Nanopartículas de sílice con revestimiento de metales nobles para uso en fototerapias de tumores

Abstract

Hay muchas técnicas estándares bien conocidas para el tratamiento del cáncer tales como la cirugía, la radiación, y la quimioterapia. Sin embargo, estos métodos no pueden cumplir eficientemente las necesidades en el tratamiento del cáncer por causa de varias limitaciones, como la dificultad en alcanzar la zona en la que se encuentra el tumor, la localización cercana de otros tumores, las opciones del paciente, y las condiciones de sanidad. Además, los tumores cancerígenos pueden crear protección frente a numerosos agentes quimioterapéuticos, causando obstáculos adicionales para el tratamiento. Por este motivo, es de vital importancia la generación de nuevas estrategias para el tratamiento del cáncer, o el desarrollo y mejoramiento de terapias ya conocidas pero que no alcanzan a ser lo suficientemente eficientes a la hora de combatir los tumores. La terapia fotodinámica (PDT, del inglés: Photodynamic Therapy) es una forma de fototerapia que involucra tres componentes claves: un fotosensibilizador, una fuente de luz, y oxígeno tisular. Cuando estos tres componentes están combinados entre sí, se vuelven tóxicos para las células diana. La PDT para el tratamiento de tumores se basa en la administración de un agente fotosensibilizador (PS), el cual es retenido selectivamente en cantidad suficiente por los tejidos neoplásicos. La iluminación posterior del área afectada, utilizando longitud de onda apropiada en presencia de oxígeno, conduce a la muerte específica de las células tumorales. El mecanismo de acción de PDT puede involucrar: un daño directo de las células tumorales, o también una muerte celular indirecta debido a una alteración en el sistema vascular que impide la irrigación sanguínea normal. La terapia fototérmica (PTT, del inglés: Photothermal Therapy) es un uso experimental de la radiación electromagnética (más a menudo en forma de rayos infrarrojos) que se propone para el tratamiento de diversas enfermedades, incluyendo cáncer. El modelo básico para su utilización se deriva en parte de la terapia fotodinámica, en el que un fotosensibilizador se excita con luz de banda específica. Esta activación lleva al sensibilizador a un estado excitado en el que luego libera energía por una vía de decaimiento no radiativa (calor). El calor es el método actual de la terapia que mata a las células diana. La terapia fototérmica, a diferencia de la PDT, no requiere oxígeno para interactuar con las células o tejidos. Estudios recientes también muestran que la terapia fototérmica es capaz de usar radiación NIR (NIR, del inglés: Near-Infrared), que es transparente para el tejido biológico, sangre y agua (ventanas terapéuticas). El uso de esta radiación permite una mayor penetración en el tejido, y además por ser menos energética resulta tanto menos dañina para las células y tejidos sanos. Los plasmones superficiales localizados (LSP, del inglés: localized surface plasmons) son excitaciones no propagantes de los electrones de conducción de nanoestructuras metálicas acoplados al campo electromagnético. Estos modos surgen naturalmente del problema de dispersión de nanopartículas conductoras pequeñas, por debajo de la longitud de onda incidente, en un campo electromagnético oscilante. La superficie curva de las partículas ejerce una fuerza de restauración efectiva sobre los electrones dirigidos, de modo que surge una resonancia, llevando a una amplificación del campo a ambos lados y en la zona cercana al campo por fuera de la partícula. Esta resonancia se conoce como resonancia localizada superficial del plasmón (LSPR). Otra consecuencia de la superficie curva es que la resonancia del plasmón puede ser excitada por iluminación directa. Para nanopartículas de oro y plata, esta resonancia cae dentro de la región visible del espectro electromagnético. Una consecuencia notable de esto son los colores brillantes exhibidos por las partículas tanto en luz transmitida y reflejada, debido al aumento resonante de la absorción y dispersión. Hemos logrado sintetizar nanopartículas core-shell SiO2@Ag y SiO2@Au por un método de dos etapas, las cuales involucran la formación de núcleos homogéneos de plata u oro sobre esferas de sílice coloidales, seguida de un proceso fotoquímico empleado para el crecimiento de nanopartículas de Ag y Au a partir de las semillas metálicas. Las nanopartículas fueron caracterizadas por varios métodos y se investigó su interacción con los estados fundamental y excitado triplete del Rosa de Bengala, la Riboflavina y el Azul de Metileno, tres fotosensibilizadores típicos con actividad fotodinámica. Se observó que todos los colorantes se adsorben sobre las nanopartículas, preferentemente sobre las NPs SiO2, indicando una mayor afinidad por los grupos silanoles que por las regiones metálicas. Los experimentos de espectroscopía de absorción de transientes mostraron que en muestras que contienen Rf y NPs SiO2@Ag-low, la absorción del estado excitado triplete de la Riboflavina no se observa debido a un proceso de transferencia de electrones desde la Ag al estado excitado del complejo formado entre la Rf y las nanopartículas SiO2@Ag-low. Este resultado significa que bajo estas condiciones luego de la fotoirradiación se liberan iones Ag+ al medio acuoso. Cuando analizamos los espectros de EPR para esta muestra observamos una disminución en la generación de 1O2 respecto a la Rf, en total acuerdo con la desaparición de la señal del triplete en las medidas de LFP; y vimos también un aumento en la generación de radical OH. posiblemente debido al incremento en la producción de radical Rf.- durante la reacción de transferencia electrónica mencionada anteriormente. Las NPs SiO2@Ag no mostraron efectos sobre los estados transientes de la Rf probablemente por la menor interacción de las partículas con el colorante debido al mayor recubrimiento metálico de la superficie de la sílice. Por el contrario, en las muestras con Rf y NPs SiO2@Au, los resultados de LFP mostraron un incremento (leve) en la generación del triplete (3Rf*). Sin embargo, los espectros de EPR evidenciaron una disminución en la formación de radical OH. y 1O2, posiblemente como consecuencia de un posible quenching por parte de las partículas metálicas. No se observó efecto de las NPs SiO2@Ag ni de las NPs SiO2@Au en el estado excitado triplete del Rosa de Bengala, siendo la transferencia electrónica mucho menos favorable en este caso. Esto mismo quedó reflejado en los ensayos de EPR donde no hubo diferencias en la generación de radicales entre el RB2- solo y las mezclas de colorante con las nanopartículas. Por último, en el caso del Azul de Metileno el efecto de las NPs SiO2@Ag y SiO2@Au fue el opuesto. Los resultados de LFP mostraron un incremento en la producción de triplete (3MB+*) para las mezclas con nanopartículas de SiO2 recubiertas con Ag, mientras que para las recubiertas con Au los espectros DADS mostraron una disminución de la cantidad de 3MB+*. Quedaron pendientes los estudios de especies reactivas para entender mejor el comportamiento del MB+ en presencia de estas nanopartículas. Es sabido que la liberación controlada de iones Ag+ en las cercanías de las paredes celulares de microorganismos contribuye a la actividad bactericida de los nanomateriales de plata. Por esta razón, las NP score-shell SiO2@Ag-low son candidatos prometedores para la inactivación fotodinámica (PDI) de microorganismos. La fotoirradiación de la Riboflavina en suspensiones de nanopartículas debería liberar iones Ag+, incrementando el efecto bactericida intrínseco de los materiales no-irradiados. También hemos logrado ensamblar un nanodispositivo que contiene un fotosensibilizador (ICG) y un agente fototérmico (AuNS) mediante el método LbL, utilizando NPs de sílice como soporte, y los polielectrolitos PAH y PSS como bloques de ensamblado para permitir la incorporación de los agentes terapéuticos. Hemos caracterizado estas nanopartículas para asegurarnos el correcto ensamblado e incorporación de los componentes de interés, así como también, para comprobar que este nuevo sistema conserva las propiedades ópticas de los componentes individuales. Respecto a este último punto, hemos observado la generación de oxígeno singlete por parte de las NPs así como también un aumento de temperatura de la solución de 12 °C a 0,6 W de potencia del láser. También hemos demostrado, por medio de microscopia confocal, que nuestro nanodispositivo es incorporado por células tumorales de la línea HepG2, lo cual es de vital importancia para poder llevar a cabo los procesos terapéuticos. Por último, pudimos establecer en base a los resultados de viabilidad celular, que nuestras partículas no son citotóxicas en oscuridad, mientras que producen una disminución de la viabilidad celular mayor al 50 % al ser irradiadas durante 2 h con un LED de 780 nm. Si bien logramos obtener un efecto citotóxico de las muestras irradiadas, no fuimos capaces de observar diferencias entre las NPs SiO2-ICG@AuNS (tratamiento combinado de PDT y PTT) respecto a las NPs SiO2-ICG (tratamiento PDT) y a las NPs SiO2@AuNS (tratamiento PTT), por lo cual no pudimos evidenciar un efecto sinérgico de nuestro nanodispositivo.