Las primeras culturas recurrieron a materiales que encontraban en la naturaleza

Deseamos resaltar en el presente texto que los materiales empleados para confeccionar los diferentes utensilios, y que resistieron al paso del tiempo, abrieron una ventana al pasado por medio de la cual podemos darnos una idea tanto de las técnicas requeridas como de las habilidades particulares alcanzadas por diferentes culturas para aprovechar estos elementos (^{Tenner, 2009}). Las primeras culturas recurrieron inicialmente a materiales encontrados en la naturaleza, logrando modificaciones mínimas en su composición comparativamente a lo que ocurre actualmente, pero mayores en cuanto a la forma de su fabricación y así producir herramientas de uso cotidiano importantes en la caza de sus alimentos para su subsistencia, así como para la recolección durante el periodo conocido como Edad de Piedra, en el cual, las comunidades primitivas lograron avances tecnológicos importantes permitiéndoles, eventualmente, desarrollar la ganadería y la agricultura. Con el tiempo, lograron obtener diferentes minerales a partir de fuentes naturales como el cobre, utilizado más adelante, en la Edad de Bronce, para generar aleaciones, y, mucho tiempo después, para aprovechar el hierro en la fabricación de acero durante la Edad de Hierro. Estos materiales junto con los avances científicos y las diferentes tecnologías alcanzadas moldearon la vida y la cultura de las comunidades humanas que las aprovecharon (^{American Chemical Society, 2017}). Sin embargo, a lo largo de este camino de innovación y descubrimiento, los nuevos materiales que permitieron la fabricación de diferentes herramientas representaron, al mismo tiempo, nuevos riesgos para la salud de las personas que las producían. Algunos de ellos tuvieron su origen desde el descubrimiento de los primeros materiales como ocurrió con el desarrollo del bronce. Antiguamente, el bronce fue utilizado para la fabricación de utensilios, armas, monedas y joyas. Durante la Edad de Bronce la aleación para trabajarlo se realizaba con arsénico, tanto en el viejo mundo como en lo que ahora es el continente americano por algunas culturas precolombinas. Desafortunadamente, el uso del arsénico hace al proceso de fabricación del bronce altamente tóxico, pues el arsénico provoca un severo daño en los vasos sanguíneos desembocando en el desarrollo de gangrena en las extremidades, lo que se conoce como: “enfermedad del pie negro”. Eventualmente el arsénico fue remplazado por estaño, que es menos tóxico para la fabricación de bronce (^{Idrovo, 2005}). El bronce en la actualidad se fabrica como una aleación de cobre con estaño principalmente.

Por supuesto, también otros metales han tenido un papel muy relevante en la fabricación de diferentes objetos de importancia en diversas culturas. Un ejemplo es el plomo, uno de los metales más extraídos a partir de yacimientos naturales, razón por la cual también es uno de los más liberados al ambiente a lo largo de la historia. Los depósitos naturales de plomo contienen también plata, mineral de alto valor económico y debido al desarrollo del proceso de extracción de la plata conocido como copelación, utilizado de forma dominante por cerca de 5,000 años, se ha contribuido enormemente a la liberación de plomo al medio ambiente (^{Nriagu, 1998}). El plomo también se ha utilizado para la fabricación de objetos como tablillas para escribir, cañerías, bañeras o en forma de láminas para el recubrimiento de techos, entre otros.² Desafortunadamente, el plomo es muy tóxico y hay periodos de la historia de la humanidad en los que pudo haber contribuido a la caída de imperios, como probablemente ocurrió con el Imperio romano. Durante este último, una de las enfermedades pandémicas fue la gota, causada por la acumulación de ácido úrico debido a fallas en la actividad de los riñones. Algunos tipos de gota pueden ser provocados por la ingesta de plomo, el cual fue muy abundante en el vino romano pues las vasijas en las que era elaborado se fabricaban con plomo y no con bronce o latón por el desagradable sabor que dejaban los óxidos que se forman con estas aleaciones (^{Nriagu, 1983}).

Aparición de productos derivados de procesos químicos y físicos

Sin embargo, no sólo los materiales más simples o las materias primas (como los metales) son relevantes, también los productos derivados de procesos químicos y físicos por medio de los cuales se generan nuevos materiales han tenido consecuencias importantes para la humanidad y el medio ambiente.

Un ejemplo reciente es el caso de los polímeros sintéticos o del plástico. En 1870, John Wesley Hyatt junto con su hermano Isaiah lograron fabricar un novedoso material al que llamaron celuloide para remplazar al cada vez más escaso marfil obtenido de los elefantes africanos y asiáticos, ampliamente utilizado en la época para la elaboración de bolas de billar, entre muchos otros utensilios distintivos de las clases acomodadas (^{Powers, 1993}). Más adelante se desarrollaron una gran variedad de polímeros plásticos, cuyo impacto positivo en la vida diaria de las sociedades modernas es innegable, pero, por otro lado, con consecuencias altamente negativas: anualmente millones de toneladas de plásticos que no se reciclan terminan contaminando el planeta (^{Plastics Europe, 2015}).

En la actualidad, cantidad de compuestos químicos diferentes son utilizados comercialmente, su número se ha vuelto prácticamente incalculable, sin embargo, tan solo entre los Estados Unidos de América y los países europeos, el número de compuestos utilizados en los diversos procesos industriales alcanza entre 75,000 y 140,000, de los cuales no se conocen, en la mayoría de los casos, los posibles efectos ambientales y en la salud humana que pueden provocar (^{Judson et al., 2009}). De este universo de compuestos, un grupo que ha alcanzado gran auge en años recientes son los llamados nanomateriales.

El nacimiento conceptual de la nanotecnología puede ubicarse en el año de 1959, en particular con la conferencia: There’s plenty of room at the bottom,³ dictada por Richard Feynman en la reunión de la Sociedad Americana de Física (^{Feynman, 1960}). En esa conferencia Feynman sugirió la posibilidad de generar y aplicar productos de dimensiones nanométricas. Años después, con el desarrollo de diferentes tecnologías como el microscopio de efecto túnel, con resolución subnanométrica (^{Eigler y Schweizer, 1990}), el descubrimiento y la preparación de algunos de los primeros nanomateriales basados en carbono (^{Iijima, 1991}), como los fulerenos (moléculas compuestas de carbono de formas diferentes que pueden llegar a tener estructuras muy complejas), ha tenido un auge espectacular el desarrollo de nanomateriales -los cuales son, en alguna de sus dimensiones, menores a los 100 nanómetros-. Este tipo de materiales ha cobrado gran interés debido a sus características fisicoquímicas únicas, por lo que tienen aplicaciones novedosas en campos tan diversos como la medicina, la electrónica, y la aeronáutica, entre muchas otras áreas. Todo este tipo de aplicaciones parecerían muy ajenas a nuestra vida diaria, empero el uso de nanomateriales se ha extendido muchísimo, ya para el año 2012 se estimaba el uso de materiales nano estructurados en más de mil productos comerciales (^{Papp, 2008}; ^{McIntyre, 2012}). Con los nanomateriales ha ocurrido un proceso similar al de otros elementos descubiertos o inventados en el pasado: lamentablemente, se ha encontrado que algunos de estos compuestos representan riesgos importantes para la salud humana (^{Mu et al., 2014}) y para el medio ambiente en general (^{Colvin, 2003}).

Evaluación de los compuestos químicos para caracterizar sus efectos en la salud y el medio ambiente

La pregunta natural que surge es ¿cómo podemos evaluar de forma adecuada la gran cantidad de compuestos químicos a los cuales no vemos expuestos diariamente y caracterizar sus efectos potencialmente adversos para la salud y el medio ambiente? La respuesta o más bien dicho, las estrategias para llevar a cabo este tipo de evaluaciones tienen sus orígenes en los antiguos griegos, los primeros en dejar registros escritos sobre el uso de organismos vivos y en particular de animales para realizar experimentos en la forma de vivisecciones o cirugías exploratorias en estudios anatómicos (^{Franco, 2013}). Siglos más tarde, el uso de diferentes especies animales en la investigación biomédica aumentó a partir del siglo veinte de nuestra era, y continúan siendo de gran utilidad para la evaluación de una gran variedad de compuestos. Cabe resaltar que en años recientes se han incrementado los esfuerzos para reducir el número de animales utilizados en las evaluaciones toxicológicas y en la investigación biomédica, además de buscar remplazos y formas de refinar los estudios como alternativas aceptables al uso de organismos vivos en la investigación (^{Russell, 2005}; ^{Liebsch et al., 2011}). En este sentido, el organismo que ha cobrado gran auge para diferentes tipos de estudios es el pez cebra, o Danio rerio por su nombre científico, originario de la India y de la región de los Himalayas que comparte con países vecinos (^{Spence et al., 2008}). Este pez fue introducido a Europa en 1905 para su venta en acuarios y desde un inicio fue un éxito inmediato entre los aficionados debido a que es fácil que crezca y se reproduzca en cautiverio (^{Creaser, 1934}). Algunos años después comenzó a usarse como modelo animal en la investigación científica y en la docencia, publicándose algunos de los primeros trabajos científicos en los años treinta del siglo pasado (^{Goodrich y Nichols, 1931}; ^{Roosen-Runge, 1938}). Desde un inicio se reconocieron en estos peces características que aun hasta nuestros días representan grandes ventajas para su uso en el laboratorio; por ejemplo, una sola hembra sexualmente madura puede liberar en pocos minutos hasta 95 huevos que son fecundados por un macho de manera casi inmediata, lo cual inicia el desarrollo embrionario que ocurre con gran celeridad, puesto que larvas de peces “nacen” 5 días después del inicio de su desarrollo al liberarse de la estructura que los protegió (el corion, que es un equivalente al cascarón de los huevos de pollo). El tamaño de los embriones es muy conveniente (poco menos de 1mm de diámetro) para ser manipulados bajo el microscopio lo cual, aunado a su transparencia y a su velocidad de desarrollo, facilita la experimentación con estos organismos (^{Creaser, 1934}).

Actualmente se cuenta con la secuencia del genoma del pez cebra el cual mostró que 71% de los genes presentes en el genoma humano tienen un equivalente en el pez cebra y aproximadamente del total de genes que en humanos se han vinculado con algún tipo de enfermedad con bases genéticas 81% de éstos presentan un homólogo en el pez cebra (^{Howe et al., 2013}). Estas características junto con la facilidad y al bajo costo con que se pueden mantener a las colonias de peces cebra han favorecido que se establezca como un modelo importante en la investigación. Su relevancia ha llevado a la generación de protocolos estandarizados para el uso de embriones de pez cebra para ensayos de pruebas de toxicidad, ensayo conocido como FET test, desarrollado por la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE). En la actualidad, ensayos de este tipo son utilizados en países como Alemania, Inglaterra, Canadá, Estados Unidos de Norteamérica y Japón, para evaluar muestras de agua proveniente de plantas de tratamiento de aguas residuales que son desechadas de ciudades e industrias (^{Embry et al., 2010}). También se ha utilizado a los peces cebra en la evaluación del efecto biológico de nanomateriales que contienen diferentes elementos como el oro, plata, aluminio, cobre, cerio, fierro, níquel, titanio, zinc así como otros elementos no metálicos como el carbono, selenio y el silicón (^{Shaw y Handy, 2011}). Los efectos reportados en la supervivencia de embriones, larvas y adultos de peces cebra, o en el desarrollo embrionario es muy variado e incluso contradictorio (^{Shaw y Handy, 2011}; ^{Brundo et al., 2016}), por lo que aún falta mucho para llegar a conocer a fondo los efectos que tienen los diferentes nanomateriales en los sistemas biológicos. Algunos factores que se han considerado como potencialmente responsables de las diferencias en los efectos observados son las variaciones en el tamaño, en la estructura y en la aglomeración de estos compuestos que se generan desde la síntesis de los nanomateriales; también se ha visto que el tipo de vehículo utilizado para la exposición al nanomaterial e incluso la manera de prepararlo para dispersarlo y mantenerlo en suspensión, que generalmente se lleva a cabo por sonicación, puede provocar cambios en los nanomateriales debido a la formación de radicales reactivos (^{Taurozzi et al., 2011}; ^{Soares et al., 2017}).

Todos estos efectos han considerado únicamente lo que ocurre dentro de condiciones controladas de laboratorio; sin embargo, muchos autores han propuesto que el comportamiento de los nanomateriales al ser liberados al medio ambiente, puede ser diferente y presentar efectos no considerados o identificados. Se han realizado pruebas con nanomateriales de dióxido de titanio y de plata en donde se simula lo que ocurre cuando hay exposición a la luz del sol, encontrando que en estas condiciones se provoca un aumento en la toxicidad en células en cultivo y en embriones de pez cebra al exponerse a nanomateriales en estas condiciones (^{George et al., 2014}). De hecho, se sabe que diferentes nanomateriales pueden interactuar con otros compuestos en el medio ambiente, tanto naturales como con compuestos químicos provenientes de actividades domésticas e industriales (^{Wang et al., 2016}), e incluso con diferentes macromoléculas presentes en los organismos vivos en el medio ambiente (^{Bourgeault et al., 2017}; ^{Mboyi et al., 2017}). Claro está que las aplicaciones de los nanomateriales en una gran diversidad de áreas, como la generación de vehículos para vacunas (^{Dubey et al., 2016}), o para encapsular moléculas con actividad antitumoral y mejorar su permeabilidad y estabilidad (^{Evensen et al., 2016}) o bien en el desarrollo de tecnologías para la manipulación de células o estructuras celulares dentro de organismos completos (^{Johansen et al., 2016}) muestran que también nos pueden aportar grandes beneficios para la sociedad en general.

Figura 1 Pez cebra. 

Por lo anterior, tanto los beneficios como los riesgos de los nanomateriales deben ser evaluados de forma constante y rigurosa, aprovechando el gran capital intelectual de diferentes grupos de investigación en áreas diversas, así como la infraestructura que han logrado establecer en las instituciones de educación superior, en centros de investigación y empresas localizadas a lo largo y ancho del país. Determinar la seguridad del uso de nanomateriales presentes en objetos con los que interactuamos es indispensable para tener un desarrollo responsable y sustentable de la nanotecnología. Al día de hoy, no hay evidencia contundente de que los nanomateriales causen efectos deletéreos en la salud del ser humano; no obstante, se sabe por experimentos in vitro e in vivo que uno de los efectos que llegan a tener diferentes nanomateriales es promover la acumulación de especies de oxígeno reactivas y promover la inflamación en diferentes tejidos, lo cual podría llegar a causar efectos adversos en la salud.

En el laboratorio nos hemos interesado en estudiar la importancia de las especies de oxígeno reactivas (EORs) en el desarrollo embrionario normal del pez cebra; de este modo, hemos determinado la presencia de enzimas encargadas de producir EOR como las NADPH oxidasas, así como enzimas encargadas de metabolizar las EOR, como las glutatión peroxidasas, durante el desarrollo embrionario del pez cebra. Sabemos que es necesario una regulación fina de la producción y la remoción de las EOR lo que genera un balance para que se lleve a cabo el desarrollo embrionario correctamente; este conocimiento y las metodologías que hemos establecido a lo largo de muchos años de experiencia en nuestros trabajos de investigación nos permite ahora comenzar a evaluar el efecto que pueden llegar a tener diferentes nanomateriales en el balance de las eor durante el desarrollo embrionario en el modelo animal del pez cebra, por medio del cual esperamos poder determinar con mayor certeza en el futuro cercano los efectos de diferentes nanomateriales a los que cada vez nos encontramos expuestos con mayor frecuencia.