La adsorción (que no debe confundirse con la absorción ) es la acumulación y adhesión de moléculas, átomos, iones o partículas más grandes a una superficie, pero sin que se produzca penetración en la superficie. La adsorción de biomoléculas más grandes, como las proteínas, tiene una gran relevancia fisiológica y, como tal, se adsorben con mecanismos diferentes a los de sus análogos moleculares o atómicos. Algunas de las principales fuerzas impulsoras detrás de la adsorción de proteínas incluyen: energía superficial, fuerzas intermoleculares, hidrofobicidad e interacción iónica o electrostática. Al conocer cómo estos factores afectan la adsorción de proteínas, se pueden manipular mediante mecanizado, aleación y otras técnicas de ingeniería para seleccionar el rendimiento más óptimo en aplicaciones biomédicas o fisiológicas.
Muchos dispositivos y productos médicos entran en contacto con las superficies internas del cuerpo, como herramientas quirúrgicas e implantes. Cuando un material no nativo ingresa al cuerpo, se produce el primer paso de la respuesta inmunitaria y la matriz extracelular del huésped y las proteínas plasmáticas se agregan al material en un intento de contener, neutralizar o aislar el agente nocivo. [1] Estas proteínas pueden facilitar la adhesión de varios tipos de células, como osteoblastos y fibroblastos , que pueden estimular la reparación de tejidos. [2] Llevando esto un paso más allá, los dispositivos implantables pueden recubrirse con un material bioactivo para estimular la adsorción de proteínas específicas, la formación de cápsulas fibrosas y la cicatrización de heridas. Esto reduciría el riesgo de rechazo del implante y aceleraría la recuperación al seleccionar las proteínas y células necesarias para la endotelización. Después de la formación del endotelio , el cuerpo ya no estará expuesto al material extraño y detendrá la respuesta inmunitaria.
Las proteínas como el colágeno o la fibrina suelen servir como andamios para la adhesión celular y el crecimiento celular. Esto es una parte integral de la integridad estructural de las capas celulares y su diferenciación en estructuras de tejidos y órganos más complejos. Las propiedades de adhesión de las proteínas a superficies no biológicas influyen en gran medida en si las células pueden o no unirse indirectamente a ellas a través de andamios. Un implante como un reemplazo de vástago de cadera necesita integración con los tejidos del huésped, y la adsorción de proteínas facilita esta integración.
Los instrumentos quirúrgicos pueden diseñarse para que se puedan esterilizar más fácilmente, de modo que las proteínas no queden adsorbidas en una superficie, con el riesgo de contaminación cruzada. Algunas enfermedades, como la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob y el kuru (ambas relacionadas con la enfermedad de las vacas locas ), son causadas por la transmisión de priones , que son formas errantes o mal plegadas de una proteína normalmente nativa. Los instrumentos quirúrgicos contaminados con priones requieren un método especial de esterilización para erradicar por completo todos los oligoelementos de la proteína mal plegada, ya que son resistentes a muchos de los métodos de limpieza que se utilizan normalmente.
Sin embargo, en algunos casos, la adsorción de proteínas a los biomateriales puede ser un evento extremadamente desfavorable. La adhesión de factores de coagulación puede inducir trombosis , lo que puede provocar un accidente cerebrovascular u otros bloqueos. [3] Algunos dispositivos están destinados a interactuar con el entorno corporal interno, como sensores o vehículos de administración de fármacos, y la adsorción de proteínas obstaculizaría su eficacia.
Las proteínas son biomoléculas que se componen de subunidades de aminoácidos . Cada aminoácido tiene una cadena lateral que gana o pierde carga dependiendo del pH del entorno circundante, así como de sus propias cualidades polares o no polares. [4]
Las regiones cargadas pueden contribuir en gran medida a la forma en que esa proteína interactúa con otras moléculas y superficies, así como a su propia estructura terciaria (plegamiento de proteínas). Como resultado de su hidrofilicidad, los aminoácidos cargados tienden a ubicarse en el exterior de las proteínas, donde pueden interactuar con las superficies. [5] Es la combinación única de aminoácidos lo que le da a una proteína sus propiedades. En términos de química de superficie , la adsorción de proteínas es un fenómeno crítico que describe la agregación de estas moléculas en el exterior de un material. La tendencia de las proteínas a permanecer adheridas a una superficie depende en gran medida de las propiedades del material, como la energía superficial, la textura y la distribución de carga relativa. Las proteínas más grandes tienen más probabilidades de adsorberse y permanecer adheridas a una superficie debido a la mayor cantidad de sitios de contacto entre los aminoácidos y la superficie (Figura 1).
La idea fundamental detrás de la adsorción espontánea de proteínas es que la adsorción ocurre cuando se libera más energía de la que se gana según la ley de Gibbs de energía libre.
Esto se ve en la ecuación:
dónde:
Para que la adsorción de proteínas se produzca de forma espontánea, ∆ ads G debe ser un número negativo.
Las proteínas y otras moléculas compiten constantemente entre sí por los sitios de unión en una superficie. El efecto Vroman , desarrollado por Leo Vroman, postula que las moléculas pequeñas y abundantes serán las primeras en recubrir una superficie. Sin embargo, con el tiempo, las moléculas con mayor afinidad por esa superficie en particular las reemplazarán. Esto se observa a menudo en materiales que entran en contacto con la sangre, donde el fibrinógeno se unirá primero a la superficie y con el tiempo será reemplazado por quininógeno . [6]
Para que las proteínas se adsorban, primero deben entrar en contacto con la superficie a través de uno o más de estos principales mecanismos de transporte: difusión , convección térmica , flujo masivo o una combinación de ellos. Al considerar el transporte de proteínas, es claro cómo los gradientes de concentración, la temperatura, el tamaño de la proteína y la velocidad de flujo influirán en la llegada de las proteínas a una superficie sólida. En condiciones de bajo flujo y gradientes de temperatura mínimos, la tasa de adsorción se puede modelar a partir de la ecuación de la tasa de difusión. [5]
dónde:
Una mayor concentración en masa y/o un coeficiente de difusión más alto (inversamente proporcional al tamaño molecular) da como resultado que una mayor cantidad de moléculas lleguen a la superficie. Las interacciones con la superficie de las proteínas resultantes dan como resultado altas concentraciones locales de proteína adsorbida, que alcanzan concentraciones hasta 1000 veces superiores a las de la solución en masa. [5] Sin embargo, el cuerpo es mucho más complejo, ya que contiene flujo y difusión convectiva, y estos deben considerarse en la tasa de adsorción de proteínas.
y
dónde:
Esta ecuación [5] es especialmente aplicable al análisis de la adsorción de proteínas a dispositivos biomédicos en arterias, por ejemplo, stents .
Las cuatro clases fundamentales de fuerzas e interacciones en la adsorción de proteínas son: 1) interacción iónica o electrostática, 2) enlace de hidrógeno , 3) interacción hidrofóbica (impulsada en gran medida entrópicamente) y 4) interacciones de transferencia de carga o de tipo donador/aceptor de electrones de partículas. [7]
La carga de las proteínas está determinada por el pKa de sus cadenas laterales de aminoácidos , y del aminoácido terminal y del ácido carboxílico. Las proteínas con un punto isoeléctrico (pI) por encima de las condiciones fisiológicas tienen una carga positiva y las proteínas con un pI por debajo de las condiciones fisiológicas tienen una carga negativa. La carga neta de la proteína, determinada por la carga total de sus constituyentes, da como resultado una migración electroforética en un campo eléctrico fisiológico. Estos efectos son de corto alcance debido a la alta constante dieléctrica del agua; sin embargo, una vez que la proteína está cerca de una superficie cargada, el acoplamiento electrostático se convierte en la fuerza dominante. [8]
El agua tiene tanta propensión a formar enlaces de hidrógeno como cualquier grupo en un polipéptido . Durante un proceso de plegamiento y asociación, los grupos de péptidos y aminoácidos intercambian enlaces de hidrógeno con el agua. Por lo tanto, los enlaces de hidrógeno no tienen un fuerte efecto estabilizador sobre la adsorción de proteínas en un medio acuoso. [9]
Las interacciones hidrofóbicas son esencialmente interacciones entrópicas que se deben básicamente a fenómenos de orden/desorden en un medio acuoso. La energía libre asociada con la minimización de las áreas interfaciales es responsable de minimizar el área superficial de las gotitas de agua y las burbujas de aire en el agua. Este mismo principio es la razón por la que las cadenas laterales de aminoácidos hidrofóbicos están orientadas lejos del agua, minimizando su interacción con el agua. Los grupos hidrofílicos en el exterior de la molécula dan como resultado la solubilidad en agua de la proteína. La caracterización de este fenómeno se puede realizar tratando estas relaciones hidrofóbicas con conceptos de energía libre interfacial. En consecuencia, se puede pensar en la fuerza impulsora de estas interacciones como la minimización de la energía libre interfacial total, es decir, la minimización del área superficial. [10]
Las interacciones de transferencia de carga también son importantes en la estabilización de proteínas y la interacción con superficies. En los procesos donadores-aceptores generales, se puede pensar en la presencia de un exceso de densidad electrónica que puede donarse a una especie electrofílica. En medios acuosos, estas interacciones de solutos se deben principalmente a los efectos de los electrones en el orbital pi. [11]
La temperatura tiene un efecto tanto en el estado de equilibrio como en la cinética de la adsorción de proteínas. La cantidad de proteína adsorbida a alta temperatura suele ser mayor que a temperatura ambiente. La variación de temperatura provoca cambios conformacionales en las proteínas que influyen en la adsorción. Estos reordenamientos conformacionales en las proteínas dan como resultado una ganancia de entropía que actúa como una fuerza impulsora importante para la adsorción de proteínas. El efecto de la temperatura en la adsorción de proteínas se puede ver en los procesos de fabricación de alimentos, especialmente alimentos líquidos como la leche, que provoca una grave suciedad en las superficies de las paredes de los equipos donde se realiza el tratamiento térmico. [12] [13]
La fuerza iónica determina la longitud de Debye que se correlaciona con la distancia de amortiguamiento del potencial eléctrico de una carga fija en un electrolito. Por lo tanto, cuanto mayor sea la fuerza iónica, más cortas serán las interacciones electrostáticas entre entidades cargadas. Como resultado, se dificulta la adsorción de proteínas cargadas a sustratos con cargas opuestas, mientras que se mejora la adsorción a sustratos con cargas similares, lo que influye en la cinética de adsorción. Además, una fuerza iónica alta aumenta la tendencia de las proteínas a agregarse. [12]
Cuando una superficie se expone a una solución de múltiples proteínas, la adsorción de ciertas moléculas de proteínas se ve favorecida por sobre las demás. Las moléculas de proteínas que se acercan a la superficie compiten por los sitios de unión. En un sistema de múltiples proteínas puede producirse atracción entre moléculas, mientras que en soluciones de una sola proteína predominan las interacciones repulsivas intermoleculares. Además, existe una dispersión de proteínas dependiente del tiempo, en la que las moléculas de proteínas entran inicialmente en contacto con sitios de unión mínimos en la superficie. Con el aumento del tiempo de residencia de la proteína en la superficie, la proteína puede desplegarse para interactuar con sitios de unión adicionales. Esto da como resultado un aumento dependiente del tiempo de los puntos de contacto entre la proteína y la superficie. Esto hace que la desorción sea aún menos probable. [5]
Esta técnica mide un cambio de concentración de proteínas en una solución a granel antes y después de la adsorción , Δc p . Cualquier cambio de concentración de proteínas se atribuye a la capa adsorbida, Γ p .
Γ p = Δc p V/A tot
dónde:
Este método también requiere un material de gran área superficial, como adsorbentes particulados y en forma de perlas. [14]
La elipsometría se ha utilizado ampliamente para medir la cinética de adsorción de proteínas , así como la estructura de la capa de proteína adsorbida. Es una técnica óptica que mide el cambio de la polarización de la luz después de la reflexión desde una superficie. Esta técnica requiere superficies planas reflectantes, preferiblemente cuarzo, silicio o sílice, y un fuerte cambio en el índice de refracción tras la adsorción de proteínas. [12]
La microscopía de fuerza atómica (AFM) es una potente técnica de microscopía que se utiliza para estudiar muestras a escala nanométrica y que se utiliza a menudo para obtener imágenes de la distribución de proteínas en una superficie. Consiste en un voladizo con una punta para escanear la superficie. Es una herramienta valiosa para medir la interacción proteína-proteína y proteína-superficie. Sin embargo, el factor limitante de muchos estudios AFM es que las imágenes se suelen realizar después de secar la superficie, lo que puede afectar al plegamiento de proteínas y a la estructura de la capa de proteínas. Además, la punta del voladizo puede desprender una proteína o corrugar la capa de proteínas. [12] [15]
La resonancia de plasmones superficiales (SPR) se ha utilizado ampliamente para medir la adsorción de proteínas con alta sensibilidad. Esta técnica se basa en la excitación de plasmones superficiales, ondas electromagnéticas longitudinales originadas en la interfaz entre metales y dieléctricos. La deposición sobre la superficie conductora de moléculas y capas delgadas dentro de los 200 nm modifica las propiedades dieléctricas del sistema y, por lo tanto, la respuesta SPR, señalando la presencia de moléculas en una superficie metálica. [16]
La microbalanza de cristal de cuarzo (QCM) es un sensor acústico construido alrededor de un cristal de cuarzo en forma de disco . Utiliza el efecto piezoeléctrico inverso . La QCM, y versiones extendidas como la QCM-D , se han utilizado ampliamente para estudios de adsorción de proteínas, especialmente, para el monitoreo en tiempo real de la adsorción de proteínas sin etiqueta. Además de los estudios de adsorción, la QCM-D también proporciona información sobre módulos elásticos, viscosidad y cambios conformacionales [17]
La espectroscopia de luz con guía de ondas ópticas (OWLS) es un dispositivo que se basa en una guía de ondas óptica de película fina que encierra un número discreto de ondas electromagnéticas guiadas. La guía se logra mediante un acoplador de rejilla. Se basa en las mediciones del índice de refracción efectivo de una capa de película fina sobre la guía de ondas. Esta técnica funciona solo en superficies muy transparentes. [17]
Otros métodos ampliamente utilizados para medir la cantidad de proteína adsorbida en superficies incluyen el radiomarcaje, el ensayo de Lowry , la reflectometría de ángulo de barrido, la fluorescencia de reflexión interna total , el ensayo de ácido bicinconínico , etc.
El enlace metálico se refiere al enlace específico entre iones metálicos positivos y nubes de electrones de valencia circundantes. [18] Esta fuerza intermolecular es relativamente fuerte y da lugar a la orientación cristalina repetida de los átomos, también conocida como su sistema reticular . Hay varios tipos de formaciones reticulares comunes, y cada una tiene su propia densidad de empaquetamiento y proximidad atómica únicas. Las nubes de electrones cargadas negativamente de los iones metálicos obstaculizarán estéricamente la adhesión de regiones proteicas cargadas negativamente debido a la repulsión de carga , lo que limita los sitios de unión disponibles de una proteína a una superficie metálica.
La formación de la red puede conducir a la conexión con sitios de adhesión dependientes de iones metálicos (MIDAS) expuestos, que son sitios de unión para el colágeno y otras proteínas. [19] La superficie del metal tiene propiedades diferentes a la masa, ya que las subunidades repetitivas cristalinas normales terminan en la superficie. Esto deja a los átomos de la superficie sin un átomo vecino en un lado, lo que altera inherentemente la distribución de electrones. Este fenómeno también explica por qué los átomos de la superficie tienen una energía más alta que la masa, a menudo simplemente denominada energía superficial . Este estado de mayor energía es desfavorable y los átomos de la superficie intentarán reducirlo uniéndose a las moléculas reactivas disponibles. [20]
Esto a menudo se logra mediante la adsorción de proteínas, donde los átomos de la superficie se reducen a un estado energético más ventajoso.
El ambiente interno del cuerpo se modela a menudo como un ambiente acuoso a 37 °C a pH 7,3 con abundante oxígeno disuelto, electrolitos, proteínas y células. [5] Cuando se exponen al oxígeno durante un período prolongado de tiempo, muchos metales pueden oxidarse y aumentar su estado de oxidación superficial al perder electrones. [21] Este nuevo estado catiónico deja la superficie con una carga neta positiva y una mayor afinidad por los grupos laterales de proteínas con carga negativa. Dentro de la gran diversidad de metales y aleaciones metálicas, muchos son susceptibles a la corrosión cuando se implantan en el cuerpo. Los elementos que son más electronegativos se corroen más rápido cuando se exponen a un ambiente acuoso rico en electrolitos, como el cuerpo humano. [22] Tanto la oxidación como la corrosión reducirán la energía libre, lo que afectará la adsorción de proteínas como se ve en la ecuación 1. [23]
La rugosidad y la textura de la superficie tienen una influencia innegable en la adsorción de proteínas en todos los materiales, pero con la ubicuidad de los procesos de mecanizado de metales, es útil abordar cómo estos afectan el comportamiento de las proteínas. La adsorción inicial es importante, así como la adhesión y la integridad mantenidas. La investigación ha demostrado que la rugosidad de la superficie puede fomentar la adhesión de las proteínas del andamiaje y los osteoblastos, y da como resultado un aumento en la mineralización de la superficie. [24] Las superficies con más características topográficas y rugosidad tendrán una mayor área de superficie expuesta para que las proteínas interactúen. [5] En términos de aplicaciones de ingeniería biomédica, las técnicas de micromaquinado se utilizan a menudo para aumentar la adhesión de proteínas a los implantes con la esperanza de acortar el tiempo de recuperación. La técnica de modelado láser introduce ranuras y rugosidad superficial que influirán en la adhesión, la migración y la alineación. El granallado, un método análogo al granallado con arena, y el grabado químico han demostrado ser técnicas exitosas de rugosidad de la superficie que promueven la estabilidad a largo plazo de los implantes de titanio. [25] El aumento de la estabilidad es un resultado directo del aumento observado en la matriz extracelular y la adhesión de colágeno, lo que da como resultado una mayor adhesión y mineralización de osteoblastos en comparación con superficies no rugosas. [26] Sin embargo, la adsorción no siempre es deseable. La maquinaria puede verse afectada negativamente por la adsorción, particularmente con la adsorción de proteínas en la industria alimentaria .
Los polímeros son de gran importancia cuando se considera la adsorción de proteínas en el ámbito biomédico. Los polímeros están compuestos de uno o más tipos de "meros" unidos entre sí repetidamente, normalmente mediante enlaces covalentes direccionales. A medida que la cadena crece mediante la adición de meros, las propiedades químicas y físicas del material están dictadas por la estructura molecular del monómero. Al seleccionar cuidadosamente el tipo o los tipos de meros en un polímero y su proceso de fabricación, las propiedades químicas y físicas de un polímero pueden adaptarse en gran medida para adsorber proteínas y células específicas para una aplicación particular.
La adsorción de proteínas a menudo produce cambios conformacionales significativos, es decir, cambios en las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas. Además de las tasas y cantidades de adsorción, la orientación y la conformación son de importancia crítica. Estos cambios conformacionales pueden afectar la interacción de las proteínas con ligandos , sustratos y antígenos , que dependen de la orientación del sitio de unión de interés. Estos cambios conformacionales, como resultado de la adsorción de proteínas, también pueden desnaturalizar la proteína y cambiar sus propiedades nativas.
La ingeniería de tejidos es un campo relativamente nuevo que utiliza un andamiaje como plataforma sobre la que proliferan las células deseadas. No está claro qué define un andamiaje ideal para un tipo de tejido específico. Las consideraciones son complejas y la adsorción de proteínas solo se suma a la complejidad. Si bien la arquitectura, la mecánica estructural y las propiedades de la superficie desempeñan un papel clave, comprender la degradación y la tasa de adsorción de proteínas también es clave. Además de los aspectos esenciales de la mecánica y la geometría, una construcción de andamiaje adecuada poseerá propiedades de superficie que estén optimizadas para la adhesión y la migración de los tipos de células de interés particular.
En general, se ha descubierto que los andamios que se asemejan mucho a los entornos naturales del tejido que se está diseñando son los más exitosos. Como resultado, se han realizado muchas investigaciones para investigar polímeros naturales que se puedan adaptar, mediante una metodología de procesamiento, a criterios de diseño específicos. El quitosano es actualmente uno de los polímeros más utilizados, ya que es muy similar a los glicosaminoglicanos (GAG) naturales y es degradable por enzimas humanas . [28]
El quitosano es un polisacárido lineal que contiene residuos derivados de quitina enlazados y es ampliamente estudiado como biomaterial debido a su alta compatibilidad con numerosas proteínas en el cuerpo. El quitosano es catiónico y, por lo tanto, reacciona electrostáticamente con numerosos proteoglicanos , GAG aniónicos y otras moléculas que poseen una carga negativa. Dado que muchas citocinas y factores de crecimiento están vinculados a GAG, los andamios con los complejos quitosano-GAG pueden retener estas proteínas secretadas por las células adheridas. Otra cualidad del quitosano que le da un buen potencial como biomaterial es su alta densidad de carga en soluciones. Esto le permite al quitosano formar complejos iónicos con muchos polímeros aniónicos solubles en agua, expandiendo la gama de proteínas que pueden unirse a él y, por lo tanto, expandiendo sus posibles usos. [29]
Debido a su química anfifílica , las proteínas son activas en la superficie y se adsorben en las interfaces de fluidos. En sistemas multifásicos como emulsiones o espumas, las proteínas se adsorben en la interfaz aceite-agua o aire-agua, respectivamente, y reducen la tensión de la interfaz , aumentando así su estabilidad. [36] Las proteínas son polianfolitos dependientes del pH que experimentan reordenamientos estructurales tras la adsorción, por lo que su adsorción depende de la estabilidad termodinámica de la proteína, [37] el pH y la fuerza iónica de la fase acuosa, [38] y la polaridad de las respectivas fases. [39] La adsorción de proteínas en interfaces de fluidos juega un papel crítico en la producción y estabilidad de muchas emulsiones y espumas de alimentos como la mayonesa , la crema batida o el merengue [40] y en fluidos fisiológicos como la película lagrimal , las gotitas de lípidos o el surfactante pulmonar . [41] Ciertas enzimas como las lipasas involucradas en la digestión de grasas actúan adsorbiéndose en la interfaz aceite-agua de la grasa ingerida. [42] Algunos animales explotan la formación de espuma de las proteínas secretadas, como el caracol marino Janthina janthina para la flotación pasiva o ciertas especies de ninfas de cercopidae para protegerse de los depredadores, la pérdida de humedad y la radiación UV . [43]
La adsorción de proteínas es fundamental para muchas aplicaciones industriales y biomédicas. La predicción precisa de la adsorción de proteínas permitirá avanzar en estas áreas.
La base de datos de adsorción biomolecular (BAD) es una base de datos en línea de libre acceso con datos experimentales de adsorción de proteínas recopilados de la literatura. La base de datos se puede utilizar para la selección de materiales para la fabricación de dispositivos microfluídicos y para la selección de condiciones de funcionamiento óptimas de dispositivos de laboratorio en un chip . La cantidad de proteína adsorbida a la superficie se puede predecir utilizando la predicción basada en redes neuronales disponible en BAD. Esta predicción ha sido validada para estar por debajo del 5% de error para los datos generales disponibles en BAD. También se pueden estimar otros parámetros, como el espesor de las capas de proteína y la tensión superficial de las superficies cubiertas de proteína. [44]