Diseño y caracterización de nanomateriales de nueva generación con aplicaciones avanzadas en química médica
- Autores: Diana Díaz García
- Directores de la Tesis: Santiago Gómez Ruiz (dir. tes.), Sanjiv Prashar (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Rey Juan Carlos ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Adoración Gómez Quiroga (presid.), Isabel del Hierro (secret.), Gilles Gasser (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias por la Universidad Rey Juan Carlos
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
El creciente desarrollo tecnológico en las últimas décadas ha conducido a un progreso exponencial del proceso de globalización que han hecho que la sociedad actual presente grandes desafíos globales como es el rápido desarrollo de enfermedades y su fácil extensión tanto por factores ambientales como por otros asociados al progreso tales como la movilidad. Uno de los retos actuales de más calado es el estudio y el tratamiento del cáncer que en un término amplio abarca multitud de enfermedades, siendo actualmente la segunda causa de muerte a nivel mundial. Además, el avance de enfermedades infecciosas, tales como infecciones bacterianas, está suponiendo también un grave problema debido al aumento de colonias bacterianas resistentes y superbacterias. Por ello, existe una necesidad emergente en el desarrollo de nuevos tratamientos más efectivos y selectivos.
En este contexto, la nanomedicina que es la ciencia encarga del diseño y aplicación de materiales a escala nanométrica, con el propósito de detectar, prevenir y tratar cualquier enfermedad, se está desarrollando enormemente en los últimos años y está sirviendo de herramienta para el diseño de nuevos sistemas terpéuticos de interés en una gran variedad de afecciones. Aunque existen multitud de tipos de nanomateriales, las sílicas mesoporosas han ganado elevada importancia debido a sus excelentes propiedades físico-químicas. El empleo de materiales nanoestructurados porosos basados en sílicas con fines biomédicos, esta siendo explotado enormemente en los últimos años debido a su uso como soporte de diversos fármacos. Sin embargo, existen aún interrogantes asociados al modo de acción de este tipo de sistemas, así como a la vía de internalización en la zona de acción de los mismos que han forzado a la necesidad de llevar a cabo estudios exhaustivos sobre su potencial aplicación en diversos contextos biológicos.
En esta Tesis Doctoral se ha pretendido explorar la síntesis de nuevos nanosistemas multifuncionales basados en distintos materiales biocompatibles basasos en sílica mesoporosa (SBA-15, MSN o MSU-2), como soporte de diferentes metalofármacos basados en titanio y estaño, con potenciales aplicaciones antitumorales, así como de diferentes sistemas basados en cobre con potencial acción antibacteriana. La incorporación de diversas moléculas de interés biológico permitió además crear sistemas multimodales con el fin de conseguir plataformas que desempeñen diferentes funciones terapéuticas, selectivas o de diagnóstico al mismo tiempo (Figura 1). De forma general, estos nuevos sistemas de transporte y administración de derivados terapéuticos metálicos mostraron una gran estabilidad en medios fisiológicos, con una liberación de metal muy baja en comparación al porcentaje incorporado en cada sistema con liberación de especies solubles metálicas normalmente inferiores al 0.001%, lo que les hace actuar, en prácticamente todos los casos, como sistemas drug delivery no clásicos, que no necesitan de una liberación de especies metálicas solubles para ser citotóxicos.
En concreto, en el inicio de esta investigación (Capítulo 1), se llevó a cabo la síntesis de materiales basados en SBA-15 funcionalizados con compuestos de Ti y Sn. Tras una extensa caracterización, se desmostró que la incorporación de los derivados metálicos tiene lugar principalmente en el interior de los poros de la sílica. Los materiales mostraron una moderada actividad antiproliferativa contra diferentes líneas cancerígenas, con acumulación tumoral debido al efecto EPR, mostrando diferentes mecanismos de apoptosis via factores TNF-α o Fas, en función del compuesto metálico incorporado.Observando el gran potencial terapéutico de los sistemas basados en derivados de estaño, se diseñaron nuevos materiales basados en la unión covalente del centro metálico de estaño tras la apertura de un ligando epóxido (Capítulo 2) o un ligando tiolato (Capítulos 3, 4, y 5), incorporando además vecores moleculares (targeting), tales como ácido fólico o transferrina, para conseguir sistemas más selectivos y con mayor capacidad de internalización celular. La estrategia de empleo de fragmentos folato mostró una clara relación entre el aumento de la internalización celular con la actividad biológica de los materiales, obteniendo una citotoxicidad de hasta más de 20 veces en comparación con los análogos sin ácido fólico. La incorporación del fluoróforo FITC (Capítulo 5) permitió analizar la captación celular de los materiales funcionalizados con transferrina, que, al igual que con el ácido fólico, llevaron a un aumento de la internalización en la línea celular A2780 (sobreexpresa receptores trasnferrina), sobre todo en los materiales basados en titanio. Sin embargo, el uso de transferrina en este tipo de sistemas no produjo una mejora significativa de la actividad citotóxica de los sistemas.
Esta capacidad de internalización más específica con mejores resultados terapéuticos, permitieron trasladar el diseño de estos sistemas a un modelo real de ratón (Capítulo 4), sintetizando tres plataformas teragnósticas diferentes (con ácido fólico como target y Alexa Fluor como molécula imagen), una de ellas basada en la acción sinérgica de sistemas de liberación clásicos (a través de la respuesta del péptido Gly-Phe-Leu-Gly a la encima captesina) y sistemas no clásico (funcionalización con derivado de organoestaño MP-Sn).
El estudio de la actividad migrastática y de invasión celular de este tipo de sistemas nanoestructurados funcionalizados con complejos metálicos de estaño o titanio mostró una inhibición de la angiogénesis, evitando la formación de tejidos conectivos y, por tanto, teniendo capacidad de evitar la expansión tumoral. Además, los materiales del Capítulo 5, mostraron una menor producción de factores de crecimiento (VEGF-2 y FGF-2) y factores de trasncripción (NF-κβ), lo que corrobora la capacidad inhibitoria de estos nuevos sistemas. El mecanismo de muerte celular se asoció a la inducción de la muerte celular programada (apoptosis) así como al incremento de las especies reactivas de oxígeno, lo que provoca daños celulares irreversibles como mitoptosis.
Una búsqueda de la extensión de las posibles aplicaciones biológicas de los sistemas basados en sílica, condujeron al diseño de materiales con cobre(II) coordinado a ligandos del tipo maleamato o imidazol que fueron sintetizados y caracterizados completamente (Capítulos 6 y 7). Los materiales mostraron una actividad sinérgica ligando-Cu frente diferentes tipos de bacterias. El modo de acción de estos materiales se basó en la producción de un desequilibrio en las especies reactivas de oxígeno presentes en las bacterias, incrementando su producción hasta en un 287% y generando un alto estrés oxidativo a las bacterias. Además, estos sistemas mostraron, en estudios electroquímicos, que presentan la capacidad de interación con aminoácidos y pequeños péptidos (alanina, lisina y glutatión) algunos de los cuáles interfieren en la síntesis del peptidoglicano de la pared celular. Esta perturbación en el proceso de síntesis de la pared bacteriana promovida por este tipo de materiales nanoestructurados se postula como un mecanismo antibacteriano alternativo a la generación de estrés oxidativo.
En conclusión, los sistemas diseñados a lo largo de esta Tesis Doctoral han ido paulatinamente modulándose hacia sistemas con una mejor estabilidad física de los metalofármacos, mejorando la farmacocinética (por necesidad de dosis más bajas) y la internalización celular selectiva, obteniendo por tanto acumulaciones más eficaces y selectivas, lo que les han convertido en nuevos materiales con potencial para, en un futuro cercano, poder saltar al estudio de los mismos como agentes terapéuticos en fases clínicas.
