Resumen de Estudio del mecanismo molecular de apoptosis y de la seguridad de la terapia fototérmica aplicada al tratamiento del cáncer utilizando nanoprismas de oro funcionalizados
Introducción El efecto fototérmico consiste en la habilidad que presentan los materiales plasmónicos en transformar la luz absorbida en calor. Esta respuesta fototérmica se ha explorado durante muchos años para su uso en varias aplicaciones incluidas la terapia fototérmica [1], liberación de drogas [2, 3], imagen [4, 5] o biosensores [6]. En particular, las nanopartículas de oro (AuNPs) presentan unas ventajas adicionales respecto a otros metales. La primera es que las propiedades ópticas de las AuNPs pueden localizarse en el infrarrojo cercano (NIR), en lo que se conoce como ventana biológica, donde la absorción de los componentes biológicos es limitada [7]. Segundo, en contraste con otros metales como plata o cobre, el oro es más noble y se considera uno de los más seguros y estables [8]. Por último, la cantidad y facilidad de métodos sintéticos permiten la síntesis de AuNPs con objetivos específicos simplemente variando la forma, tamaño y superficie [9]. La hipertermia suave (<43ºC) es un reconocido adyuvante de la radioterapia y quimioterapia convencional [10], aunque esta estrategia no se ha adoptado ampliamente en la clínica por la dificultad de monitorizar la temperatura y por los métodos utilizados para producir calor. Los métodos convencionales aplican energía desde el exterior del cuerpo como ultrasonidos, bolsas de agua caliente, microondas, etc [11], de manera que el calor inducido es rápidamente disipado. Las AuNPs ofrecen una forma completamente diferente de provocar hipertermia utilizando sus propiedades fisico-químicas que les permiten transformar la energía de la luz absorbida en calor [12]. Además se pueden dirigir al tejido diana de forma que el aumento de temperatura se genere en el mismo tumor y el calor se disipe de dentro hacia fuera. Este hecho genera un mínimo calentamiento de los tejidos sanos ya que además, la longitud de onda de resonancia depende de la forma y tamaño de la AuNP [13], por lo que se puede localizar en el NIR donde no absorben los tejidos. Esta mejora en la técnica de calentamiento que ha permitido el desarrollo de la nanotecnología, hace que la terapia fototérmica se pueda utilizar como terapia por sí sola para la eliminación de células tumorales mediante ablación térmica [14].
La terapia fototérmica abarca la localización de las nanopartículas en el tumor seguida de una irradiación que produce un aumento de temperatura local que mata la célula [15]. Como respuesta de un estímulo externo, tanto la apoptosis como la necrosis pueden ocurrir de forma independiente, secuencial y simultánea [16]. De hecho, la respuesta celular a materiales plasmónicos es compleja y depende de la cantidad de nanopartículas internalizadas, así como de la cantidad de energía absorbida [7]. Recientemente, en el grupo de investigación se ha desarrollado un método sintético que permite la producción de AuNPs con forma de prisma (AuNPRs) en ausencia de agentes tóxicos [17]. Estos AuNPRs presentan una alta eficiencia calorífica incluso a bajas concentraciones, al ser irradiados con un láser continuo a 1064 nm, induciendo muerte celular [17].
El objetivo principal de esta tesis ha sido el uso de estos AuNPRs para de forma eficiente y selectiva inducir apoptosis en células tumorales y más importante, descifrar el mecanismo de muerte celular que se desencadena, para poder predecir la eficacia de este nuevo tratamiento contra células tumorales que son resistentes a las terapias convencionales. Todo ello junto con un estudio en detalle de su toxicidad, para poder prevenir y minimizar sus efectos adversos.
Resultados Utilizando estos AuNPRs se encontraron unas condiciones óptimas para inducir apoptosis en células MEF irradiando a una potencia de 5 W/cm2, que además se lleva a cabo por la vía mitocondrial a través de la activación de Bid. Sin embargo, variando la potencia es posible inducir necrosis [17], lo cual puede ser interesante en los casos de tumores con mutaciones que les confieran resistencia a la apoptosis [18, 19]. Estudios previos en la literatura indican la importancia de alcanzar un mínimo de temperatura para inducir la muerte de la célula [20] que nuestros resultados han marcado por encima de 50ºC.
Por otro lado, los materiales utilizados para bioaplicaciones deben preservar sus características fisicoquímicas en condiciones biológicas, además no deben afectar a la función de componentes biológicos como células y proteínas. Por lo que la determinación de su toxicidad también es importante, ya que buscamos una terapia segura y versátil. La nanotecnología se desarrolla en áreas donde las ventajas exceden los posibles riesgos como es el caso del tratamiento del cáncer.
En nuestros resultados se ha observado que los AuNPRs son internalizados en menor grado en células primarias. Sin embargo, se acumulan en los macrófagos residentes en bazo e hígado [21, 22]. La acumulación de nanopartículas en los órganos puede resultar tóxica [23], aunque nuestros AuNPRs no resultan tóxicos para estos órganos. Tampoco se ha observado toxicidad en los estudios in vitro, a pesar de que la presencia de AuNPRs produce un aumento moderado de los niveles de ROS y caída de potencial de la membrana mitocondrial en las células. Sin embargo, los efectos tóxicos de las nanopartículas no solo implican los relacionados con la muerte de la célula sino que hay otras formas de toxicidad que alteran su función. Algunos estudios han mostrado que las AuNPs pueden provocar efectos secundarios negativos como afectar al sistema inmune [24-26]. Si bien la presencia de AuNPRs en la activación de las células NK no afecta a su viabilidad, sí que disminuye la proliferación celular y su actividad citotóxica. De este modo la presencia de AuNPs podría suprimir la actividad del sistema inmune y generar efectos adversos para la terapia antitumoral como ya se ha sugerido previamente [26, 27]. Si un compuesto es inmunotóxico es muy probable que sea carcinógeno [28], por lo que es importante también analizar este aspecto para determinar la efectividad de la PTT.
Resumen Los resultados obtenidos indican que es posible inducir apoptosis mediante PTT utilizando AuNPRs y en caso necesario también es posible inducir necrosis. A su vez estos AuNPRs no parecen tóxicos ni en líneas celulares ni en ratones a pesar de su acumulación en bazo e hígado de forma crónica, aunque sí que ejercen un efecto sobre el sistema inmune disminuyendo la proliferación celular y la actividad citotóxica de las células NK in vitro. Aunque se desconoce la relevancia de esta interferencia, es un aspecto a tener en cuenta en estudios futuros. Estos resultados muestran que no es posible determinar el impacto de NPs en el organismo simplemente midiendo los efectos tóxicos sobre líneas celulares, esos análisis son muy restrictivos y no reflejan el efecto potencial de NPs en el organismo, sobre todo en caso de exposiciones largas. Además se tiene que tener en cuenta la posibilidad de que las NPs afecten a la función de las células lo que puede tener efectos no deseados en situaciones concretas y no sean detectados en los estudios convencionales, como por ejemplo en el caso de una infección Bibliografía 1. Lal S, Clare SE, Halas NJ. Nanoshell-enabled photothermal cancer therapy: Impending clinical impact. Accounts of chemical research 41(12), 1842-1851 (2008).
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