Nanopartículas como herramientas en procesos bio-químicos. Síntesis, caracterización, funcionalización y aplicaciones

Resumen

[ES] ` Cuando la naturaleza se acaba el producir su propia especie , el hombre comienza a utilizar las cosas naturales en armonía con esta misma naturaleza para crear una infinidad de especies de ` Jean -Marie Lehn utiliza estas palabras de Leonardo da Vinci para ofrecer sus puntos de vista sobre las perspectivas de futuro de la química supramolecular . Química supramolecular investiga los principios de la naturaleza para producir complejos extraordinarios y enlaces moleculares funcionales, potencialmente útiles como sensores , catalizadores, el transporte y otras aplicaciones en la medicina y la ingeniería. Comenzando con el descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN , la biología ha pasado de ser una disciplina puramente descriptiva y fenomenológica a la ciencia molecular. Todos estos acontecimientos revolucionarios han llevado a fusionar Biotecnología y Ciencia de los Materiales , dando la ventaja indudable de utilizar componentes biológicos para generar nuevos materiales de diseño y , a la inversa , la aplicación de estos materiales avanzados y las nuevas técnicas fisicoquímicas para resolver problemas biológicos. Con el fin de explotar y utilizar todos los conceptos relacionados con los sistemas naturales en la nanoescala , el desarrollo de la Nanociencia y Nanoquímica es crucial. La nanociencia es la ciencia que se ocupa del análisis y la manipulación de materiales a nivel atómico o molecular , donde las características o propiedades físicas o químicas difieren significativamente de los que se presentan en una escala más grande. En este sentido , un nanomaterial se define como un material que consiste de una sustancia o estructura que tiene al menos una dimensión inferior a 100 nm . Estas estructuras tienen nuevas propiedades y un comportamiento diferente de la exhibida por el material a granel de la misma composición . Nanopartículas inorgánicas son particularmente atractivos como bloques de construcción para la construcción de grandes superestructuras y se pueden preparar fácilmente a partir de diversos materiales . Ellos tienen propiedades ópticas , electrónicas y catalíticas interesantes , que dependen fuertemente del tamaño de partícula . Durante los últimos veinte años ha habido un interés creciente en la fabricación de materiales híbridos inorgánicos entre las nanopartículas y biomoléculas . Como las nanopartículas y biomoléculas se encuentran en una longitud de escala similar , parece lógico que la combinación de las biomoléculas con nanomateriales podría llevar a algunas herramientas de imitación interesantes de biomoléculas , lo que demuestra los mecanismos de los procesos biológicos. En la actualidad , es fácil de controlar y modificar las propiedades de las nanoestructuras para lograr su integración con los sistemas biológicos , por ejemplo el control de su tamaño o la modificación de su capa superficial para aumentar su solubilidad acuosa o biocompatibilidad . La nanotecnología se define entonces como la comprensión y el control de la materia a escala nanométrica , en dimensiones entre aproximadamente 1 y 100 nanómetros, donde los fenómenos únicos permiten nuevas aplicaciones . No se trata sólo de un nuevo campo de la ciencia y la ingeniería , sino una nueva forma de ver y estudiar. Las primeras aplicaciones prácticas de la nanotecnología fueron a los avances en las comunicaciones , Ingeniería , Física , Química , Biología , Robótica y Medicina. La nanotecnología en la medicina ha sido utilizado , y está siendo utilizado , para el suministro de fármacos y el desarrollo de tratamientos para una variedad de enfermedades y trastornos . El aumento en la producción de nanomateriales se correlaciona con los avances posteriores en estas disciplinas . Se utilizan nanopartículas , o siendo evaluados para su uso, en muchos campos , siendo uno de ellos el campo de la Proteómica . Nanotecnología en proteómica se ha convertido en una plataforma tecnológica prometedora para las tareas difíciles de estudiar proteomas complejos. Por otra parte , las nanopartículas son una nueva generación de sensores que juegan un papel importante en el descubrimiento de biomarcadores . Los biomarcadores basados ??en las interacciones con el ADN forman un grupo importante en el estudio de , y los avances en el campo del cáncer y otras enfermedades , y también en el desarrollo de tratamientos con diferentes fármacos . Entre ellos, los que tienen características de fluorescencia son muy prometedores, de tal manera que los métodos encaminados a su desarrollo y el perfeccionamiento de ellos son actualmente de extraordinario interés . Un campo importante para el uso de biomarcadores en los estudios que abordan compuestos contra el cáncer se ha abierto por la llegada de nuevos fluoróforos llamados puntos cuánticos (puntos cuánticos ) . Puntos cuánticos son nanocristales semiconductores con un tamaño de entre 1 y 10 nanómetros que se forman por elementos de los grupos II-VI o III-V de la tabla periódica y que son capaces de superar los límites de colorantes orgánicos . Sus principales ventajas en este campo son los siguientes : el espectro de emisión QD se puede modificar en un amplio intervalo cambiando el tamaño y la composición del núcleo , lo que los hace altamente susceptible de detección biológica . Su amplio de excitación y ayuda espectros de emisión estrecha para evitar la superposición espectral , aumentando así la posibilidad de distinguir múltiples fluoróforos simultáneamente . También facilitan el uso de una sola longitud de onda de excitación para los puntos cuánticos de diferentes colores . Estas propiedades les proporcionen una ventaja sobre los colorantes orgánicos , que tienen excitación estrecho y amplio espectro de emisión . El aspecto más importante a considerar , sin embargo , es su capacidad para bioconjugación , lo que les permite unen a las proteínas y otras biomoléculas que contienen aminas primarias y ácido carboxílico como grupos funcionales , así como muchos otros substances.There es un amplio campo de investigación con muchas perspectivas de futuro en el estudio de los puntos cuánticos para aplicaciones biológicas. Aunque los avances importantes se han hecho en algunos aspectos , hay muchos puntos débiles en cuanto a los procedimientos utilizados para la síntesis de estas nanopartículas , y su comportamiento en diferentes medios de comunicación también debe recibir una atención más concertada. Los puntos cuánticos más utilizados como biomarcadores , tales como CD, se encuentran en la mayoría de los casos sintetizados en fase orgánica , el uso de disolventes de alto punto de ebullición . Los procedimientos de síntesis en medio acuoso son una alternativa atractiva a la síntesis de los puntos cuánticos en medio orgánico y ahora son un área activa de interés . Síntesis acuosa muestra una buena reproducibilidad , baja toxicidad , de bajo costo y , en particular , los productos preparados en medio acuoso tienen una excelente solubilidad en agua , estabilidad y compatibilidad biológica . La necesidad de arrojar más luz sobre el estudio de su estructura y comportamiento químico es crucial si vamos a optimizar los procesos de bioconjugación involucrados , siendo uno de los objetivos de este trabajo . Las nanopartículas de oro (AuNPs ) han surgido recientemente como un candidato atractivo para la entrega de moléculas de fármaco pequeñas o grandes biomoléculas ( proteínas , ADN o ARN ) en sus objetivos. Sus propiedades químicas y físicas han sido explotadas para el transporte y descarga de los productos farmacéuticos y en contextos terapéuticos fototérmica . El núcleo de oro es inerte , no tóxico y biocompatible. Ellos pueden ser fácilmente sintetizados de una manera monodisperso y tamaños de núcleo que van desde 1 nm a 150 nm . Tienen absorción óptica fuerte y armonioso . Son fáciles de modificar para dotarlos de funcionalidades diferentes , por lo general a través de enlaces tiol , la unión de una amplia gama de moléculas orgánicas. Además , AuNPs tienen propiedades ópticas únicas , tales como las bandas de excitación característicos en la región visible , debido a la resonancia de plasmón superficial . Esta propiedad permite el uso de AuNPs en muchas aplicaciones médicas , biológicas y farmacéuticas . Actualmente , AuNPs son candidatos atractivos para la entrega de una carga útil a un sitio diana particular . Estas cargas útiles van desde ser pequeñas moléculas de fármacos a grandes biomoléculas , como proteínas , ADN y ARN . La liberación eficiente de estos agentes terapéuticos en el lugar adecuado es un requisito previo para una terapia eficaz y es la base de las terapias dirigidas , principalmente en los campos más avanzados de la medicina. Esta tesis se divide en tres partes. El objetivo del capítulo uno es desarrollar un nuevo procedimiento para la preparación de los puntos cuánticos en medio acuoso , en presencia de ácido mercaptoacético ( MAA ) como un reactivo de limitación , a presión normal y temperatura ambiente . La influencia de varias variables experimentales , incluyendo la temperatura , el pH, la relación Cd / S y la relación Cd / MAA , sobre las propiedades ópticas de los puntos cuánticos obtenidos se estudió sistemáticamente . Los resultados experimentales indican que estas variables juegan un papel importante en la determinación del tamaño y estado de la superficie de las nanopartículas , y por lo tanto sus propiedades luminiscentes y estabilidad temporal . Aspectos como la nucleación y crecimiento de nanocristales durante la síntesis son importantes para lograr las mejores condiciones para la síntesis de nanopartículas de alta calidad. Un profundo estudio de las propiedades físicas de las nanopartículas y su comportamiento en solución en diferentes condiciones facilitará su uso como biomarcadores y en otras aplicaciones de interés analítico. Capítulo dos explora la actividad citotóxica potencial de derivados de cisplatino de ácidos biliares como bisursodeoxycholate ( etilendiamina ) platino (II ) , PTU2 , cuando se conjuga con nanopartículas de oro . Estos derivados tienen un potencial actividad citotóxica y toxicidad reducida , debido a su labilidad inferior y su carácter anfipático , haciéndolos una alternativa adecuada para CDDP , como los fármacos anti- tumorales. Se analizó la capacidad de suministro intracelular de estos compuestos después de la conjugación con nanopartículas de 20 nm de oro ( PTU2 - AuNPs) en el ( osteosarcoma ) línea celular MG63 , un modelo de uno de los tumores malignos más intratables y dolorosas cuyo tratamiento estándar requiere cirugía radical y La terapia neoadyuvante. El capítulo tres es un comentario sobre el estado del arte de las nanopartículas en la Proteómica . Microarrays de proteínas son una plataforma para el análisis paralelo y simultáneo de las interacciones proteína- proteína y proteína de perfiles . Junto con los avances en las tecnologías de microarrays , metodologías cada vez más sensibles y fiables de detección se están desarrollando actualmente . Tales sistemas de detección de proteínas han sufrido progresivamente una transición relevante de tecnologías libres de etiquetas más sensibles a los basados ??en la etiqueta , que son de gran utilidad para estudiar la interactome y funciones de grandes cantidades de proteínas en la demanda . En general , los sistemas basados ??en la etiqueta se centran principalmente en el uso de etiquetas específicas para moléculas diana como tintes fluorescentes convencionales y radioisótopos , entre otros . Más recientemente , se han propuesto otras sustancias , incluyendo puntos cuánticos (puntos cuánticos inorgánicos ), las nanopartículas de oro (PN ), Raman de nanotubos de carbono marcado tinte o NPs de sílice. Por otro lado , las técnicas de detección de etiqueta libre incluyen resonancia de plasmón superficial ( SPR ) , nanotubos de carbono , en voladizo , etc El acoplamiento con éxito de la nanotecnología con la proteómica en los últimos años ha conducido al desarrollo de nanoproteomics , que proporcionan una plataforma analítica robusta para tiempo real y la detección sensible de proteínas de bajo - abundande . Un número de nanotechniques han utilizado últimamente para diversas aplicaciones tales como el descubrimiento de biomarcadores , la detección de proteínas libre de marca , el estudio de las interacciones de proteínas y la impresión de microarrays de proteínas . Entre todos los nanomateriales , puntos cuánticos , nanopartículas de oro y nanotubos de carbono han demostrado potencial para superar los retos de la sensibilidad que enfrenta la proteómica convencionales para la detección de biomarcadores. Sin embargo , todavía son necesarios muchos esfuerzos para explorar la toxicidad y biocompatibilidad de nanotechniques para garantizar su seguridad para aplicaciones biológicas .