Dispositivos a nanoescala: Una aproximación práctica a las nanopartículas a base de polisacáridos de fructosa.

Gerardo Ortíz Vargas, Salvador Guillen Tinoco y Clarita Olvera Carranza

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Un filósofo griego (Protágoras), enunció que el humano es «la medida de todas las cosas» y ahora, que apenas apreciamos la infinitud de las distancias cósmicas —en miles de millones de años luz— también nos hemos acercado a entender un mundo submicroscópico, con una organización particular, en donde suceden fascinantes cosas que estamos aprendiendo a visualizar y aprovechar.

En términos generales, la nanotecnología es cualquier técnica o procedimiento experimental capaz de manipular objetos dentro de la nanoescala; para los que nos dedicamos a esta área, abarca entidades de entre 1 y 100 nanómetros (nm). Es decir, en el intervalo entre las milmillonésimas y diezmillonésimas (10^-9- 10^-7) de nuestro patrón estándar de medida de longitud (un metro). Entonces, las nanoestructuras se encuentran dentro de este rango en al menos una dimensión [Fig. 1]; por ejemplo, los nanotubos tienen una dimensión (lineal) en este rango; las nanoláminas exhiben dos dimensiones (largo y ancho= área) y los dendrímeros que poseen valores similares en sus tres dimensiones (largo, ancho y alto= volumen). En general, las nanopartículas empezaron a estudiarse desde hace dos décadas debido a que, a escala nanométrica, las partículas de estas dimensiones —considerando sus proporciones entre área y volumen— adquieren novedosas propiedades físicas y químicas notablemente diferentes a las de los materiales de tamaño en escalas mayores (micro o mini; ver Biotecmov Núm. 25, pp. 13-19).

 

En principio, las nanopartículas se pueden clasificar en cuatro categorías basadas en el tipo de materiales que las conforman:

• Nanopartículas de base inorgánica: incluyen a las que son sintetizadas a partir de metales (p. ej., oro y plata); con óxidos metálicos como el dióxido de titanio (TiO₂), óxido de zinc (ZnO); y semiconductores como silicio y cerámicas.
• Nanopartículas de base orgánica: son elaboradas a partir de biomoléculas y son ejemplos de estas NP, las micelas, liposomas, dendrímeros y nanopartículas poliméricas. Otras nanopartículas en esta categoría son aquellas basadas en carbono elemental, tales como los tubos huecos, mallas, elipsoides o esferas, mejor conocidos en forma de nanotubos, nanofibras, el grafeno y los fullerenos.
• Nanomateriales compuestos: comprenden nanopartículas multifásicas, es decir, combinaciones con diferentes componentes y/o nanopartículas. Ejemplos de esta categoría son nanofibras híbridas (orgánicas/ inorgánicas) basadas en carbono, metales o materiales orgánicos, que van acomplejadas con cualquier material metálico, cerámico o polimérico (nano-granulado).

Más aún, otra forma de clasificar a las nanopartículas se basa en su origen; es decir, si son naturales o sintéticas. Las primeras se producen en la naturaleza como consecuencia de transformaciones ambientales o de procesos biológicos, y los encontramos en la corteza terrestre, cuerpos de agua, la atmósfera y en organismos vivos. Las del segundo tipo son producidas por actividades humanas, intencionales o no; de este modo las nanopartículas con fines aplicados se sintetizan mediante métodos físicos, químicos o híbridos. A este grupo pertenecen las nanopartículas de plata, oro, de polisacáridos, entre otras; mientras que, las nanopartículas formadas por acción humana no premeditada, son generadas por trituración mecánica de materiales y por ciertas combustiones en forma de humos de chimeneas y motores [1]. Así, desde el año 2000, se ha incrementado el interés por la generación de nanopartículas para nuevas aplicaciones químicas, biológicas y la creación de materiales novedosos. Se busca especialmente, que los productos sean fabricados con materiales biodegradables, neutros en carbono (emisiones netas de CO₂ nulas), y con bajo riesgo para la salud humana y ambiental.

Naturaleza y aplicación de las nanopartículas de polisacáridos

Los polisacáridos (πολύς [polys]=mucho/s) son cadenas compuestas de unidades de moléculas de azúcares (sacáridos; hexosas, pentosas, etc.), ensamblados a través de uniones intermoleculares específicas entre sus extremos reactivos, llamados enlaces glucosídicos. Las nanopartículas formadas por polisacáridos aprovechan propiedades físicas asociados a la nanoescala (mayor solubilidad, estabilidad en suspensiones coloidales, etc.), así como propiedades particulares de los polisacáridos como su solubilidad en agua y la biocompatibilidad (no son tóxicos, ni los rechaza el organismo). También cuenta la gran diversidad estructural relacionada con la función, composición, carga y la fuente de cada tipo de polisacárido, lo que ha impulsado a la investigación sobre las nanopartículas de polisacáridos (NPPS) para su aplicación en diversos campos como la agricultura, la nutrición y la prevención de enfermedades [2] [Fig. 2].

En la industria de alimentos las NPPS son utilizadas para mejorar la inocuidad y seguridad alimentarias, disminuyendo la exposición ambiental (oxidación o 'empardecimiento') de frutas y verduras, funcionando como estabilizadores de emulsiones, como conservadores de alimentos y fortaleciéndolos con antioxidantes. En el sector farmacéutico, algunas NPPS resultan especialmente relevantes debido a su baja toxicidad, biocompatibilidad, estabilidad, bajo costo y solubilidad en agua. Un ejemplo de esto es el uso de nanopartículas a base de quitosano como sistemas de administración de fármacos, con base en su capacidad para encapsular compuestos activos y regenerar tejidos (ver Biotecmov Núm. 22, pp. 9-11).

Nanopartículas de fructanos (NPF): Inulina y levanos

Algunos polisacáridos naturales (i.e., la celulosa, el almidón y el quitosano), han sido ampliamente usados como excipientes o vehículos para diversas aplicaciones. Nuevas formulaciones incluyen polisacáridos de fructanos, como los de tipo inulina y los denominados levanos, ambos constituidos por moléculas de fructosa, pero con diferente enlace glucosídico entre las unidades que los conforman [3]. Las propiedades biológicas y de nanoestructuración de los fructanos los destacan como un biomaterial con amplio potencial en el área de nanotecnología, ya que con estos materiales es posible generar diversos tipos de nanopartículas como nanocápsulas, nanogeles, nanoesferas y otras NP [Fig. 2]. Los fructanos de tipo inulina se encuentran naturalmente como polisacáridos de almacenamiento (reservas) en plantas como pastos forrajeros, cereales y hortalizas.

La inulina ha sido promovida como fibra dietética y prebiótico (materiales que favorecen que en nuestros intestinos proliferen microbios benéficos). Además, se ha puesto atención sobre este polisacárido por sus propiedades inmunomoduladoras. Por su parte, los levanos tienen una gama de aplicaciones en la fabricación de productos alimenticios, cosméticos y farmacéuticos; destaca el hecho de que existen grupos de investigación que fabrican nanopartículas con base en levanos para usarse como excipientes en moléculas bioactivas. Hay ejemplos de aplicaciones potenciales: como vehículo para la administración del alcaloide vegetal paclitaxel (taxol), usado como agente anticancerígeno y como sensor en imagenología para el diagnóstico del cáncer de mama.

 

 

Investigación en nanobiotecnología en Morelos

En nuestro Laboratorio de Polímeros Biocompatibles y Nanobiotecnología (LPByN) del Instituto de Biotecnología (IBt- UNAM), hemos realizado la caracterización de di-versos fructanos de origen vegetal y bacteriano, así como de su capacidad para formar nanopartículas [4]. Hemos realizado estudios sobre la formación de nanopartículas de inulina sintetizadas con enzimas específicas que aislamos de microorganismos de los géneros Leuconostoc y Bacillus. Asimismo, he-mos desarrollado y opti-mizado procesos de producción y purificación de estas NP, para realizar análisis y propuestas de uso acorde con sus propiedades biológicas y físicoquímicas [Fig. 3].

Células de Leuconostoc sp.

En 2019, demostramos que las nanopartículas de inulina (NPF-In) tienen forma esférica con un tamaño promedio de 112 nm y que son sintetizadas en una distribución homogénea de tamaño [Fig. 4]. Estas NPF-In no exhiben citotoxicidad en un sistema de cultivo de linfocitos humanos, en concentraciones hasta de 200 µg/mL. Por otra parte, las cadenas cortas de inulina (70 fructosas) son ampliamente reconocidas por ser excelentes prebióticos —como se dijo, un excelente ali-mento para la microbiota intestinal benéfica —; sin embargo, las cadenas de inulina estructuradas en nanopartículas, formadas por miles de fructosas, parecen perder esta propiedad, probablemente debido a que las bacterias probióticas no cuentan con las enzimas necesarias (endo·inulinasas), para degradar cadenas tan largas de inulinas [5].

 

 

Las NPF (nanopartículas de fructanos) por su tamaño y densidad son resistentes a ser hidrolizadas por los ácidos presentes en el estómago. Aprovechando esta característica de las NPF de inulina generamos un tipo de emulsión coloidal —donde las partículas permanecen estables en una suspensión con aceite denominada de tipo Pickering— que fue capaz de proteger a una proteína como la lactoferrina (una proteína de defensa contra microorganismos) de una hidrólisis gástrica simulada. Con esta aproximación, es posible la preparación de emulsiones que contengan NPPS, eficaces para suministrar substancias susceptibles al ataque por los ácidos gástricos, formando una 'capa entérica' [6].

 

 

De forma similar, hemos estudiado la formación y las propiedades biológicas de las nanopartículas de levanos (NPF-Lv), demostrando que no son tóxicas, y que los levanos de alto peso molecular presentan potencial prebiótico, ya que promueven el crecimiento de especies microbianas de lactobacilos y bifidobacterias [7]. En resumen, en nuestro grupo de investigación estamos desarrollando versiones de nanopartículas de fructanos para encapsular biomoléculas, como ácidos nucleicos y proteínas, durante la síntesis enzimática y autoensamblaje de estos polímeros. Esto nos permitirá estudiar a las NP de fructanos como sistemas de entrega de fármacos (nanoacarreadores) para el tratamiento de diversos padecimientos, incluyendo el tratamiento de heridas crónicas y cáncer.

Referencias y literatura recomendada

1. Jeevanandam J, Barhoum A, Chan YS, Dufresne A, Danquah MK (2018). Review on nanoparticles and nanostructured materials: history, sources, toxicity and regulations. Beilstein J Nanotechnol 9: 1050-1074. https://doi.org/10.3762/bjnano.9.98
2. Bilal M, Gul I, Basharat A, Qamar S A (2021). Polysaccharides-based bio-nanostructures and their potential food applications. Int J Biol Macromol 176: 540-557. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2021.02.107
3. de Siqueira EC, Rebouças J de S, Pinheiro IO, Formiga FR (2020). Levan-based nanostructured systems: An overview. Int J Pharm 580, 119242 DOI: 10.1016/j.ijpharm.2020.119242
4. Quiñonez, O. (2015) "Caracterización de nanopartículas de fructanas de diversos orígenes". Tesis para obtener título de Ing. Bioquímico, Instituto Tecnológico de Zacatepec (desarrollada en eI IBt-UNAM).
5. Jiménez M., Pérez R., Goycoolea M., Mueller M., Praznik W., Loeppert, R., Olvera C. (2019). Self-assembled high molecular weight inulin nanoparticles: Enzymatic synthesis, physicochemical and biological properties. Carbohydr Polym 215: 160-169. Disponible en: DOI: 10.1016/j.carbpol.2019.03.060
6. Sarkar A, Ademuyiwa V, Stubley S, [...] Olvera C. (2018). Pickering emulsions co-stabilized by composite protein/ polysaccharide particle-particle interfaces: Impact on in vitro gastric stability. Food Hydrocoll 84: 282-291. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2018.06.019
7. Jiménez-Sánchez, MC (2017). "Estudio de la formación de nanopartículas de inulina y sus propiedades biológicas". Tesis para obtener el grado de Maestría en Ciencias Bioquímicas. IBt-UNAM. Disponible en: https://bit.ly/3PHpgci

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