Síntesis de nanoestructuras biopoliméricas para aplicaciones biomédicas

Abstract

Uno de los mayores retos a los que se enfrenta la medicina moderna es encontrar tratamientos eficaces para enfermedades complejas y mejorar la calidad de vida de los pacientes que las padecen. Una de estas enfermedades es el cáncer que, según datos de la Organización Mundial de la Salud, provocó casi 10 millones de muertes durante el año 2020. Durante décadas se han desarrollado fármacos efectivos para su tratamiento, pero presentan varias desventajas, principalmente su efecto tóxico sobre células sanas y su baja biodisponibilidad. Esto reduce considerablemente la calidad de vida de los pacientes y la eficacia de los medicamentos. Por este motivo, desde hace algunos años, se están estudiando mecanismos de transporte selectivo de fármacos que minimicen los efectos secundarios y promuevan la acción terapéutica sobre las células cancerosas afectando mínimamente a los tejidos sanos. El uso de la nanotecnología ha generado importantes beneficios en campos relacionados con la medicina. Las estructuras a nanoescala permiten que los fármacos se carguen y se dirijan a tejidos específicos, lo que permite una liberación controlada, reduce la toxicidad y aumenta la eficacia. A nivel celular, el comportamiento de las nanopartículas depende de muchos factores, pero el tamaño de las partículas (menos de 200 nm) y la distribución del tamaño se encuentran entre las características más importantes que determinarán el destino biológico, la toxicidad y la distribución in vivo. Por otra parte, el aumento global de las epidemias y las tasas de mortalidad asociadas con las bacterias multirresistentes ha convertido la lucha contra las enfermedades infecciosas en un motivo de preocupación a nivel mundial. La resistencia bacteriana a los antibióticos es un problema importante porque estas infecciones a veces son imposibles de tratar y causan la muerte de muchas personas en todo el mundo. Este hecho ha conducido a una búsqueda urgente de agentes antibacterianos efectivos con nuevos mecanismos para tratar infecciones. Al igual que en el caso del tratamiento del cáncer, la nanotecnología, y especialmente las nanopartículas, pueden ofrecer buenas alternativas a los antibióticos. Hasta ahora se han utilizado varios materiales para sintetizar nanopartículas incluyendo lípidos, polímeros naturales o sintéticos o materiales inorgánicos. Desde hace pocos años, los intereses en las investigaciones se han centrado en el uso de biopolímeros, los cuales se conocen por ser altamente biocompatibles, biodegradables e inocuos a la vez que han demostrado ser adecuados para encapsular una gran variedad de fármacos. De entre todos los biopolímeros disponibles, la fibroína de seda, la celulosa y el quitosano son los que se han empleado en esta tesis. La fibroína de seda tiene una gran capacidad para cargar, transportar y administrar una amplia gama de moléculas bioactivas, lo que la convierte en un excelente material para la administración de fármacos. En esta tesis, se han evaluado dos fármacos de origen natural (naringenina y ácido rosmarínico) y un fármaco de origen sintético (ibrutinib) cargados en fibroína de seda. Los mejores resultados en cuanto a bioactividad de las nanopartículas cargadas se han obtenido con ibrutinib por lo que estas nanopartículas han sido posteriormente funcionalizadas con ácido fólico para poder dirigirlas de forma específica a células tumorales, las cuales sobreexpresan receptores folato, y así disminuir o eliminar los efectos secundarios sobre las células sanas. Por otro lado, la celulosa también es un biopolímero con excelentes propiedades para ser utilizado como portador de fármacos. En este trabajo, también se han sintetizado nanopartículas de celulosa a partir de disoluciones de celulosa microcristalina en líquido iónico con un proceso respetuoso con el medio ambiente. Por primera vez, se ha estudiado la bioactividad de nanopartículas de celulosa obtenidas con este procedimiento en células sanas y tumorales con el objetivo de poder emplearlas posteriormente como vehículo de fármacos. Por último, el quitosano es un biopolímero con propiedades antibacterianas las cuales, unidas al potencial antimicrobiano del oro, permiten el diseño de nanopartículas para el tratamiento eficaz de infecciones bacterianas. Se han sintetizado nanopartículas de quitosano y oro con acción bactericida. El quitosano cumple una doble misión: reduce la sal de oro de partida y estabiliza las nanopartículas obtenidas. También se ha desarrollado un modelo de simulación mediante dinámica molecular para evaluar la interacción entre el quitosano y la membrana bacteriana, que ha sido comparado con los resultados de la actividad bactericida de las nanopartículas obtenidos de forma experimental. Por tanto, el objetivo principal de esta tesis doctoral es la síntesis y caracterización de nanopartículas biopoliméricas para su uso en biomedicina y, concretamente, como transportadores de fármacos antitumorales y antibacterianos. Los resultados obtenidos en la presente tesis doctoral han permitido profundizar en el desarrollo y la caracterización de nuevas nanoestructuras para aplicaciones biomédicas en el ámbito del tratamiento del cáncer e infecciones bacterianas. Con toda seguridad, algunos de estos resultados contribuirán al diseño de futuros estudios in vivo.

One of the biggest challenges facing modern medicine is to find effective treatments for complex diseases and to improve the quality of life for patients suffering from them. One of these diseases is cancer which, according to data from the World Health Organization, caused almost 10 million deaths during the year 2020. Effective drugs have been developed for decades, but they have several disadvantages, mainly their toxic effect on healthy cells and their low bioavailability. This significantly reduces patients' quality of life and the effectiveness of treatments. For this reason, during the last years, selective drug transport mechanisms have been studied to minimize side effects and promote therapeutic action on cancer cells without significant effect on healthy tissues. The use of nanotechnology has generated relevant benefits in medical-related fields. Nanoscale structures allow drugs to be loaded and targeted to specific tissues, enabling controlled release, reducing toxicity and increasing efficacy. At the cellular level, the behavior of nanoparticles depends on many factors, but particle size (less than 200 nm) and size distribution are among the most important characteristics that will determine biological fate, toxicity and in vivo distribution.

Additionally, the global increase in epidemics and mortality rates associated with multidrug-resistant bacteria has made combating infectious diseases a global concern. Bacterial resistance to antibiotics is a major problem, as some infections become untreatable and cause numerous deaths worldwide. Consequently, there is an urgent search for effective antibacterial agents with new mechanisms to treat infections. Similarly to cancer treatment, nanotechnology, and especially nanoparticles, may offer good alternatives to antibiotics. However, the details of the antibacterial mechanisms of nanoparticles are not yet fully understood.

Until now, several materials have been used to synthesize nanoparticles including lipids, natural or synthetic polymers or inorganic materials. In recent years, research interests have focused on the use of biopolymers, which are known to be highly biocompatible, biodegradable and innocuous while they have shown to be suitable for encapsulating a wide variety of drugs. Among all the biopolymers available, silk fibroin, cellulose and chitosan are those that have been used in this thesis.

Silk fibroin has a high capacity for loading, transporting and delivering a wide range of bioactive molecules, making it an excellent material for drug delivery. In this thesis, two drugs of natural origin (naringenin and rosmarinic acid) and a drug of synthetic origin (ibrutinib) loaded in silk fibroin nanoparticles have been evaluated. The best results in terms of bioactivity of the loaded nanoparticles have been obtained with ibrutinib so these nanoparticles have been subsequently functionalized with folic acid to be able to direct them specifically to tumor cells, which overexpress the folate receptor, and, in this way, to reduce or to eliminate side effects on healthy cells.

On the other hand, cellulose is also a biopolymer with excellent properties to be used as a drug carrier. In this work, cellulose nanoparticles have also been synthesized from microcrystalline cellulose solutions in ionic liquid with an environmentally friendly process. For the first time, the bioactivity of cellulose nanoparticles obtained with this procedure in healthy and tumor cells has been studied with the aim of being able to use them later as a drug vehicle.

Finally, chitosan is a biopolymer with antibacterial properties which, along with the antimicrobial potential of gold, allow the design of nanoparticles for the effective treatment of bacterial infections. In this thesis, chitosan-gold nanoparticles with bactericidal action have been synthesized. Chitosan fulfills a double mission: it reduces the starting gold salt and stabilizes the nanoparticles obtained. A simulation model using molecular dynamics has also been developed to evaluate the interaction between chitosan and the bacterial membrane, which has been compared with the results of the bactericidal activity of the nanoparticles experimentally obtained.

Therefore, the main objective of this doctoral is to synthesize and characterize biopolymeric nanoparticles for biomedical applications, specifically as carriers of antitumor and antibacterial drugs.

The results obtained in this doctoral thesis have contributed to a more detailed understanding of the development and characterization of new nanostructures for biomedical applications in the field of cancer treatment and bacterial infections. Some of these results will certainly contribute to the design of future in vivo studies.