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MADRID, 10 Mar. (EUROPA PRESS) -
Investigadores de la Universidad Estatal de Arizona (Estados Unidos) han descubierto un principio científico clave que rige cómo lo que recubre las superficies de las nanopartículas diseñadas puede, en última instancia, controlar cómo funcionan en nuestros cuerpos.
En un nuevo estudio publicado en 'Proceedings of the National Academy of Sciences', el equipo midió directamente cómo las interacciones del agua influyen en el rendimiento biológico de las nanopartículas.
"El agua es necesaria para toda la vida", plantea Navrotsky, autor principal del estudio, profesor regente de la Facultad de Ciencias Moleculares y director del Centro de Materiales del Universo de la Universidad Estatal de Arizona. "Y en Medicina, es la primera molécula que interactúa con la superficie de cualquier nanopartícula en un entorno biológico. Al medir directamente la energía de la adsorción del agua, podemos cuantificar el potencial de interacción de la superficie de la nanopartícula y predecir mejor su comportamiento en el organismo".
Esta denominada energía de hidratación se midió para una serie de nanopartículas de magnetita revestidas de biomoléculas, revelando cómo los diferentes recubrimientos de superficie alteran las interacciones del agua, el reconocimiento inmunológico y el potencial de administración de fármacos.
A pesar de los grandes esfuerzos, la promesa de la nanomedicina ha fracasado en gran medida a la hora de ofrecer una nueva generación de mejores medicamentos para tratar enfermedades. Esto se debe principalmente al cuerpo humano, que ha creado un formidable laberinto de barreras y defensas que los científicos deben superar para administrar el medicamento adecuado al objetivo correcto en el momento oportuno.
Es también por eso que la quimioterapia contra el cáncer tiene sus efectos secundarios graves, conocidos desde hace tiempo, al liberar toxinas no deseadas por todo el cuerpo mientras intenta matar el tumor. Por ello, los científicos han trabajado arduamente para desarrollar una terapia nanomédica tipo caballo de Troya, envolviendo los medicamentos dentro de una jaula protectora de nanopartículas. Pero todavía quedan enormes desafíos sin resolver.
Estas nanopartículas, diseñadas para la administración de fármacos, la imagenología y aplicaciones terapéuticas, deben funcionar primero en fluidos biológicos complejos como la sangre, el intestino o el cerebro tras ser ingeridas. Una vez introducidas en el organismo, las nanopartículas se rodean inmediatamente de moléculas de agua y biomoléculas, formando un complejo nanocomplejo que determina su estabilidad, tiempo de circulación, respuesta inmunitaria y absorción celular.
A pesar del papel central de la hidratación en la nanomedicina, investigaciones anteriores no habían medido directamente la energía de la adsorción de agua en nanopartículas magnéticas recubiertas de biomoléculas.
El equipo de la Universidad Estatal de Arizona abordó esta brecha estudiando nanocomplejos de núcleo-capa compuestos de núcleos de magnetita (óxido de hierro) recubiertos con tres biomoléculas representativas: una proteína (albúmina de suero bovino), un polisacárido (almidón de papa) y un ácido graso (ácido láurico).
Utilizando un sistema de adsorción de gas por calorimetría de alta sensibilidad, los investigadores midieron la energía de la adsorción de agua en nanopartículas recubiertas secas, su área hidrofílica y su potencial de interacción, y compararon los resultados con biomoléculas libres y magnetita sin recubrimiento. Los resultados mostraron que cada recubrimiento altera drásticamente el comportamiento de hidratación y el potencial de interacción biológica del nanocomplejo.
El primer experimento utilizó una nanopartícula recubierta con una proteína, la albúmina sérica bovina (BSA), comúnmente utilizada como modelo para la albúmina sérica humana en la investigación de la administración de fármacos. En general, el recubrimiento proteico produjo la interacción inicial más fuerte con el agua al recubrirse sobre nanopartículas de magnetita. Las partículas recubiertas con BSA exhibieron fuertes sitios de unión expuestos en la superficie.
Sin embargo, la absorción total de agua fue menor que la de BSA libre, lo que reveló una cobertura superficial incompleta y la presencia de parches de magnetita sin recubrimiento. No obstante, tal "irregularidad" podría favorecer la adsorción de opsoninas (proteínas que marcan partículas extrañas para su eliminación inmunitaria), reduciendo potencialmente la vida útil de la circulación.
Por el contrario, la magnetita recubierta de almidón exhibió una gran superficie hidrófila (amante del agua), pero un potencial de interacción más débil en comparación con el almidón libre. Los investigadores descubrieron que las cadenas de almidón se unen a la superficie de la magnetita mediante grupos hidroxilo, lo que reduce la cantidad de grupos disponibles para la interacción con el agua. La microscopía electrónica de transmisión reveló una densa capa encapsulante que limita el acceso a las moléculas de agua externas.
"El menor potencial de interacción del recubrimiento de almidón y su superficie hidrofílica relativamente grande sugieren una unión más dinámica y reversible", exponen los investigadores. "Esto podría ser beneficioso en la administración de fármacos, donde la movilidad a lo largo de las membranas celulares y la reducción de la citotoxicidad son deseables".
Estas interacciones reversibles pueden permitir que las nanopartículas se adhieran a las membranas celulares sin causar una alteración significativa, lo cual es una consideración importante para la biocompatibilidad.
Quizás el hallazgo más sorprendente se relacionó con el ácido láurico, un recubrimiento de ácido graso. El ácido láurico cristalino libre no adsorbe agua, ya que, como cualquier cocinero sabe, el agua y los aceites grasos no se mezclan. Sin embargo, al recubrir nanopartículas de magnetita, el recubrimiento de grasa se reorganizó en una estructura de bicapa parcial, lo que resultó en una fuerte interacción con el agua y una capa interfacial hidratada estable.
En los tres recubrimientos, el estudio establece que la ciencia de la energética del agua (entalpía de hidratación) puede ser un parámetro termodinámico clave que refleja la hidrofilicidad de la superficie, la heterogeneidad y el potencial de interacción biológica. Los resultados de los tres recubrimientos pueden ayudar a los científicos con una herramienta predictiva "Ricitos de Oro" para lograr un diseño de nanopartículas "perfecto".
"Nuestros hallazgos muestran que la funcionalización de la superficie no solo cambia la química, sino que altera fundamentalmente el panorama termodinámico en la interfaz nano-bio. Al comprender la energía de la hidratación primaria, podemos diseñar racionalmente nanotransportadores con estabilidad, interacciones inmunes y comportamiento de administración de fármacos personalizados", resumen los investigadores.
El trabajo tiene amplias implicaciones para el diseño de nanomedicinas utilizadas en aplicaciones tales como administración dirigida de medicamentos, agentes de contraste para imágenes corporales, tratamientos contra el cáncer y aplicaciones de biodetección.
A medida que la investigación en nanomedicina continúa evolucionando, la energía de la hidratación podría convertirse en una herramienta clave para diseñar terapias con nanopartículas más seguras, de mayor duración y más eficaces, que algún día podrían salvar vidas. Este trabajo también sentó las bases para futuras investigaciones centradas en la medición directa del efecto estabilizador de recubrimientos biomoleculares representativos sobre el nanocomplejo.
La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EEUU y se llevó a cabo en el Centro de Materiales del Universo de la Universidad Estatal de Arizona, dirigido por Navrotksy.
