Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
Nuevos nanomateriales multifuncionales basados en sílica porosa: perspectivas en aplicaciones biomédicas
Autor
GARCÍA ALMODÓVAR, VICTORIA
Director
FILICE , MARCO
Directores
GÓMEZ RUIZ, SANTIAGO; PRASHAR , SANJIV
Fecha de depósito
27-05-2025
Periodo de exposición pública
28 de mayo a 10 de junio de 2025
Fecha de defensa
11-07-2025 - Salón de Grados. Edificio Departamental II. Campus de Móstoles a las 11:30 horas
Modalidad
Presencial
Programa
Ciencias
Mención internacional
Solicitada
Resumen
En la actualidad, se está experimentando un incremento exponencial en la detección de enfermedades como el cáncer y las infecciones bacterianas, lo que representa un desafío significativo para la comunidad científica. El cáncer, en particular, se mantiene como una de las principales causas de mortalidad a nivel mundial, con un aumento en la incidencia atribuido a factores como la exposición a productos carcinógenos, estilos de vida poco saludables y el incremento de la longevidad de la población. Por otro lado, las enfermedades bacterianas representan otro desafío crítico, especialmente ante la creciente resistencia de estas a tratamientos convencionales. Esta resistencia se prevé que constituya una amenaza considerable para la salud pública en un futuro cercano, por la aparición de las conocidas como superbacterias. Las principales desventajas asociadas al cáncer incluyen su heterogeneidad, la resistencia a tratamientos convencionales y los efectos secundarios adversos de estos. En el caso de las infecciones bacterianas, el problema radica en la aparición de superbacterias, que no responden a los antibióticos tradicionales y, por ende, representan un riesgo significativo para la salud global.
A pesar de estos desafíos, el avance de la tecnología en nuestra sociedad nos ha permitido desarrollar herramientas para combatir estos problemas. La nanotecnología es una de ellas. Durante la última década ha experimentado un notable crecimiento, gracias a sus propiedades únicas a escala nanométrica, lo que permite una amplia gama de aplicaciones. Entre estas aplicaciones, la nanomedicina emerge como una herramienta prometedora para abordar los retos planteados por estas enfermedades. La nanomedicina se dedica al diseño, síntesis y evaluación de materiales a escala nanométrica con potencial como agentes antitumorales y antibacterianos, permitiendo que un mismo nanomaterial desempeñe funciones de tratamiento y diagnóstico precoz de la enfermedad de manera simultánea, además de poder dirigirlo de forma selectiva a la zona de tratamiento, disminuyendo el número de efectos secundarios.
En este sentido, se han estudiado numerosos nanomateriales con potencial en aplicaciones biológicas, destacando las sílicas mesoporosas y las arcillas nanoestructuradas debido a sus excelentes propiedades fisico-químicas y su biocompatibilidad, lo que hace su investigación particularmente interesante como portadores de fármacos.
La presente Tesis Doctoral se centra en el diseño de nuevos nanomateriales con potencial como agentes antitumorales y antibacterianos. Para ello, se han diseñado y sintetizado diversas nanoplataformas basadas en sílice (MSN, SBA-15 y FSP) y arcillas nanoestructuradas (HNT), a las cuales se han incorporado compuestos basados en complejos metálicos de estaño y titanio capaces de desempeñar funciones terapéuticas. Además, se han funcionalizado los materiales con diferentes fluoróforos, como FITC e ICG, para dotarlos de capacidades de diagnóstico y seguimiento del fármaco y el tumor.
Con el fin de aumentar la selectividad de estos sistemas y potencialmente minimizar los efectos secundarios, se han incorporado moléculas de interés biológico que pueden ser proteínas (HA), vitaminas (FA) o compuestos específicos dirigidos a orgánulos, como sales (PPh3+), que potencian la selectividad de estos materiales. Asimismo, en algunos casos se han realizado formulaciones con diferentes polímeros (PEG y PEI) para aumentar la dispersión de los nanomateriales en medios biológicos simulados, protegiendo así las moléculas portadoras en los entornos hostiles de los ambientes tumorales.
Cabe destacar que estas funcionalizaciones se han llevado a cabo mediante dos metodologías distintas. La primera, empleada para crear sistemas drug-delivery no clásicos, se basa en emplear diferentes ligandos para crear enlaces covalentes entre la estructura de la nanopartícula y la molécula de interés. La segunda metodología, para crear sistemas de drug-delivery clásicos, consiste en la incorporación de la molécula de interés al nanomaterial mediante un proceso de adsorción.
Como resumen de los resultados biológicos obtenidos, se puede destacar que se han desarrollado nanomateriales multifuncionales con una capacidad de liberación controlada y reducida. Estos nanomateriales han mostrado citotoxicidad en líneas celulares de cáncer de mama, además de presentar una menor toxicidad hacia células sanas, lo que indica una mayor selectividad. Asimismo, los materiales han exhibido estabilidad en medios biológicos simulados. Por otro lado, ciertos nanomateriales han demostrado actividad metabólica contra bacterias Gram positivas y Gram negativas, así como un potencial prometedor en la inhibición y erradicación de biofilms.
Se comenzó la investigación del Capítulo 1, realizando la síntesis y funcionalización nanomateriales porosos basados en sílice con un agente terapéutico (compuesto de organoestaño, basado en cloruro de trifenilestaño(IV)), moléculas de diagnóstico (FITC e ICG) y albúmina para mejorar el transporte y la biodistribución. Se realizó una caracterización fisico-química y estudios de toxicidad in vitro en la línea celular MDA-MB-231 de cáncer de mama triple negativo, observándose una prometedora actividad citotóxica en todos los materiales. El material MSN-AP-Sn-FITC-HA(10%) destacó por su excelente potencial antitumoral. Además, se demostró que la albúmina facilita la llegada del nanomaterial al área celular circundante.
Para comenzar con los estudios de materiales con potencial antibacteriano, en el Capítulo 2, se llevó a cabo la síntesis y funcionalización de materiales cuya nanoplataforma de partida eran diferentes nanomateriales basados en sílice (MSN, SBA-15 y FSP), con PPh3+ y un compuesto de organoestaño(IV). Estos sistemas demostraron una potencial actividad antibacteriana contra las cepas de S. aureus y E. coli. Los resultados fueron más prometedores en el caso de la Gram negativa, lo que podría atribuirse a la influencia del fragmento PPh3+. Se identificó el estrés oxidativo como un posible mecanismo de acción de estos materiales, que presentaron porcentajes de hemólisis bajos. Las pruebas de inhibición y erradicación de biofilm revelaron una relación dependiente de la concentración entre la actividad del material y su eficacia. Estos resultados sugieren su aplicabilidad en diversas intervenciones biomédicas, así como su potencial en el tratamiento de heridas crónicas y en la lucha contra la resistencia a antibióticos.
Una vez comprobado el potencial de la HA como agente facilitador del transporte y el del PPh3+ como agente interesante en el tratamiento de bacterias, se pasaron a unificar estos conceptos en un único nanomaterial, aprovechando también los excelentes resultados obtenidos con las diferentes nanopartículas basadas en silicio. En el Capítulo 3 se llevó a cabo la síntesis de nanopartículas de tipo MSN y SBA-15, funcionalizado de forma no clásica con PPh3+ y además un complejo de organoestaño(IV), un titanoceno(IV) y ambos juntos como agentes de tratamiento, para estudiar su actividad por separado y en conjunto. Además, a una parte de estos materiales de les agregó ácido fólico como agente de targeting directo y a otra parte albúmina, como proteína capaz de aportar una mejor biodisponibilidad. Conseguidos y caracterizados todos los nanomateriales se probó su capacidad en ambientes biológicos, comprobando que no hay liberación de los metales y que la nanopartícula actúa como un todo, comprobado de esta forma que la actividad del material está basada en un sistema drug-delivery no clásico. Finalmente se comprobó el potencial antitumoral de los materiales en la línea celular MCF-7, donde se vio que la viabilidad estaba inversamente relacionada con la concentración de material, y que, aunque la concentración con respecto a los metales fuese baja, había actividad. Por otro lado, se comprobó la actividad antibacteriana, usando de nuevo las cepas bacterianas S. aureus y E. coli, en estos ensayos se vio que todos los materiales tenían capacidad bactericida, consiguiéndose a menores concentraciones en la cepa Gram negativa, y teniendo de nuevo en cuenta que las concentraciones de metal eran bajas con respecto a las del material.
Si bien los primeros capítulos de la presente Tesis Doctoral están basados en el uso de nanomateriales de sílice mesoporosa, en el Capítulo 4, se ha utilizado como nanoplataforma de partida la Haloisita. Aprovechado los resultados obtenidos en el capítulo anterior, se llevó a cabo una síntesis similar, para estudiar la actividad terapéutica de los compuestos metálicos por separado y también de forma dual. Además de la actividad de los fragmentos incorporados (PPh3+, FA y HA) entre a bacterias y células tumorales. Una vez funcionalizada y caracterizada la arcilla se probó en ensayos antibacterianos y antitumorales para comprobar la potencial actividad de estos como agentes duales. En el caso de los estudios antitumorales se realizaron en la línea células MDA-MB-231, donde se comprobó que la actividad con ambos metales de forma conjunta era mayor que las de los metales por separado. Además, se probó su actividad antibacteriana en las cepas citadas en capítulos anteriores, donde se comprobó que en Gram positiva tenían actividad bactericida y en Gram negativa la actividad era bacteriostática.
En los capítulos anteriores se comentan todas las ventajas que tiene el uso de nanomateriales basados en sílice o haloisita como plataformas de partida, sin embargo, una de las desventajas que presentan en ocasiones este tipo de materiales es la dificultad para dispersarse en medios biológicos. Es por ello, que en los dos últimos capítulos se lleva a cabo una formulación de estas nanopartículas sobre polímeros para estudiar la posible mitigación de esta desventaja en los sistemas estudiados. Por tanto, en el Capítulo 5 se lleva a cabo la síntesis de nanopartículas tipo MSN funcionalizadas con un complejo de organoestaño(IV) como agente de tratamiento, ácido fólico como agente capaz de aportar a la nanopartícula direccionamiento hacia las células tumorales y finalmente una formulación con polietilenglicol (PEG), incorporada a diferentes concentraciones. Una vez comprobada la correcta síntesis de las nanopartículas se probaron los diferentes materiales finales en las líneas células Hek 293T, para comprobar la toxicidad, y MCF-7 para comprobar la citotoxicidad. Los resultados obtenidos muestran que los materiales MSN-Sn-PEG(5%) y MSN-AP-FA-Sn-PEG(5%) son los que presentan mejor actividad ya que la diferencia entre los IC50 en células sanas y tumorales es mayor. Por lo que las formulaciones a concentraciones medias favorecen la actividad y dispersión de estos materiales, dejando, presumiblemente, accesibles los compuestos incorporados con anterioridad.
Por otro lado en el Capítulo 6 se llevó a cabo una metodología similar para la formulación de varios sistemas, en la cual se prepararon nanopartículas MSN funcionalizadas en primer lugar con polietilenimina (PEI) y posteriormente con FA y un complejo de organoestaño(IV) mediante dos rutas de incorporación diferentes. Posteriormente se realizó una completa caracterización fisico-química de los materiales estudiados, para comprobar la correcta síntesis y funcionalización. Además, se llevaron a cabo estudios sobre el comportamiento de los materiales en medio biológico simulado, para antes de realizar el estudio in vitro. Una vez analizado e interpretados los datos del estudio en medio biológico, se comprobó la potencial actividad del material MSN-AP-PEI-FA-TR-Sn en la línea celular de cáncer de mama MCF-7 mediante estudios MTT y se descartó su posible toxicidad en células sanas, donde se ensayó con la línea celular Hek 293T.
En resumen, los resultados de esta Tesis Doctoral demuestran la síntesis exitosa de nanomateriales con aplicación terapéutica, utilizando diferentes sistemas de partida con funcionalizaciones diversas. Se han explorado distintos nanomateriales iniciales en función de las prioridades de cada aplicación, así como estrategias óptimas de funcionalización según las propiedades deseadas en estos.
Las propiedades estudiadas han incluido terapia dual (anticáncer/antibacteriano), propiedades de imagen/diagnóstico, targeting activo, interacción con membranas y mitocondrias, y mejora de la dispersabilidad. Como resultado, los nanomateriales preparados en este trabajo de tesis doctoral han mostrado actividad antitumoral en células de cáncer de mama y/o actividad antibacteriana frente a cepas Gram positivas y Gram negativas, así como han demostrado, en algunos casos selectividades interesantes, así como la capacidad de ser observados in vitro mediante microscopía confocal, abriendo la puerta a estudios más exhaustivos, en un futuro, para poder utilizarlos en ensayos preclínicos en modelos animales.
