Un liposoma es una pequeña vesícula artificial , de forma esférica, que tiene al menos una bicapa lipídica . [2] Debido a su hidrofobicidad y/o hidrofilicidad, biocompatibilidad, tamaño de partícula y muchas otras propiedades, [2] los liposomas se pueden utilizar como vehículos de administración de fármacos y nutrientes , [ 3] como nanopartículas lipídicas en vacunas de ARNm y vacunas de ADN . Los liposomas se pueden preparar alterando las membranas biológicas (por ejemplo, mediante sonicación ).
Los liposomas suelen estar compuestos de fosfolípidos , [4] especialmente fosfatidilcolina y colesterol , [2] pero también pueden incluir otros lípidos, como los que se encuentran en el huevo y la fosfatidiletanolamina , siempre que sean compatibles con la estructura de la bicapa lipídica . [5] Un diseño de liposoma puede emplear ligandos de superficie para unirse a las células o tejidos deseados. [1]
Según la estructura de la vesícula, hay siete categorías principales de liposomas: multilamelares grandes (MLV), oligolamelares (OLV), unilamelares pequeños (SUV), unilamelares de tamaño mediano (MUV), unilamelares grandes (LUV), unilamelares gigantes (GUV) y vesículas multivesiculares (MVV). [6] Los principales tipos de liposomas son la vesícula multilamelar (MLV, con varias bicapas lipídicas de fase lamelar ), la vesícula liposomal unilamelar pequeña (SUV, con una bicapa lipídica ), la vesícula unilamelar grande (LUV) y la vesícula cocleada. Una forma menos deseable son los liposomas multivesiculares en los que una vesícula contiene una o más vesículas más pequeñas.
Los liposomas no deben confundirse con los lisosomas , ni con las micelas y micelas inversas . [8] A diferencia de los liposomas, las micelas suelen contener una monocapa de ácidos grasos o surfactantes. [9]
La palabra liposoma deriva de dos palabras griegas: lipo ("grasa") y soma ("cuerpo"); se llama así porque su composición es principalmente de fosfolípidos.
Los liposomas fueron descritos por primera vez por el hematólogo británico Alec Douglas Bangham [10] [11] [12] en 1961 en el Instituto Babraham, en Cambridge; los hallazgos se publicaron en 1964. El descubrimiento se produjo cuando Bangham y RW Horne estaban probando el nuevo microscopio electrónico del instituto añadiendo tinción negativa a fosfolípidos secos. La semejanza con el plasmalema era obvia, y las imágenes microscópicas proporcionaron la primera evidencia de que la membrana celular es una estructura lipídica de dos capas. El año siguiente, Bangham, su colega Malcolm Standish y Gerald Weissmann , un médico estadounidense, establecieron la integridad de esta estructura cerrada de dos capas y su capacidad para liberar su contenido después del tratamiento con detergentes (latencia ligada a la estructura). [13] Durante una discusión en un pub de Cambridge con Bangham, Weissmann nombró por primera vez a las estructuras "liposomas" en honor a algo que el laboratorio había estado estudiando, el lisosoma: un orgánulo simple cuya latencia ligada a la estructura podría verse alterada por detergentes y estreptolisinas. [14] Los liposomas se distinguen fácilmente de las micelas y las fases lipídicas hexagonales mediante microscopía electrónica de transmisión con tinción negativa. [15]
Bangham, junto con sus colegas Jeff Watkins y Standish, escribió en 1965 el artículo que dio inicio a lo que se convertiría en la "industria" de los liposomas. Por esa misma época, Weissmann se unió a Bangham en el Babraham. Más tarde, Weissmann, entonces profesor emérito de la Facultad de Medicina de la Universidad de Nueva York, recordó que los dos estaban sentados en un pub de Cambridge, reflexionando sobre el papel de las láminas lipídicas en la separación del interior celular de su entorno exterior. Pensaron que esta idea sería para la función celular lo que el descubrimiento de la doble hélice había sido para la genética. Como Bangham había llamado a sus estructuras lipídicas "mesofases esmécticas multilamelares" o, a veces, "Banghasomas", Weissmann propuso el término más fácil de usar "liposoma". [16] [17]
Un liposoma tiene un núcleo de solución acuosa rodeado por una membrana hidrófoba , en forma de bicapa lipídica ; los solutos hidrófilos disueltos en el núcleo no pueden pasar fácilmente a través de la bicapa. Los químicos hidrófobos se asocian con la bicapa. Esta propiedad se puede utilizar para cargar liposomas con moléculas hidrófobas y/o hidrófilas, un proceso conocido como encapsulación. [18] Normalmente, los liposomas se preparan en una solución que contiene el compuesto que se va a atrapar, que puede ser una solución acuosa para encapsular compuestos hidrófilos como proteínas, [19] [20] o soluciones en disolventes orgánicos mezclados con lípidos para encapsular moléculas hidrófobas. Las técnicas de encapsulación se pueden clasificar en dos tipos: pasiva, que se basa en el atrapamiento estocástico de moléculas durante la formación de liposomas, y activa, que se basa en la presencia de lípidos cargados o gradientes de iones transmembrana. [18] Un parámetro crucial a tener en cuenta es la "eficiencia de encapsulación", que se define como la cantidad de compuesto presente en la solución de liposomas dividida por la cantidad inicial total de compuesto utilizado durante la preparación. [21] En desarrollos más recientes, la aplicación de liposomas en experimentos de moléculas individuales ha introducido el concepto de "eficiencia de encapsulación de una sola entidad". Este término se refiere a la probabilidad de que un liposoma específico contenga la cantidad requerida de copias del compuesto. [22]
Para entregar las moléculas a un sitio de acción, la bicapa lipídica puede fusionarse con otras bicapas como la membrana celular , entregando así el contenido del liposoma; este es un evento complejo y no espontáneo, sin embargo, [23] que no se aplica a los nutrientes y la administración de fármacos. Al preparar liposomas en una solución de ADN o fármacos (que normalmente no podrían difundirse a través de la membrana), pueden administrarse (indiscriminadamente) más allá de la bicapa lipídica. [24] Los liposomas también pueden diseñarse para administrar fármacos de otras formas. Los liposomas que contienen un pH bajo (o alto) pueden construirse de manera que los fármacos acuosos disueltos se carguen en solución (es decir, el pH está fuera del rango de pI del fármaco ). Como el pH se neutraliza naturalmente dentro del liposoma ( los protones pueden pasar a través de algunas membranas), el fármaco también se neutralizará, lo que le permitirá pasar libremente a través de una membrana. Estos liposomas funcionan para administrar el fármaco por difusión en lugar de por fusión celular directa. Sin embargo, la eficacia de este paso regulado por el pH depende de la naturaleza fisicoquímica del fármaco en cuestión (por ejemplo, pKa y tener una naturaleza básica o ácida), que es muy baja para muchos fármacos.
Un enfoque similar se puede explotar en la biodetoxificación de fármacos mediante la inyección de liposomas vacíos con un gradiente de pH transmembrana. En este caso, las vesículas actúan como sumideros para eliminar el fármaco en la circulación sanguínea y evitar su efecto tóxico. [25] Otra estrategia para la administración de fármacos mediante liposomas es dirigirse a los eventos de endocitosis . Los liposomas se pueden fabricar en un rango de tamaño particular que los convierte en objetivos viables para la fagocitosis natural de los macrófagos . Estos liposomas pueden digerirse mientras están en el fagosoma del macrófago , liberando así su fármaco. Los liposomas también se pueden decorar con opsoninas y ligandos para activar la endocitosis en otros tipos de células.
En cuanto a los liposomas sensibles al pH, existen tres mecanismos de administración intracelular de fármacos, que se produce a través de la endocitosis. [26] Esto es posible debido al entorno ácido dentro de los endosomas. [26] El primer mecanismo es a través de la desestabilización del liposoma dentro del endosoma, lo que desencadena la formación de poros en la membrana endosómica y permite la difusión del liposoma y su contenido al citoplasma. [26] Otro es la liberación del contenido encapsulado dentro del endosoma, que finalmente se difunde al citoplasma a través de la membrana endosómica. [26] Por último, la membrana del liposoma y el endosoma se fusionan, liberando el contenido encapsulado en el citoplasma y evitando la degradación a nivel lisosomal debido al tiempo de contacto mínimo. [26]
Ciertos fármacos contra el cáncer, como la doxorrubicina (Doxil) y la daunorrubicina, pueden administrarse encapsulados en liposomas. El cisplatino liposomal ha recibido la designación de fármaco huérfano para el cáncer de páncreas de la EMEA. [27] Un estudio proporciona una demostración preclínica prometedora de la eficacia y la facilidad de preparación de inmunoliposomas cargados con valrubicina (Val-IL) como una nueva tecnología de nanopartículas. En el contexto de los cánceres hematológicos, los Val-IL tienen el potencial de ser utilizados como una terapia precisa y eficaz basada en la muerte celular mediada por vesículas dirigidas. [28]
El uso de liposomas para la transformación o transfección de ADN en una célula huésped se conoce como lipofección .
Además de las aplicaciones de administración de genes y fármacos, los liposomas se pueden utilizar como portadores para la administración de colorantes a textiles, [29] pesticidas a plantas, enzimas y suplementos nutricionales a alimentos y cosméticos a la piel. [30]
Los liposomas también se utilizan como capas externas de algunos agentes de contraste de microburbujas utilizados en ecografías con contraste .
Hasta hace poco, los usos clínicos de los liposomas eran para la administración dirigida de fármacos , pero se están desarrollando nuevas aplicaciones para la administración oral de ciertos suplementos dietéticos y nutricionales. [31] Esta nueva aplicación de los liposomas se debe en parte a las bajas tasas de absorción y biodisponibilidad de los comprimidos y cápsulas dietéticos y nutricionales orales tradicionales. La baja biodisponibilidad y absorción oral de muchos nutrientes está bien documentada clínicamente. [32] Por lo tanto, la encapsulación natural de nutrientes lipófilos e hidrófilos dentro de los liposomas sería un método eficaz para evitar los elementos destructivos del sistema gástrico y del intestino delgado, lo que permitiría que el nutriente encapsulado se administrara de manera eficiente a las células y los tejidos. [33]
El término nutracéutico combina las palabras nutriente y farmacéutico , acuñado originalmente por Stephen DeFelice, quien definió a los nutracéuticos como “alimento o parte de un alimento que proporciona beneficios médicos o para la salud, incluyendo la prevención y/o el tratamiento de una enfermedad”. [34] Sin embargo, actualmente, todavía no existe una definición concluyente de nutracéuticos, para distinguirlos de otras categorías derivadas de alimentos, como suplementos alimenticios (dietéticos), productos herbales, prebióticos y probióticos, alimentos funcionales y alimentos fortificados. [35] Generalmente, este término se utiliza para describir cualquier producto derivado de fuentes alimenticias que se espera que proporcione beneficios para la salud además del valor nutricional de los alimentos diarios. Una amplia gama de nutrientes u otras sustancias con efectos nutricionales o fisiológicos (Directiva UE 2002/46/EC) pueden estar presentes en estos productos, incluyendo vitaminas , minerales , aminoácidos , ácidos grasos esenciales , fibras y varias plantas y extractos herbales. Los nutracéuticos liposomales contienen compuestos bioactivos con efectos promotores de la salud. La encapsulación de compuestos bioactivos en liposomas es atractiva ya que se ha demostrado que los liposomas pueden superar obstáculos serios que los compuestos bioactivos encontrarían de otro modo en el tracto gastrointestinal (GI) tras la ingesta oral. [36]
Ciertos factores tienen efectos de largo alcance en el porcentaje de liposomas que se obtienen en la fabricación, así como en la cantidad real de liposomas atrapados y en la calidad real y la estabilidad a largo plazo de los propios liposomas. [37] Son los siguientes: (1) El método de fabricación real y la preparación de los propios liposomas; (2) La constitución, calidad y tipo de fosfolípido crudo utilizado en la formulación y fabricación de los liposomas; (3) La capacidad de crear tamaños de partículas de liposomas homogéneos que sean estables y mantengan su carga útil encapsulada. Estos son los elementos principales en el desarrollo de portadores de liposomas eficaces para su uso en suplementos dietéticos y nutricionales.
La elección del método de preparación de liposomas depende, entre otras cosas, de los siguientes parámetros: [38] [39]
Los liposomas útiles rara vez se forman espontáneamente. Por lo general, se forman después de suministrar suficiente energía a una dispersión de (fosfo)lípidos en un solvente polar, como el agua, para descomponer los agregados multilamelares en vesículas de bicapa oligo o unilamelares. [5] [24]
Por lo tanto, los liposomas se pueden crear mediante la sonicación de una dispersión de lípidos anfipáticos, como los fosfolípidos , en agua. [8] Las bajas tasas de cizallamiento crean liposomas multilamelares. Los agregados originales, que tienen muchas capas como una cebolla, forman así liposomas progresivamente más pequeños y finalmente unilamelares (que a menudo son inestables, debido a su pequeño tamaño y los defectos creados por la sonicación). La sonicación generalmente se considera un método de preparación "grosero", ya que puede dañar la estructura del fármaco que se va a encapsular. Se emplean métodos más nuevos, como la extrusión, la micromezcla [40] [41] [42] y el método Mozafari [43] para producir materiales para uso humano. El uso de lípidos distintos de la fosfatidilcolina puede facilitar en gran medida la preparación de liposomas. [5]
Los avances posteriores en la investigación de los liposomas han permitido que estos eviten ser detectados por el sistema inmunológico del cuerpo, específicamente, por las células del sistema reticuloendotelial (RES). Estos liposomas se conocen como " liposomas furtivos ". Fueron propuestos por primera vez por G. Cevc y G. Blume [44] y, de forma independiente y poco después, por los grupos de L. Huang y Vladimir Torchilin [45] y están construidos con PEG ( polietilenglicol ) que recubre el exterior de la membrana. El recubrimiento de PEG, que es inerte en el cuerpo, permite una vida circulatoria más prolongada para el mecanismo de administración del fármaco. Los estudios también han demostrado que los liposomas PEGilados provocan anticuerpos anti-IgM, lo que conduce a una mayor depuración sanguínea de los liposomas tras la reinyección, dependiendo de la dosis de lípidos y del intervalo de tiempo entre inyecciones. [46] [47] Además de un recubrimiento de PEG, algunos liposomas furtivos también tienen algún tipo de especie biológica unida como ligando al liposoma, para permitir la unión a través de una expresión específica en el sitio de administración del fármaco objetivo. Estos ligandos de orientación podrían ser anticuerpos monoclonales (que forman un inmunoliposoma ), vitaminas o antígenos específicos , pero deben ser accesibles. [48] Los liposomas dirigidos pueden dirigirse a cierto tipo de células en el cuerpo y administrar fármacos que de otro modo se administrarían sistémicamente. Los fármacos naturalmente tóxicos pueden ser mucho menos tóxicos sistémicamente si se administran solo a tejidos enfermos. Los polimerosomas , morfológicamente relacionados con los liposomas, también se pueden utilizar de esta manera. También morfológicamente relacionados con los liposomas están las vesículas altamente deformables, diseñadas para la administración de material transdérmico no invasivo, conocidas como transfersomas . [49]
Los liposomas se utilizan como modelos para células artificiales.
Los liposomas se pueden utilizar solos o en combinación con antibióticos tradicionales como agentes neutralizantes de toxinas bacterianas. Muchas toxinas bacterianas evolucionaron para atacar lípidos específicos de la membrana de las células huésped y pueden ser atacadas y neutralizadas por liposomas que contienen esos lípidos específicos. [50]
Un estudio publicado en mayo de 2018 también exploró el uso potencial de los liposomas como "nanotransportadores" de nutrientes fertilizantes para tratar plantas desnutridas o enfermas. Los resultados mostraron que estas partículas sintéticas "se absorben en las hojas de las plantas con mayor facilidad que los nutrientes desnudos", lo que valida aún más el uso de la nanotecnología para aumentar el rendimiento de los cultivos. [51] [52]
El aprendizaje automático ha comenzado a contribuir a la investigación de los liposomas. Por ejemplo, se utilizó el aprendizaje profundo para monitorear un bioensayo de varios pasos que contenía liposomas cargados con sacarosa y nucleótidos que interactuaban con un péptido perforante de la membrana lipídica . [53] También se utilizaron redes neuronales artificiales para optimizar los parámetros de formulación de los liposomas cargados con acetato de leuprolida [54] y para predecir el tamaño de partícula y el índice de polidispersión de los liposomas. [55]
