Un conjugado nanopartícula-biomolécula es una nanopartícula con biomoléculas adheridas a su superficie. Las nanopartículas son partículas minúsculas, normalmente medidas en nanómetros (nm), que se utilizan en nanobiotecnología para explorar las funciones de las biomoléculas. Las propiedades de las partículas ultrafinas se caracterizan por los componentes de sus superficies más que por las estructuras más grandes, como las células, debido a las grandes relaciones superficie-volumen. Las grandes relaciones superficie-volumen de las nanopartículas optimizan el potencial de interacciones con biomoléculas.
Las principales características de las nanopartículas incluyen el volumen, la estructura y las propiedades visuales que las hacen valiosas en la nanobiotecnología. Dependiendo de las propiedades específicas de tamaño, estructura y luminiscencia, las nanopartículas se pueden utilizar para diferentes aplicaciones. Se utilizan técnicas de imagen para identificar dichas propiedades y brindar más información sobre la muestra analizada. Las técnicas utilizadas para caracterizar nanopartículas también son útiles para estudiar cómo interactúan las nanopartículas con biomoléculas, como aminoácidos o ADN , e incluyen imágenes por resonancia magnética (MRI), indicadas por la solubilidad de las nanopartículas en agua y fluorescentes. La resonancia magnética se puede aplicar en el campo médico para visualizar estructuras; microscopía de fuerza atómica (AFM) que brinda una vista topográfica de la muestra sobre un sustrato; [1] microscopía electrónica de transmisión (TEM) que ofrece una vista superior, pero con una técnica diferente a la de la microscopía de fuerza atómica; [2] La espectroscopia Raman o espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS) proporciona información sobre las longitudes de onda y la energía en la muestra. [3] la espectroscopia ultravioleta-visible (UV-Vis) mide las longitudes de onda donde se absorbe la luz; [4] La difracción de rayos X (DRX) generalmente da una idea de la composición química de la muestra. [5]
Las nanomoléculas se pueden crear a partir de prácticamente cualquier elemento, pero la mayoría de las producidas en la industria actual utilizan el carbono como base sobre la cual se construyen las moléculas. El carbono puede unirse con casi cualquier elemento, lo que permite muchas posibilidades a la hora de crear una molécula específica. Los científicos pueden crear miles y miles de nanomoléculas individuales a partir de una simple base de carbono. Algunas de las nanomoléculas más famosas que existen actualmente son únicamente de carbono; estos incluyen nanotubos de carbono y buckminsterfullerenos . A diferencia de las nanomoléculas, los componentes químicos de las nanopartículas suelen estar compuestos por metales como hierro, oro, plata y platino. [6]
Las interacciones entre nanopartículas y moléculas cambian según el núcleo de la nanopartícula. Las propiedades de las nanopartículas dependen no sólo de la composición del material del núcleo, sino también de los distintos espesores del material utilizado. Las propiedades magnéticas son particularmente útiles en la manipulación de moléculas y, por tanto, a menudo se utilizan metales como material central. [7] Los metales contienen propiedades magnéticas inherentes que permiten la manipulación del ensamblaje molecular. A medida que las nanopartículas interactúan con las moléculas a través de las propiedades del ligando, el ensamblaje molecular puede controlarse mediante campos magnéticos externos que interactúan con las propiedades magnéticas de las nanopartículas. Inicialmente surgen problemas importantes con la producción de nanopartículas una vez que estas nanopartículas se generan en solución. Sin el uso de un agente estabilizante , las nanopartículas tienden a pegarse una vez que se detiene la agitación. Para contrarrestar esto, generalmente se añade un determinado estabilizador colidial. Estos estabilizadores se unen a las nanopartículas de una manera que evita que otras partículas se unan a ellas. Algunos estabilizadores eficaces encontrados hasta ahora incluyen citrato , celulosa y borohidruro de sodio . [8]
Las nanopartículas son deseables en la industria actual por su alta relación superficie-volumen en comparación con partículas más grandes de los mismos elementos. Debido a que las reacciones químicas ocurren a una velocidad directamente proporcional al área de superficie disponible de los compuestos reactivos, las nanopartículas pueden generar reacciones a una velocidad mucho más rápida que las partículas más grandes de igual masa. Por lo tanto, las nanopartículas se encuentran entre los medios más eficientes para producir reacciones y son inherentemente valiosas en la industria química. La misma propiedad los hace valiosos en las interacciones con moléculas. [9]
Las nanopartículas tienen el potencial de influir en gran medida en los procesos biológicos. [10] [11] La potencia de una nanopartícula aumenta a medida que lo hace su relación superficie-volumen. Las uniones de ligandos a la superficie de las nanopartículas les permiten interactuar con biomoléculas.
Las nanopartículas son herramientas valiosas en la identificación de biomoléculas, mediante el uso de bioetiquetado o etiquetado. Las uniones de ligandos o recubrimientos moleculares a la superficie de una nanopartícula facilitan la interacción nanopartícula-molécula y las hacen biocompatibles. La conjugación se puede lograr mediante atracciones intermoleculares entre la nanopartícula y la biomolécula, como enlaces covalentes , quimisorción e interacciones no covalentes .
Para mejorar la visualización, también se puede hacer que las nanopartículas sean fluorescentes controlando el tamaño y la forma de una sonda de nanopartículas. La fluorescencia aumenta la luminiscencia al aumentar el rango de longitudes de onda que puede alcanzar la luz emitida, lo que permite biomarcadores con una variedad de colores. [7] Esta técnica se utiliza para rastrear la eficacia de la transferencia de proteínas tanto in vivo como in vitro en términos de alternancias genéticas.
Los procesos biológicos se pueden controlar mediante la regulación de la transcripción , la regulación genética y los procesos de inhibición enzimática que se pueden regular mediante nanopartículas. [12] Las nanopartículas pueden desempeñar un papel en la regulación genética a través de enlaces iónicos entre ligandos catiónicos cargados positivamente en las superficies de las nanopartículas y ácidos nucleicos aniónicos cargados negativamente presentes en el ADN. En un experimento, un complejo de nanopartículas y ADN inhibió la transcripción de la ARN polimerasa T7, lo que significa una fuerte unión en el complejo. [13] Una alta afinidad del complejo nanopartícula-ADN indica una fuerte unión y un uso favorable de las nanopartículas. La unión de ligandos iónicos a nanopartículas permite controlar la actividad enzimática. Un ejemplo de inhibición enzimática lo da la unión de α-quimotripsina (ChT), una enzima con un sitio activo en gran medida catiónico. Cuando se incuba a-quimotripsina con nanopartículas aniónicas (cargadas negativamente), la actividad de ChT se inhibe a medida que las nanopartículas aniónicas se unen al sitio activo. La actividad enzimática se puede restaurar mediante la adición de tensioactivos catiónicos. Los tensioactivos alquílicos forman una bicapa alrededor de ChT, mientras que los tensioactivos de tiol y alcohol alteran la superficie de ChT de modo que se interrumpen las interacciones con las nanopartículas. Aunque la formación de un complejo proteína-nanopartícula puede inhibir la actividad enzimática, los estudios muestran que también puede estabilizar la estructura de la proteína y proteger significativamente la proteína de la desnaturalización. [13] Los análisis experimentales y teóricos también han demostrado que las nanopartículas pueden suprimir las interacciones laterales desfavorables entre las proteínas adsorbidas, lo que conduce a mejoras significativas en su estabilidad en condiciones desnaturalizantes. [14] [15] Las uniones de ligandos a segmentos de nanopartículas seleccionadas para la funcionalización de propiedades metálicas se pueden usar para generar un nanocable magnético, que genera un campo magnético que permite la manipulación de ensamblajes celulares. [7]
Las nanopartículas también se pueden utilizar junto con el ADN para realizar alteraciones genéticas. Estos se controlan con frecuencia mediante el uso de materiales fluorescentes, lo que permite a los científicos juzgar si estas proteínas marcadas se han transmitido con éxito (por ejemplo, la proteína verde fluorescente o GFP). Las nanopartículas son significativamente menos citotóxicas que los métodos orgánicos utilizados actualmente, lo que proporciona un método más eficiente para monitorear las alternancias genéticas. Además no se degradan ni decoloran con el tiempo, como sí lo hacen los tintes orgánicos. Las suspensiones de nanopartículas del mismo tamaño y forma (monodispersas) con grupos funcionales adheridos a sus superficies también pueden unirse electrostáticamente al ADN, protegiéndolos de varios tipos de degradación. Debido a que la fluorescencia de estas nanopartículas no se degrada, la localización celular se puede rastrear sin el uso de etiquetado adicional, con GFP u otros métodos. El "desempaquetado" del ADN puede detectarse en células vivas mediante la tecnología de transferencia de energía por resonancia de luminiscencia (LRET). [dieciséis]
Las moléculas pequeñas in vivo tienen un tiempo de retención corto, pero el uso de nanopartículas más grandes no. Estas nanopartículas se pueden utilizar para evitar la respuesta inmune, lo que ayuda en el tratamiento de enfermedades crónicas . Se ha investigado como una posible terapia contra el cáncer y también tiene el potencial de afectar la comprensión de los trastornos genéticos. [17] Las nanopartículas también tienen el potencial de ayudar en la administración de fármacos en un sitio específico al mejorar la cantidad de fármaco no modificado que circula dentro del sistema, lo que también disminuye la frecuencia de dosificación necesaria. [18] La naturaleza dirigida de las nanopartículas también significa que los órganos no objetivo tienen muchas menos probabilidades de experimentar efectos secundarios de los medicamentos destinados a otras áreas.
Las interacciones celulares ocurren a nivel microscópico y no pueden observarse fácilmente ni siquiera con los microscopios avanzados disponibles en la actualidad. Debido a las dificultades para observar reacciones a nivel molecular, se utilizan métodos indirectos, lo que limita en gran medida el alcance de la comprensión que se puede obtener mediante el estudio de estos procesos esenciales para la vida. Los avances en la industria de materiales han desarrollado un nuevo campo conocido como nanobiotecnología, que utiliza nanopartículas para estudiar interacciones a nivel biomolecular. [19]
Un área de investigación que destaca la nanobiotecnología son las matrices extracelulares de las células (MEC). La MEC está compuesta principalmente por fibras entrelazadas de colágeno y elastina que tienen diámetros que oscilan entre 10 y 300 nm. [19] Además de mantener la célula en su lugar, la MEC tiene una variedad de otras funciones, incluido proporcionar un punto de unión para la MEC de otras células y receptores transmembrana que son esenciales para la vida. Hasta hace poco ha sido casi imposible estudiar las fuerzas físicas que ayudan a las células a mantener su funcionalidad, pero la nanobiotecnología nos ha brindado la capacidad de aprender más sobre estas interacciones. Utilizando las propiedades únicas de las nanopartículas, es posible controlar cómo las nanopartículas se adhieren a ciertos patrones presentes en la ECM y, como resultado, se puede comprender cómo los cambios en la forma de la ECM pueden afectar la funcionalidad celular. [19]
El uso de nanobiotecnología para estudiar la ECM permite a los científicos investigar las interacciones vinculantes que ocurren entre la ECM y su entorno de soporte. Los investigadores pudieron estudiar estas interacciones utilizando herramientas como pinzas ópticas , que tienen la capacidad de atrapar objetos a nanoescala con luz enfocada. Las pinzas pueden afectar la unión de un sustrato al ECM al intentar alejar el sustrato de él. La luz emitida por las pinzas se utilizó para restringir las microperlas recubiertas de ECM , y los cambios en la fuerza ejercida por el ECM sobre el sustrato se estudiaron modulando el efecto de las pinzas ópticas. Los experimentos demostraron que la fuerza ejercida por la ECM sobre el sustrato se correlacionaba positivamente con la fuerza de las pinzas, lo que llevó al descubrimiento posterior de que la ECM y las proteínas transmembrana son capaces de detectar fuerzas externas y adaptarse para superarlas. [19]
La barrera hematoencefálica (BHE) está compuesta por un sistema de capilares que tiene un revestimiento especialmente denso de células endoteliales que protege el sistema nervioso central (SNC) contra la difusión de sustancias extrañas al líquido cefalorraquídeo . [20] Estos objetos dañinos incluyen bacterias microscópicas, grandes moléculas hidrofóbicas , ciertas hormonas y neurotransmisores , y moléculas poco solubles en lípidos . La BHE evita que estas partículas dañinas ingresen al cerebro a través de uniones estrechas entre las células endoteliales y las barreras metabólicas . La minuciosidad con la que la BBB hace su trabajo dificulta el tratamiento de enfermedades del cerebro como el cáncer , el Alzheimer y el autismo , porque es muy difícil transportar medicamentos a través de la BBB. Actualmente, para administrar moléculas terapéuticas al cerebro, los médicos deben utilizar técnicas altamente invasivas, como perforar directamente el cerebro o sabotear la integridad de la BHE por medios bioquímicos. [21] Debido a su pequeño tamaño y gran superficie, las nanopartículas ofrecen una solución prometedora para la neuroterapéutica.
La nanotecnología es útil para administrar medicamentos y otras moléculas a través de la barrera hematoencefálica (BHE). Las nanopartículas permiten que los fármacos u otras moléculas extrañas crucen eficientemente la BBB camuflándose y engañando al cerebro para que les proporcione la capacidad de cruzar la BBB en un proceso llamado método del caballo de Troya. [21] El uso de la nanotecnología es ventajoso porque solo es necesario el complejo diseñado, mientras que en aplicaciones ordinarias el compuesto activo debe llevar a cabo la reacción. Esto permite la máxima eficacia del fármaco activo. Además, el uso de nanopartículas resulta en la atracción de proteínas hacia las superficies de las células, dando a las membranas celulares una identidad biológica. También utilizan el transporte activo endógeno en el que la transferrina , una proteína fijadora de hierro, se une a nanocristales semiconductores en forma de varilla para moverse a través de la BHE hasta el cerebro. [22] Este descubrimiento es un avance prometedor hacia el diseño de un sistema eficiente de administración de fármacos basado en nanopartículas.