios de calentamiento de las nanopartículas se han obtenido de manera indirecta. Evidentemente, para tener la posibilidad de observar un cambio macroscópico de la temperatura del medio en el cual están las nanopartículas es necesario tener una alta potencia de campo electromagnético en la región donde se localizan las nanopartículas. Para disponer de una potencia de campo elevada de manera controlada, debe ser posible controlar la energía del campo en una zona del espacio además de poder modificar y reproducir las condiciones del campo tal y como se consigue con el dispositivo de la presente
invención.

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Descripción de las figuras

Figura 1. Representación gráfica de una curva de histéresis.

Figura 2. Esquema del dispositivo generador, amplificador y transmisor de campos de radiofrecuencia para el calentamiento de nanopartículas que comprende los siguientes elementos: 1. Generador de campo electromagnético de radiofrecuencia, 2. Amplificador del campo electromagnético de radiofrecuencia, 3. Transmisor del campo electromagnético de radiofrecuencia, 4. Sistema de medida directa de la temperatura, 5. Caja Faraday, 6. Una o más nanopartículas.

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Descripción detallada

El dispositivo de la invención, que se emplea junto con una o más nanopartículas (6), comprende los siguientes elementos (representados en la Figura 2):

1): Un generador de campo electromagnético de radiofrecuencia que genera un pulso electromagnético con una frecuencia e intensidad controladas que se transmite a un amplificador de radiofrecuencia. La frecuencia de este campo electromagnético está dentro de la banda de muy baja frecuencia (VLF) hasta la de súper alta frecuencia (SHF).

2): Un amplificador del campo electromagnético de radiofrecuencia de banda ancha y de bajo ruido de señales de radiofrecuencia, que trabaje dentro del intervalo de frecuencias del generador.

3): Un transmisor del campo electromagnético de radiofrecuencia, que sin que limite el alcance de la presente invención, puede consistir en una antena que a partir de la señal de salida del amplificador es capaz de focalizar y concentrar el campo electromagnético de radiofrecuencia generado en una región del espacio.

4): Un sistema de medida directa de la temperatura.

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En el caso de utilizar frecuencias que puedan interferir con los dispositivos electrónicos y/o afectar a las personas, adicionalmente, el dispositivo de la invención puede comprender una caja de Faraday (5) para apantallar radiaciones.

El generador que comprende el dispositivo de la invención, y sin que limite el alcance de la presente invención, puede ser un dispositivo analizador de redes que además de generar la señal sirve para determinar impedancias, coeficientes de reflexión y transmisión y pérdidas por inserción. Magnitudes físicas que están relacionadas con la energía del campo electromagnético que se disipa y/o se refleja a lo largo del dispositivo experimental, pudiéndose investigar así el origen y los mecanismos de calentamiento de nanopartículas sometidas a la acción de campos electromagnéticos. Por ejemplo, y sin que limite el alcance de la presente invención, conociendo los coeficientes de reflexión, transmisión y pérdidas por inserción, junto a las impedancias del montaje experimental, podemos determinar cuál es la atenuación de la señal generada y por lo tanto saber con exactitud qué señal se está transmitiendo a las nanopartículas. A partir de ahí, es relativamente sencillo hacer una estimación de la energía disipada y, teniendo en cuenta la frecuencia del campo, relacionarla con los diferentes mecanismos de calentamiento antes descritos.

El dispositivo de la invención genera campos electromagnéticos controlados, de forma que la nanopartícula o nanopartículas localizadas en el seno de dicho campo electromagnético absorben parte de la energía del campo para posteriormente disipar gran parte de ella en forma de calor, por medio de cualquiera de los siguientes mecanismos: pérdidas por histéresis, pérdidas por corrientes inducidas de Foucault, y pérdidas por relajación y fricción. Las nanopartículas, son conjuntos de átomos o moléculas que pueden alcanzar tamaños desde 1 hasta 100 nm (donde 1 nm son 10^{-9} m). En numerosas ocasiones se utiliza únicamente el criterio del tamaño para definirlas. Sin embargo, la característica que las define como "nano", además de su tamaño, tiene que ver con sus propiedades físicas. Cuando el tamaño de los bloques constructivos de estos sistemas pasa a ser menor que la longitud característica asociada a cualquier propiedad física, dicha propiedad cambia de modo que su comportamiento únicamente puede ser entendido a través de la teoría cuántica.

La nanopartícula o nanopartículas que pueden emplearse con el dispositivo de la invención son todas aquellas nanopartículas metálicas o no, magnéticas o no, o una mezcla de las anteriores y que pueden estar funcionalizadas con moléculas orgánicas o biomoléculas.

Cuando se trabaja con nanopartículas muy pequeñas, puede existir cierta inestabilidad al disminuir el número de coordinación de los átomos que la componen, con lo cual las nanopartículas tenderán a formar agregados. Para solucionar este problema, es posible estabilizar las nanopartículas usando una molécula protectora que se enlace a los átomos de la superficie. Esto es lo que se denomina funcionalizar una nanopartícula. Al mismo tiempo, si se escoge bien el ligando o molécula funcionalizante, es posible conseguir que una nanopartícula funcionalizada sea susceptible de enlazarse a un tipo determinado de célula y/o molécula (blancos muy específicos).

Estas nanopartículas pueden pertenecer, sin que limite el alcance de la presente invención, a los siguientes grupos:

a): Nanopartículas de metales nobles (oro, paladio, cobre, etc.) funcionalizadas a través de enlaces metal-azufre con moléculas orgánicas o biomoléculas. Estas nanopartículas presentan propiedades metálicas y/o magnéticas dependiendo del tamaño y de la cadena de funcionalización y pueden calentarse por los distintos mecanismos de histéresis, relajación o corrientes inducidas.

b): Nanopartículas de metales nobles funcionalizadas a través de enlaces metal-ligando. Los ligandos pueden ser fosfinas o haluros entre otros. Se pueden funcionalizar con biomoléculas por unión con el ligando y presentan propiedades metálicas y/o magnéticas dependiendo del tamaño y del tipo de ligando. Estas nanopartículas pueden calentarse por los distintos mecanismos de histéresis, relajación o corrientes inducidas.

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c): Nanopartículas de metales nobles protegidas por moléculas de surfactante con estabilización a través de interacciones dipolares. Presentan propiedades metálicas dependiendo del tamaño y pueden calentarse por los mecanismos de corrientes inducidas.

d): Nanopartículas magnéticas (por ejemplo, de base hierro) funcionalizadas directamente o funcionalizadas a través de una cubierta de metal noble. Presentan propiedades magnéticas dependiendo del tamaño y pueden calentarse por los mecanismos de histéresis y relajación magnética. La componente de cubierta de metal noble puede comportarse de manera similar al tipo de partícula (a) descrito en el presente apartado.

Tanto el carácter metálico en las nanopartículas de tipo a), b) y c), como el carácter magnético en las nanopartículas de tipo d), y en ocasiones las a) y b), son propiedades que dependen, entre otras cosas, del tamaño de las nanopartículas. Cuando se habla de carácter metálico nos referimos a que la estructura electrónica de las nanopartículas es similar a la de un sistema másico del mismo material. Sin embargo, las propiedades magnéticas se refieren a las magnitudes que se pueden determinar a través del análisis con el SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) que son principalmente la imanación remanente (M_{R}) y la coercitividad (H_{C}) (representadas en la Figura 1), ambas magnitudes nos dan una idea del carácter magnético de las muestras.

Básicamente un campo electromagnético lo originan cargas eléctricas aceleradas. En particular, el generador de campo electromagnético de la presente invención produce campos con una frecuencia comprendida en el intervalo entre las señales de muy baja frecuencia (VLF) y las señales de súper alta frecuencia (SHF), correspondiendo estás últimas a la banda media de microondas, preferentemente dichas señales se encuentran comprendidas entre frecuencia baja (LF) y ultra alta (UHF). En la Tabla 1 se detallan los intervalos de radiofrecuencia de cada una de las bandas. Además de controlar la frecuencia, el generador de radiofrecuencia es capaz de producir el campo electromagnético con una intensidad controlada.

TABLA 1 División en bandas del espectro electromagnético de radiofrecuencia

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La frecuencia que debe aplicarse en cada caso concreto, depende del tipo de nanopartículas que quiera calentarse, como ejemplo y sin que limite el alcance de la presente invención:

-: En el caso de nanopartículas de base magnética, que pueden funcionalizarse con distintos ligandos, los campos magnéticos necesarios para producir un calentamiento de las mismas deben tener una frecuencia comprendida entre 100 kHz y 1 GHz, con una intensidad de campo magnético entre 0 y 15 kA/m.

-: Las nanopartículas de metales nobles, como por ejemplo oro o paladio, pueden funcionalizarse con diversos ligandos, entre ellos compuestos de interés biológico, que pueden ser los causantes de la aparición de un comportamiento ferromagnético además del típico comportamiento metálico. En este caso, para calentarlas se necesita someterlas a campos electromagnéticos superiores a 1 GHz. En este caso, el conjunto antena/amplificador debe aplicar potencias de hasta 10 W.

El elemento transmisor de las señales de radiofrecuencia que forma parte del dispositivo de la invención puede adoptar diferentes formas y tamaños dependiendo de la frecuencia del campo electromagnético que se aplique en cada caso y de la geometría del frente de ondas que se transmita Sin que limite el alcance de la presente invención, puede consistir en una antena emisora, una espira, un solenoide ó una cavidad resonante. Este transmisor se caracteriza por poseer una antena transmisora capaz de focalizar y concentrar el campo electromagnético generado, en una región del espacio. Para aprovechar el rendimiento energético de las nanopartículas y la potencia del campo electromagnético generado es de gran importancia conseguir focalizar y concentrar el campo. Al mismo tiempo esta posibilidad sería de gran utilidad en el caso de trabajar con señales que tengan un cierto potencial de daño a tejidos sanos, cuanto menor sea la exposición de estos tejidos a la radiación, mejor.

El dispositivo de la invención incorpora también un sistema de medida directa de la temperatura que, sin que limite el alcance de la presente invención, puede consistir en un detector de la radiación infrarroja emitida por las nanopartículas, o en un termopar basado en el efecto Seebeck.

El efecto Seebeck es un efecto termoeléctrico que consiste en que una diferencia de temperatura entre dos metales conectados entre si genera una diferencia de potencial en la unión de ambos metales; a partir de dicha diferencia de potencial y conociendo una de las dos temperaturas, que se toma como referencia, podemos conocer a que temperatura se encuentra el otro metal.

Opcionalmente, el dispositivo de la invención puede estar ubicado en una caja de Faraday, que consiste en un volumen cerrado diseñado para excluir los campos electromagnéticos externos y/o para evitar que campos electromagnéticos generados en su interior salgan al exterior, manteniendo la radiación electromagnética confinada en un volumen sin que afecte a los aparatos de medida y/o personas.

La caja de Faraday es una aplicación directa de la ley de Gauss. Un material conductor delimita un volumen, de modo que cualquier campo electromagnético que intente entrar o salir de él no lo conseguirá debido a que la carga eléctrica se distribuirá en la superficie del conductor.

El dispositivo de la invención puede actuar sobre un conjunto de una o más nanopartículas, aumentando su temperatura en función de la frecuencia e intensidad del campo, bien sea por histéresis, corrientes de Foucault, o por fricción y relajación, por lo que puede emplearse para calentar de forma controlada una región determinada del espacio, lo que tiene aplicaciones importantes en campos como la modificación de sistemas nanométricos.

En este campo, como ejemplo y sin que limite el alcance de la presente invención existe una potencial aplicación a la hora de modificar la estructura a escala nanométrica de los sistemas desarollados en electrónica molecular aprovechando el incremento de la energía atómica vibracional del sistema al aplicar un campo de radiofrecuencia. Así como modificar las propiedades magnéticas de dichos dispositivos.

Este dispositivo puede usarse para investigar los mecanismos y el origen del calentamiento de las nanopartículas, en la aplicación de tratamientos de hipertermia en biomedicina, como por ejemplo en la destrucción de agregados proteínicos en amiloidosis o en el tratamiento de tumores utilizando nanopartículas capaces de ligarse a blancos muy específicos o, en la liberación controlada de fármacos, entre otras aplicaciones.

Las antenas o dispositivos transmisores de radiofrecuencia no emiten de forma isótropa, es decir, de igual manera en todas las direcciones del espacio. En estas antenas existen zonas donde la radiación se concentra en regiones, normalmente con forma de lóbulos.

El dispositivo de la invención, mediante el diseño geométrico de distintas antenas puede ser empleado para realizar estudios sobre nuevos sistemas de transmisión del campo para direccionarlo y concentrarlo en regiones concretas del espacio para evitar irradiar zonas no deseadas, lo que es de gran ayuda a la hora de mejorar las aplicaciones en hipertermia.

El sistema de medida directa de la temperatura que incorpora el dispositivo de la invención, preferentemente mediante infrarrojos o basándose en el efecto Seebeck, permite un mayor control de la temperatura superando así uno de los mayores problemas de aplicación de los sistemas de hipertermia ya existentes en biomedicina.

Ejemplo de realización de la invención A. Prototipo de dispositivo de hipertermia

Un ejemplo de realización de la invención lo constituye el siguiente conjunto de instrumentos, un generador de campos de radiofrecuencia Agilent 8648D que trabaja en el intervalo de 9 kHz a 4 GHz con una resolución de 0.001 Hz, cuya señal de salida está en el intervalo de potencia de +10 a -136 dBm para todas las frecuencias. El puerto de salida del generador de radiofrecuencia se conecta al puerto de entrada de un amplificador de radiofrecuencia de estado sólido (Amplifier Research 5S1G4) mediante un cable coaxial. Tanto los puertos de entrada y salida del generador y amplificador respectivamente, como los extremos del cable coaxial disponen de conectores tipo-N; especialmente diseñados para producir las mínimas pérdidas por inserción (un máximo de 0.2 dB) en señales de microondas de hasta 10 GHz; la impedancia de los conectores es de 50 \Omega.

El amplificador de radiofrecuencia utilizado en este ejemplo puede amplificar señales cuya frecuencia va desde 0.8 GHz hasta 4.2 GHz. Para una señal de entrada proveniente del generador cuya potencia sea de 1 mW, el amplificador producirá una señal de salida de 6.5 W: equivalente a una ganancia de 37 dB. Una condición que debe cumplir cualquier amplificador empleado es la fiel reproducción de cualquier modulación en frecuencia, amplitud o pulso que posea la señal de entrada proveniente del generador de radiofrecuencia. El puerto de salida del amplificador también es de
tipo-N.

Mediante un cable coaxial con conectores tipo-N en los extremos, se une el puerto de salida del amplificador con el dispositivo transmisor, que en este caso consiste en una espira de cobre de 29 mm de diámetro y 2 mm de sección. La espira posee una frecuencia de resonancia de 2.61 GHz, encontrándose dentro del intervalo de trabajo del generador y amplificador. En el caso de una espira, la componente magnética del campo electromagnético en el centro de la misma viene dado por la Ley de Biot-Savart: la inducción magnética será perpendicular al plano de la espira y su intensidad y sentido dependerán de la intensidad y sentido de corriente que recorre la espira. La espira está situada en un soporte de teflón con forma de disco de 40 mm de diámetro y 12 mm de grosor (cuya permeabilidad magnética es muy parecida a la del aire) sobre el cual se ha practicado una hendidura circular (2 mm de profundidad y un diámetro que coincide con el de la espira) de modo que el plano de la espira coincida con el plano de la superficie de teflón. En el centro del disco, existe un rebaje circular de 15 mm de diámetro y 1 mm de profundidad donde se pueden depositar muestras líquidas, su diámetro coincide con el diámetro del círculo que define el área de enfoque del pirómetro de infrarrojos que se usará como sensor de temperatura. El pirómetro (Fluke 572 CF) tiene una óptica diseñada para captar la radiación infrarroja en una pequeña región de un objeto a una distancia de hasta 30 cm, este dispositivo es capaz de medir temperaturas entre -30 y 900ºC. Además posee un haz láser que define el área sobre la que se está realizando la medida de temperatura.

El conjunto espira de cobre y disco de teflón está situado en el interior de una caja de Faraday; las medidas laterales de la caja son un orden de magnitud mayor que la longitud de onda característica del campo electromagnético emitido por la espira. Para las frecuencias que se emplean en el ejemplo, el campo electromagnético tiene una longitud de onda de 0.1 m aproximadamente, esto significa que la caja de Faraday debe tener unas dimensiones laterales del orden de 1 m. En el lado superior de la caja se practica un orificio para poder realizar la medida directa de la temperatura con el pirómetro. Para evitar que el campo electromagnético se propague a través del orificio, este debe tener un diámetro menor de 2 cm.

El termopar se utiliza para calibrar el pirómetro. Antes de aplicar el campo electromagnético se mide de forma directa la temperatura de la muestra con el termopar. La lectura del pirómetro se ajusta a ese valor modificando el valor de la emisividad: cada muestra presenta una emisividad diferente en la región del infrarrojo. En este caso, la emisividad es la intensidad de radiación infrarroja emitida por un cuerpo a una determinada temperatura.

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B. Nanopartículas

Las nanopartículas que se emplean en este ejemplo son:

a): Nanopartículas de oro funcionalizadas con ligandos trifenilfosfina y haluros. Se estudiaron clusters de 55 átomos de oro (Au) con un diámetro de 1.4 nm y clusters de 11 átomos con un diámetro de 0.8 nm. Estas nanopartículas se emplearon disueltas en un tampón comercial HEPES-NaOH con un pH=7.5.

b): Nanopartículas de oro sintetizadas mediante una variante de la síntesis de Brust (A.C. Templeton, S. Chen, S.M. Gross, R.W. Murray, Langmuir 15 (1999) 66) de modo que están funcionalizadas con una biomolécula que contiene un grupo tiol: tiopronina. Estas nanopartículas son solubles en agua y por lo tanto tienen un potencial interés biológico y sirven como modelo para nanopartículas funcionalizadas con biomoléculas de interés terapéutico.

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C. Calentamiento de las nanopartículas

Con el dispositivo detallado anteriormente se miden los cambios de temperatura de los dos tipos de nanopartículas de oro descritas (a y b), aplicando una frecuencia del campo electromagnético de 2.61 GHz, frecuencia que se corresponde con la frecuencia de resonancia principal de la espira; a esta frecuencia se da la máxima transferencia de energía a la espira, de modo que se consigue minimizar las pérdidas de la señal.

Los resultados se detallan en la Tabla 2. Esta tabla muestra la potencialidad de las nanopartículas para tratamientos de hipertermia y la funcionalidad del dispositivo diseñado.

TABLA 2 Resultados de estudios de hipertermia en nanopartículas de oro (Au) funcionalizadas con diferentes ligandos

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Como puede verse en la Tabla 2, en todos los casos se produce un calentamiento de las nanopartículas, comprendida entre los 3.0ºC, obtenidas para las nanopartículas de Au-tiopronina (\Phi_{NP} \sim 3.0 nm y 4.5 nm), y los 13.0ºC obtenidos para las nanopartículas de Au11-fosfina lo que nos muestra la potencialidad de todas ellas para calentarse bajo la acción de campos electromagnéticos de radiofrecuencia y la funcionalidad del dispositivo de la invención.

Claims

1. Dispositivo de hipertermia para calentar una o más nanopartículas que comprende los siguientes elementos:

1): Un generador de campo electromagnético de radiofrecuencia.

2): Un amplificador de campo electromagnético de radiofrecuencia.

3): Un transmisor de campo electromagnético de radiofrecuencia.

4): Un sistema de medida directa de la temperatura.

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende una caja de Faraday (5) que encierra los elementos 1),2),3) y 4), para apantallar radiaciones en el caso de utilizarse frecuencias que puedan interferir con los dispositivos electrónicos y/o afectar a las personas.

3. Dispositivo según las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque el generador del campo electromagnético de radiofrecuencia puede ser un dispositivo analizador de redes, que además de generar la señal permite determinar impedancias, coeficientes de reflexión y transmisión y pérdidas por inserción.

4. Dispositivo según las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque el generador de campo electromagnético es capaz de generar una señal de radiofrecuencia que está en el intervalo definido entre las señales de muy baja frecuencia (VLF) y las señales de súper alta frecuencia (SHF), además de producir un campo electromagnético con una intensidad controlada.

5. Dispositivo según las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el transmisor del campo electromagnético es capaz de focalizar y concentrar el campo electromagnético en una región del espacio concreta.

6. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 1-5 caracterizado porque el sistema de medida de la temperatura lo hace de forma directa, preferentemente mediante infrarrojos o un sistema basado en el efecto Seebeck.

7. Dispositivo, según cualquiera de las reivindicaciones 1-6 caracterizado porque la nanopartícula o nanopartículas que se calientan son susceptibles de ser calentadas bajo la acción de campos electromagnéticos de radiofrecuencia.

8. Dispositivo según la reivindicación 7 caracterizado porque la nanopartícula o nanopartículas son de carácter metálico y/o magnético, preferentemente nanopartículas de metales nobles funcionalizadas.

9. Dispositivo según las reivindicaciones 7 y 8 caracterizado porque las nanopartículas se funcionalizan a través de enlaces metal-azufre con moléculas orgánicas o biomoléculas.

10. Dispositivo según las reivindicaciones 7 y 8 caracterizado porque las nanopartículas de metales nobles están funcionalizadas a través de enlaces metal-ligando.

11. Dispositivo según las reivindicaciones 7 y 8 caracterizado porque las nanopartículas de metales nobles están protegidas por moléculas de surfactante con estabilización a través de interacciones dipolares.

12. Dispositivo según la reivindicación 7 caracterizado porque las nanopartículas magnéticas están funcionalizadas directamente o funcionalizadas a través de una cubierta de metal noble.

13. Uso del dispositivo según las reivindicaciones 1-12, para producir calentamiento y otros efectos de hipertermia en una o varias nanopartículas capaces de ser calentadas bajo la acción de campos electromagnéticos de radiofrecuencia.

14. Uso del dispositivo según las reivindicaciones 1- 12 para calentar de forma controlada una región de un sistema preferentemente en aplicaciones relacionadas con la modificación de sistemas nanométricos y en biomedicina.

15. Uso del dispositivo según las reivindicaciones 1-12 en tratamientos de hipertermia en biomedicina aplicados preferentemente a la destrucción localizada de tumores y la destrucción de agregados proteínicos en amiloidosis.

16. Uso del dispositivo, según las reivindicaciones 1-12, en tratamientos de hipertermia para la liberación controlada de fármacos.

17. Uso del dispositivo según las reivindicaciones 1-12, para la investigación del origen del calentamiento de una o varias nanopartículas bajo la acción de campos electromagnéticos.

18. Uso del dispositivo según las reivindicaciones 1-12 para el desarrollo de nuevos transmisores del campo que concentren y direccionen el campo electromagnético de radiofrecuencia.