Nanoestructuras híbridas y anisotrópicas para aplicaciones biomédicas

Abstract

El cáncer es una de las principales causas de mortalidad a nivel mundial y representa un gran desafío para mejorar la esperanza de vida. En este contexto, la nanotecnología ofrece nuevas y prometedoras soluciones, como las relacionadas con las nanopartículas magnéticas (NPMs), que se presentan como herramientas de gran interés en el campo de la biomedicina. Estas partículas destacan por su capacidad de respuesta magnética, lo que les permite ser dirigidas hacia áreas específicas del cuerpo, desempeñando funciones terapéuticas diversas. El núcleo de esta investigación se centra en el estudio, caracterización y aplicación de terapias térmicas utilizando NPMs, así como su rol como agentes transportadores de fármacos, permitiendo tratamientos más eficaces con dosis menores. Entre las terapias térmicas destaca la hipertermia magnética, que consiste en la generación localizada de calor mediante la aplicación de campos magnéticos alternos. Se ha demostrado que, al aumentar la temperatura de las células tumorales en el rango de 41-46oC, es posible inducir apoptosis celular. Otra opción es la fototermia, que utiliza radiación láser a una longitud de onda específica para generar calor. Además, una alternativa menos explorada es el uso de campos magnéticos rotantes de baja frecuencia, los cuales no generan calor, pero pueden romper membranas celulares de forma magneto-mecánica o favorecer la difusión de fármacos. Para estas aplicaciones se han sintetizado nanoestructuras híbridas que responden a múltiples estímulos, tanto físicos como biológicos. Desde el punto de vista físico, se busca optimizar su rendimiento y propiedades. En el aspecto biológico, estas nanoestructuras están diseñadas para minimizar efectos secundarios y maximizar la efectividad del tratamiento. En este trabajo se han diseñado cuatro tipos de nanoestructuras: (i) nanoesferas de magnetita recubiertas de oro, (ii) nanovarillas magnéticas de 40 nm de longitud, (iii) nanovarillas magnéticas de 550 nm, con y sin semillas de oro en la superficie, y (iv) partículas de carbón activo con magnetita. Se realizó una caracterización completa de cada estructura y se recubrieron con polímeros catiónicos (polietilenimina) y aniónicos (poliestireno sulfonato), mostrando ser biocompatibles hasta concentraciones de 300 μg/mL en diversas líneas celulares. Además, se evaluó su eficiencia como agentes de calentamiento frente a diferentes estímulos. Específicamente, en las nanovarillas de menor tamaño, se observó que la aplicación tanto de hipertermia magnética como de fototermia redujo la viabilidad celular en más del 60% en ambos casos. En cuanto al comportamiento fototérmico de las partículas recubiertas de oro, se observó un menor calentamiento en el rango del infrarrojo, pero con longitudes de onda en el espectro azul-verde, la temperatura aumentó hasta 10 veces más. Aunque estas longitudes de onda son menos penetrantes, podrían ser útiles para tratar tumores superficiales o accesibles mediante fibra óptica. Uno de los resultados más relevantes obtenidos fue la terapia dual, que combina la aplicación de un campo magnético alterno con la irradiación láser simultánea. Este enfoque permite reducir tanto la intensidad del campo magnético (∼20%, de 21 kA/m a 17 kA/m) como la densidad de potencia del láser (en un 70%), ofreciendo un tratamiento potencialmente menos dañino, pero igualmente eficaz. En cuanto a las estructuras de carbón activo con magnetita, se alcanzó una adsorción del 80% del fármaco antitumoral en 2 horas, mejorando su liberación con técnicas fototérmicas y campos magnéticos rotantes de baja frecuencia. Por último, gracias a los experimentos in vitro, se demostró que la localización intracelular de las NPMs es crucial para mejorar la eficacia del tratamiento fototérmico, ya que es necesario que las nanopartículas se encuentren dentro de las células tumorales para maximizar la muerte celular.

Cancer is one of the main causes of mortality worldwide and represents a great challenge to improve life expectancy. In this context, nanotechnology offers new and promising solutions, such as those related to magnetic nanoparticles (MNPs), which are tools of great interest in the field of biomedicine. These particles stand out for their magnetic responsiveness, which allows them to be directed to specific areas of the body, performing diverse therapeutic functions. The core of this research focuses on the study, characterization and application of thermal therapies using MPNs, as well as their role as drug transporting agents, allowing more effective treatments with lower doses. Among the thermal therapies, magnetic hyperthermia stands out, which consists of the localized generation of heat through the application of alternating magnetic fields. It has been shown that, by increasing the temperature of tumor cells in the range of 41-46oC, it is possible to induce cell apoptosis. Another option is photothermia, which uses laser radiation at a specific wavelength to generate heat. In addition, a less explored alternative is the use of low-frequency rotating magnetic fields, which do not generate heat, but can magneto-mechanically rupture cell membranes or enhance drug diffusion. For these applications hybrid nanostructures capable of responding to multiple stimuli, both physical and biological, have been synthesized. From the physical point of view, the objective is to optimize their performance and properties. From the biological perspective, these nanostructures are designed to minimize side effects and maximize treatment efficacy. In this work four types of nanostructures have been designed: (i) gold-coated magnetite nanospheres, (ii) magnetic nanorods of 40 nm in length, (iii) magnetic nanorods of 550 nm, with and without gold seeds on the surface, and (iv) activated carbon particles with magnetite. A complete characterization of each structure was carried out and they were coated with cationic (polyethylenimine) and anionic (poly(styrenesulfonate) polymers, showing to be biocompatible up to concentrations of 300 μg/mL in diverse cell lines. In addition, their efficiency as heating agents against different stimuli was evaluated. Specifically, in the smaller size nanorods, it was observed that the application of both magnetic hyperthermia and photothermia reduced cell viability by more than 60% in both cases. Regarding the photothermal behavior of the gold-coated particles, lower heating was observed in the infrared range, but with wavelengths in the blue-green spectrum, the temperature increased up to 10 times higher. Although these wavelengths are less penetrating, they could be useful for treating superficial or fiber-optically accessible tumors. One of the most relevant results obtained was dual therapy, which combines the application of an alternating magnetic field with simultaneous laser irradiation. This approach makes it possible to reduce both the intensity of the magnetic field (∼20%, from 21 kA/m to 17 kA/m) and the laser power density (by 70%), offering a potentially less damaging but equally effective treatment. Concerning the activated carbon structures with magnetite, an adsorption of 80% of the antitumor drug was achieved in 2 hours, improving its release with photothermal techniques and low-frequency rotating magnetic fields. Finally, through in vitro experiments, it was shown that the intracellular localization of NPMs is crucial to improve the efficacy of photothermal treatment, since it is necessary for the nanoparticles to be inside the tumor cells to maximize cell death.