¿Las nanopartículas afectan las membranas biológicas?

Las nanopartículas de hasta 100 nanómetros de diámetro se utilizan cada vez más para su uso en medicina, tecnología, cosméticos y alimentos, no obstante se desconocen adecuadamente sus posibles impactos en la salud humana. Los investigadores de Imperial College (Londres) han demostrado en el artículo Size dependency of gold nanoparticles interacting with model membranes, publicado en la revista Nature Communications Chemistry, que la toxicidad de las nanopartículas para las células debido a su efecto sobre las membranas lipídicas depende fundamentalmente de su tamaño. Las nanopartículas vienen en una amplia variedad de tamaños, formas y materiales, y los sistemas biológicos son complejos, lo que dificulta el estudio de determinar cómo interactúan entre sí. Sin embargo, uno de los primeros pasos claves en la toxicidad es cuando una partícula interactúa con la membrana alrededor de una célula. 

Crédito: Nick Quirke y col. Imperial College London. Nature Communications Chemistry

Utilizando un sistema simplificado han demostrado la interacción de un tipo de nanopartícula (Au) en contacto con una membrana según su tamaño. Las más grandes (50-60 nm) a veces se adhieren al exterior de la membrana, pero causan problemas mínimos, las de tamaño mediano (25-35 nm) se adhieren con mayor frecuencia a la superficie y causan cierta distorsión, y las nanopartículas más pequeñas (5-10 nm) distorsionan significativamente la membrana, doblándola hacia adentro, causando problemas tubulares. El estudio considera al diseñar las nanopartículas para su uso en el cuerpo humanos que las comprendidas entre 5-10 nm debieran evitarse por ser las más capaces de perturbar las membranas. Por lo tanto, solo las nanopartículas más pequeñas pueden causar efectos secundarios tóxicos no deseados en el cuerpo, un factor que, según el equipo, debe tenerse en cuenta al diseñar nanopartículas para uso medicinal. Los hallazgos de la citada investigación también tienen una ventaja: cuando se desea que las nanopartículas ingresen a las membranas, por ejemplo, para ingresar medicamentos directamente a las células (ej.: casos de delivery genético), las nanopartículas de oro más pequeñas pueden ser los mejores sistemas para su administración por introducirse más fácilmente en ellas. En nanomedicina el tamaño de las nanopartículas importa.

Lectura complementaria:

Size dependency of gold nanoparticles interacting with model membranes

Biodegradación intracelular de nanopartículas de oro.

En el artículo Unexpected intracellular biodegradation and recrystallization of gold nanoparticles, publicado el 16 de diciembre de 2019 en la revista PNAS, investigadores de l'Université de Paris, Sorbonne Université y l'Université de Strasbourg revelan la capacidad de las células para metabolizar el oro no esencial para su funcionamiento abriendo el camino a una mejor comprensión del ciclo de vida de las nanopartículas de oro en los organismos. Si bien las nanopartículas de oro están en el centro de una gama cada vez mayor de aplicaciones médicas, su destino en el organismo apenas se ha estudiado hasta ahora. 

Crédito: Alice Balfourier (CNRS-U. de París) y Christine Péchoux-Longin (MIMA2-INRA)

Debido a su inercia química, la creencia común es que permanecen infi- nitamente intactas en los tejidos. Los investigadores demuestran que las nanopartículas de oro de 4 a 22 nm en realidad son degradadas in vitro por las células. Contrariamente al paradigma actual, los cientí- ficos rastrearon la evolución de las nanopartículas de oro durante seis meses en un entorno celular, y eviden- ciaron transformaciones signi- ficativas después de unas pocas semanas. Al medir la expresión de más de 18,000 genes a lo largo del tiempo, revelaron un proceso biológico con mecanismos de desintoxicación y protección celular, presentes también en la degradación de otros nanomateriales. Los estudios de transcriptómica revelan el papel activo del lisosoma celular en esta biodisolución. También observaron la presencia de nanopartículas no degradadas y productos de degradación en forma de nanocapas. El proceso de biotransformación consta de dos pasos. Primero, está la degradación de las nanopartículas de oro, con una desaparición más rápida del tamaño más pequeño. La degradación está mediada por la NADPH oxidasa productora de especies de oxígeno reactivas altamente oxidantes en el lisosoma combinadas con una expresión protectora celular del factor nuclear, el eritroide 2. Segundo,  un proceso de recristalización de oro capaz de generar nanoestructuras biomineralizadas consistente en nanopartículas cristalinas de 2.5 nm autoensambladas en nanocapas. Las metalotioneínas parecieran participar en la biomineralización de los bloques autoensamblables en un proceso tal vez afectado afectado por un agente quelante. Las nanohojas se observaron por primera vez hace casi 50 años en pacientes que padecían poliartritis reumatoide luego de haber sido tratados con otra forma de oro (oro iónico o "sales de oro") para aliviar el dolor en sus articulaciones. En consecuencia, existe un metabolismo compartido de degradación entre las sales de oro y las nanopartículas de oro.

Este resultado inesperado, que generaliza el destino de las nanopartículas de oro en los organismos, podría ayudar en el futuro a evaluar mejor la toxicidad de las nanopartículas de oro y su capacidad para ser eliminadas del organismo. Finalmente se concluye que el oro, cualquiera que sea su forma inicial, puede ser metabolizado por los mamíferos a pesar de no ser esencial para su supervivencia.

Información complementaria:

Unexpected intracellular biodegradation and recrystallization of gold nanoparticles