Nanopartículas basadas en sílice para aplicaciones biomédicas

Resumo

Este trabajo titulado "Nanopartículas basadas en sílice para aplicaciones biomédicas" ha sido desarrollado en el Departamento de Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente de la Universidad de Zaragoza, en el grupo de investigación Nanostructured Films and Particles (NFP), miembro del Instituto de Investigación en Nanociencia de Aragón (INA). Los objetivos principales del trabajo son el diseño y síntesis de distintos materiales nanoparticulados, basados en sílice, con potencial aplicación en el campo de la biomedicina, así como el estudio y caracterización de estos materiales de cara a su aplicación en terapia génica, transporte y suministro controlado de fármacos e hipertermia. La terapia génica (transfección), es un procedimiento mediante el cual, se hace llegar material genético exógeno hasta el interior del núcleo celular. Para ello, se utilizan distintos vectores entre los que se encuentran virus, proteínas recombinantes, polímeros catiónicos y distintos tipos de nanopartículas. La transfección mediante vectores víricos, uno de los agentes más efectivos y ya usados en ensayos clínicos, tiene algunos inconvenientes importantes, como las respuestas del sistema inmune al detectar su presencia y su elevado precio. Por esta razón, se han realizado numerosos estudios para diseñar vectores alternativos para transfección. Entre ellos están las nanopartículas de sílice tanto densa como porosa, desarrolladas en esta investigación. A lo largo de este trabajo se han sintetizado nanopartículas silíceas y se han estudiado las variables principales que determinan su aplicación en transfección. Las líneas principales de trabajo han sido: -Aplicar distintos recubrimientos y funcionalizaciones a las nanopartículas, mediante los cuales se puedan optimizar sus propiedades superficiales para de unir y transportar hasta el núcleo celular, moléculas de ADN de tipo plasmídico. -Estudiar las propiedades físicas de los complejos formados por las nanopartículas y las moléculas de ADN plasmídico suspendidos en distintos medios. -Probar la eficiencia en transfección para distintas líneas celulares de los vectores sintetizados en colaboración con el Hospital La Paz. Por otro lado, en el caso de la utilización de nanopartículas como vehículos transportadores no ya de material genético, sino en general de fármacos o moléculas biológicamente activas, la naturaleza y tipo de materiales empleados es muy diversa. Entre otros candidatos, se han realizado estudios de transporte y liberación de fármacos mediante nanopartículas y micropartículas orgánicas e inorgánicas, liposomas, polímeros, nanotubos, micelas, dendrímeros, emulsiones, hidrogeles, multicapas de polielectrolitos, MOFs (del inglés metal organic frameworks), etc. siendo los compuestos fármaco-liposomas y fármaco-polímero los más estudiados y comercializados actualmente. Las nanopartículas de sílice porosa presentan numerosas características favorables para su utilización en esta aplicación. Se trata de materiales con una alta superficie específica y volumen de poros, con una mayor capacidad de almacenamiento que otros materiales. Además, es posible modificar sus propiedades superficiales fácilmente, de manera que pueden ser adaptadas para el transporte de moléculas de diversa naturaleza, tanto hidrófila como hidrófoba. La gran ventaja de los materiales porosos en general, y la sílice mesoporosa en particular, es que pueden proporcionar una liberación controlada del fármaco previamente adsorbido en su estructura de poros ordenados e iguales. Para la aplicación de nanopartículas de sílice mesoporosa en transporte y suministro controlado de fármacos, se han llevado a cabo las siguientes tareas: -Preparación de nanopartículas de sílice mesoporosa con estructuras ordenadas de tipo MCM-41 y MCM-48. -Modificación de sus características superficiales y su volumen de poros y análisis de la influencia de distintas variables sobre el proceso de síntesis, para la optimización del tamaño y propiedades físico-químicas de las nanopartículas obtenidas. -Caracterización de las nanopartículas preparadas, empleando distintas técnicas, de cara a su aplicación potencial en transporte y suministro controlado de fármacos. La terapia mediante hipertermia, es un tipo de tratamiento médico, aplicado principalmente a la lucha contra el cáncer, que consiste en la elevación de la temperatura de los tejidos, hasta producir la muerte celular o inhibir el crecimiento de las células tumorales. El tratamiento de hipertermia puede aplicarse utilizando ultrasonidos, radiación infrarroja, radiofrecuencia o microondas. En el caso de la hipertermia mediada por nanopartículas, existen distintos tipos de nanopartículas metálicas que responden a estímulos externos, que pueden utilizarse para elevar su temperatura y con ella la del medio que las rodea. Destacan entre ellas, la hipertermia mediada por nanopartículas magnéticas cuyo calentamiento responde a la aplicación de un campo magnético alterno externo y la hipertermia óptica, mediada por nanopartículas que responden calentándose a la aplicación de radiación infrarroja. En esta investigación se han sintetizado nanopartículas SiO2@Au con núcleo de sílice y carcasa de oro capaces de absorber radiación en un rango de longitudes de onda denominado "ventana del agua" entre 650 nm y 1200 nm. En este intervalo de longitudes de onda, los materiales que contienen agua o los cromóforos, no presentan absorción significativa. Esta característica permite la utilización de las nanopartículas SiO2@Au en hipertermia óptica, como blancos de radiación láser, para conseguir el calentamiento selectivo de tejidos en los que se hayan infiltrado previamente las nanopartículas, sin dañar al resto de las células que los rodean. En este caso, además de nanopartículas SiO2@Au con núcleos de sílice densa, se han sintetizado nanopartículas SiO2@Au con núcleos de sílice mesoporosa, para su aplicación en liberación controlada de fármacos mediante la aplicación de radiación. Para ello, se han abordado los siguientes aspectos: -Estudio del procedimiento de síntesis, analizando la influencia de distintas variables sobre las características de las nanopartículas obtenidas. -Diseño de un sistema experimental mediante el cual, las muestras se someten a radiación láser en la región del infrarrojo cercano, para la aplicación de las nanopartículas preparadas en hipertermia óptica. -Caracterización para su aplicación en hipertermia óptica, estudiando sus propiedades de absorción y capacidad de calentamiento. -Optimización del procedimiento de síntesis para la obtención de nanopartículas con núcleo de sílice porosa y carcasa de oro. -Desorción controlada de fármacos previamente adsorbidos en la estructura porosa mediante el empleo del calor generado por la utilización del láser. La memoria está estructurada en distintos capítulos. -Un capítulo introductorio sobre el tema de este trabajo en el que se exponen la importancia económica y social de las aplicaciones de la nanotecnología en medicina, los problemas para la aplicación de esta tecnología en distintas áreas de investigación, así como una breve introducción sobre algunos de los materiales más utilizados y en especial sobre los materiales silíceos objeto de estudio en este trabajo y sus aplicaciones más importantes. -Un segundo capítulo en el que se detallan los procedimientos experimentales seguidos a lo largo de la realización de este trabajo. -El tercer capítulo describe la preparación y modificación de las distintas nanopartículas basadas en sílice utilizadas en este trabajo y su caracterización en vista a posibles aplicaciones biomédicas. -En el cuarto capítulo se describen los resultados obtenidos en la preparación y caracterización de nanopartículas basadas en sílice, y su aplicación en procesos específicos de transfección. -El quinto capítulo detalla los resultados de la aplicación de las nanopartículas SiO2@Au en hipertermia y suministro de fármacos controlado mediante irradiación láser en el infrarrojo cercano. -En el sexto capítulo se exponen las conclusiones más importantes obtenidas en este trabajo.