Un conjugado nanopartícula-biomolécula es una nanopartícula con biomoléculas adheridas a su superficie. Las nanopartículas son partículas minúsculas, que se miden normalmente 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 entre área superficial y volumen. Las grandes relaciones entre área superficial y volumen de las nanopartículas optimizan el potencial de interacciones con biomoléculas.
Las principales características de las nanopartículas incluyen volumen, estructura y propiedades visuales que las hacen valiosas en nanobiotecnología. Dependiendo de propiedades específicas de tamaño, estructura y luminiscencia, las nanopartículas se pueden utilizar para diferentes aplicaciones. Las técnicas de imagen se utilizan para identificar dichas propiedades y brindar más información sobre la muestra analizada. Las técnicas utilizadas para caracterizar las nanopartículas también son útiles para estudiar cómo interactúan las nanopartículas con biomoléculas, como aminoácidos o ADN , e incluyen imágenes por resonancia magnética (IRM), denotadas por la solubilidad de las nanopartículas en agua y fluorescentes. La IRM 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 brinda una vista superior, pero con una técnica diferente a la de la microscopía de fuerza atómica; [2] La espectroscopia Raman o espectroscopia Raman de superficie mejorada (SERS) brinda información sobre las longitudes de onda y la energía en la muestra. [3] La espectroscopia ultravioleta-visible (UV-Vis) mide las longitudes de onda en las que se absorbe la luz; [4] La difracción de rayos X (DRX) generalmente da una idea de la composición química de la muestra. [5] Para cuantificar la adhesión de proteínas a las nanopartículas, se emplean ensayos como el ensayo de ácido bicinconínico (BCA) y el ensayo de Bradford , que proporcionan una medida del etiquetado de proteínas promedio por nanopartícula. [6]
Las nanomoléculas se pueden crear a partir de prácticamente cualquier elemento, pero la mayoría de las que se producen en la industria actual utilizan el carbono como base sobre la que se construyen las moléculas. El carbono puede unirse a 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; entre ellas se incluyen los nanotubos de carbono y los buckminsterfullerenos . A diferencia de las nanomoléculas, los componentes químicos de las nanopartículas suelen consistir en metales, como el hierro, el oro, la plata y el platino. [7]
Las interacciones entre las nanopartículas y las moléculas cambian dependiendo del núcleo de la nanopartícula. Las propiedades de las nanopartículas dependen no solo de la composición del material del núcleo, sino también de los diferentes espesores del material utilizado. Las propiedades magnéticas son particularmente útiles en la manipulación de moléculas y, por lo tanto, los metales se utilizan a menudo como material del núcleo. [8] 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. Los problemas significativos con la producción de nanopartículas surgen inicialmente una vez que estas nanopartículas se generan en solución. Sin el uso de un agente estabilizador , las nanopartículas tienden a pegarse una vez que se detiene la agitación. Para contrarrestar esto, generalmente se agrega un cierto estabilizador coloidal. Estos estabilizadores se unen a las nanopartículas de una manera que evita que otras partículas se unan a ellas. Algunos estabilizadores efectivos encontrados hasta ahora incluyen citrato , celulosa y borohidruro de sodio . [9]
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 a la 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 las hace valiosas en las interacciones con las moléculas. [10]
Las nanopartículas tienen el potencial de influir en gran medida en los procesos biológicos. [11] [12] La potencia de una nanopartícula aumenta a medida que aumenta la relación entre su área de superficie y su volumen. La unión de ligandos a la superficie de las nanopartículas les permite interactuar con biomoléculas.
Las nanopartículas son herramientas valiosas para la identificación de biomoléculas, mediante el uso de bioetiquetado o marcado. La unión de ligandos o recubrimientos moleculares a la superficie de una nanopartícula facilita la interacción entre nanopartícula y molécula y las hace biocompatibles. La conjugación se puede lograr mediante atracciones intermoleculares entre la nanopartícula y la biomolécula, como el enlace covalente , la quimisorción y las interacciones no covalentes .
Para mejorar la visualización, también se puede hacer que las nanopartículas emitan fluorescencia 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 obtener biomarcadores con una variedad de colores. [8] Esta técnica se utiliza para rastrear la eficacia de la transferencia de proteínas tanto in vivo como in vitro en términos de alteraciones genéticas.
Los procesos biológicos se pueden controlar a través de la regulación de la transcripción , la regulación genética y los procesos de inhibición enzimática que se pueden regular utilizando nanopartículas. [13] Las nanopartículas pueden desempeñar un papel en la regulación genética a través de la unión iónica 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 nanopartícula-ADN inhibió la transcripción por la ARN polimerasa T7, lo que significa una fuerte unión en el complejo. [14] Una alta afinidad del complejo nanopartícula-ADN indica una fuerte unión y un uso favorable de las nanopartículas. La unión de ligandos iónicos a las nanopartículas permite el control de la actividad enzimática. Un ejemplo de inhibición enzimática se da mediante la unión de la a-quimotripsina (ChT), una enzima con un sitio activo principalmente catiónico. Cuando la a-quimotripsina se incuba 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 surfactantes catiónicos. Los surfactantes de alquilo forman una bicapa alrededor de ChT, mientras que los surfactantes de tiol y alcohol alteran la superficie de ChT de tal manera 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. [14] 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. [15] [16] Las uniones de ligandos a segmentos de nanopartículas seleccionadas para la funcionalización de propiedades metálicas se pueden utilizar para generar un nanocable magnético, que genera un campo magnético que permite la manipulación de ensamblajes celulares. [8]
Las nanopartículas también se pueden utilizar junto con el ADN para realizar alteraciones genéticas. Estas 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 fluorescente verde o GFP. Las nanopartículas son significativamente menos citotóxicas que los métodos orgánicos utilizados actualmente, lo que proporciona un método más eficiente para monitorear las alteraciones genéticas. Tampoco se degradan ni se decoloran con el tiempo, como lo hacen los tintes orgánicos. Las suspensiones de nanopartículas con el mismo tamaño y formas (monodispersas) con grupos funcionales unidos 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 marcado adicional, con GFP u otros métodos. El "desempaquetamiento" del ADN se puede detectar en células vivas utilizando la tecnología de transferencia de energía por resonancia de luminiscencia (LRET). [17]
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. [18] 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. [19] La naturaleza dirigida de las nanopartículas también significa que los órganos no dirigidos tienen muchas menos probabilidades de experimentar efectos secundarios de los fármacos 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 las reacciones a nivel molecular, se utilizan métodos indirectos que limitan 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 los materiales han desarrollado un nuevo campo conocido como nanobiotecnología, que utiliza nanopartículas para estudiar las interacciones a nivel biomolecular. [20]
Un área de investigación que se centra en la nanobiotecnología es la de las matrices extracelulares de las células (ECM). La ECM está compuesta principalmente por fibras entrelazadas de colágeno y elastina que tienen diámetros que van desde los 10 a los 300 nm. [20] Además de mantener la célula en su lugar, la ECM tiene una variedad de otras funciones, entre ellas proporcionar un punto de unión para la ECM de otras células y receptores transmembrana que son esenciales para la vida. Hasta hace poco era casi imposible estudiar las fuerzas físicas que ayudan a las células a mantener su funcionalidad, pero la nanobiotecnología nos ha dado 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 entender cómo los cambios en la forma de la ECM pueden afectar la funcionalidad celular. [20]
El uso de nanobiotecnología para estudiar la matriz extracelular permite a los científicos investigar las interacciones de unión que ocurren entre la matriz extracelular y su entorno de soporte. Los investigadores pudieron estudiar estas interacciones utilizando herramientas como pinzas ópticas , que tienen la capacidad de atrapar objetos a escala nanométrica con luz enfocada. Las pinzas pueden afectar la unión de un sustrato a la matriz extracelular al intentar alejar el sustrato de ella. La luz emitida por las pinzas se utilizó para restringir las microesferas recubiertas de matriz extracelular , y los cambios en la fuerza ejercida por la matriz extracelular sobre el sustrato se estudiaron modulando el efecto de las pinzas ópticas. Los experimentos mostraron que la fuerza ejercida por la matriz extracelular sobre el sustrato se correlacionaba positivamente con la fuerza de las pinzas, lo que condujo al descubrimiento posterior de que la matriz extracelular y las proteínas transmembrana pueden detectar fuerzas externas y pueden adaptarse para superar estas fuerzas. [20]
La barrera hematoencefálica (BHE) está compuesta por un sistema de capilares que tiene un revestimiento especialmente denso de células endoteliales que protege al sistema nervioso central (SNC) contra la difusión de sustancias extrañas en el líquido cefalorraquídeo . [21] Estos objetos dañinos incluyen bacterias microscópicas, moléculas hidrófobas grandes , 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 BHE 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 BHE. Actualmente, para administrar moléculas terapéuticas al cerebro, los médicos deben usar técnicas altamente invasivas como perforar directamente en el cerebro o sabotear la integridad de la BHE a través de medios bioquímicos. [22] Debido a su pequeño tamaño y gran área de superficie, las nanopartículas ofrecen una solución prometedora para la neuroterapia.
La nanotecnología es útil para transportar fármacos y otras moléculas a través de la barrera hematoencefálica (BHE). Las nanopartículas permiten que los fármacos u otras moléculas extrañas crucen eficazmente la BHE camuflándose y engañando al cerebro para que les proporcione la capacidad de cruzar la BHE en un proceso llamado el método del caballo de Troya. [22] El uso de la nanotecnología es ventajoso porque solo es necesario el complejo diseñado, mientras que en las aplicaciones ordinarias el compuesto activo debe llevar a cabo la reacción. Esto permite la máxima eficacia del fármaco activo. Además, el uso de nanopartículas da como resultado la atracción de proteínas a las superficies de las células, lo que da a las membranas celulares una identidad biológica. También utilizan el transporte activo endógeno donde la transferrina , una proteína de unión al hierro, se une a nanocristales semiconductores en forma de varilla, para moverse a través de la BHE hacia el cerebro. [23] Este descubrimiento es un avance prometedor hacia el diseño de un sistema eficiente de administración de fármacos basado en nanopartículas.