Biocompatibilidad de las nanopartículas de oro

El núcleo de oro de los AuNRs se considera un material no-tóxico de acuerdo con los numerosos estudios previamente descritos en la literatura (Alkilany y cols., 2010). Sin embargo, la biocompatibilidad de las soluciones en las que van disueltos los AuNRs resulta un tema a menudo discutible.

El tamaño de las partículas también constituye un parámetro físico importante que controla la eficacia de la endocitosis (Jiang y cols., 2008) o la unión irreversible a la forma B del ADN así como a otras moléculas clave para el mantenimiento de la estructura del ácido nucleico (Semmler-Behnke y cols., 2008), (Tsoli y cols., 2005), de tal forma que es natural esperar una relación entre citotoxicidad y tamaño del AuNR. Algunos estudios han demostrado esta relación de dependencia existente entre el tamaño de la partícula y su toxicidad asociada indicando que los AuNRs con tamaños inferiores a 2nm conducían a necrosis y a apoptosis celular (Pan y cols., 2007).

Figura 5: Representación esquemática de la bicapa que constituye el surfactante CTAB recubriendo un nanorod de oro

Se piensa que la interacción entre el surfactante catiónico y la superficie del AuNR se produce por una atracción electroestática entre el oro y el anión bromuro. El grado de interdigitación en la estructura que conforma la bicapa todavía no es suficientemente conocido. Imágenes tomadas de Alkilany y cols., 2012.

La toxicidad de las NPs de oro coloidales también depende naturalmente de su concentración, parámetro que controla el número de partículas que penetran en el interior celular. Existen múltiples estudios que han explorado este hecho. Algunos de ellos han revelado que a elevadas concentraciones, las NPs de oro penetran por las membranas celulares y se acumulan en las vacuolas celulares. Además se ha observado que pueden causar daño en los filamentos de actina, afectando a la motilidad y a las capacidades proliferativas y adhesivas de las células (Pernodet y cols., 2006). Otros estudios han concluido que además las NPs de oro de pequeño tamaño pueden resultar aún más tóxicas a elevadas concentraciones, debido al mayor efecto lesivo que ejercerían este tipo de NPs sobre los orgánulos citoplasmáticos, lo que provocaría una mayor liberación de las NPs en el citoplasma y la alteración del funcionamiento celular normal (Mironava y cols., 2010).

Sin embargo, numerosos estudios han encontrado que no existen signos específicos de toxicidad en NPs de oro coloidales de 5-20nm de diámetro, a concentraciones del orden de 100μM (ni en el funcionamiento regular de la célula a pesar de encontrar NPs en los endosomas celulares, ni en los procesos de transcripción celular). Este hecho podría extenderse también a las NPs con un tamaño límite inferior de 3nm y con un tamaño límite en el rango superior de 100nm siempre que se considere que la dosis limitante se encuentra entorno a las 1012 partículas/ml (Qu y cols., 2009), (Villiers y cols., 2010). Existen además datos muy interesantes que parecen indicar que con todos los factores anteriormente mencionados controlados, la citotoxicidad podría depender del tipo celular (Patra y cols., 2007), (Ikah y cols., 2006) y de la funcionalización de la superficie de las NPs de oro en función del número o el tipo de péptidos absorbidos a su superficie (Ryan y cols., 2007), (Sun y cols., 2008).

3.2.2. Estudios in vivo

Para comprobar la biocompatibilidad y biocinética de los AuNRs se han llevado a cabo numerosos estudios in vivo.

En principio para asegurar la biocompatibilidad se suelen utilizar AuNRs funcionalizados con PEG o bien con otros ligandos no tóxicos. Con AuNRs recubiertos con PEG (13nm) y suministrados intravenosamente a diferentes concentraciones en ratones, se ha comprobado que a 7 días post-inyección los AuNRs se quedan principalmente acumulados en el hígado y bazo del animal y que además presentan largos tiempos de circulación en sangre. A nivel histológico, se ha comprobado que quedan incluidos en las

vesículas y lisosomas de las células de Kupffer del hígado y de macrófagos del bazo. Se han observado signos de inflamación aguda y apoptosis en el hígado de estos animales (Cho y cols., 2009). Sin embargo los datos parecen indicar que los efectos citotóxicos se producen en función del tamaño de los AuNRs inyectados.

También se han encontrado diferencias en cuanto a la biodistribución y efectos citotóxicos a nivel histológico de los AuNRs entre diferentes modelos experimentales. Tras administrar intraperitonealmente AuNRs en ratas y ratones a una determinada dosis y diseccionar los órganos a distintos tiempos tras la inyección, se ha encontrado que mientras que en los ratones la mayor cantidad de AuNRs se encuentra acumulada entre la pulpa blanca y roja del bazo, en las ratas está internalizada por las células de Kupffer del hígado. También se ha visto exclusivamente en los ratones que se producen múltiples mitosis celulares en el hígado a las pocas horas de la administración de los AuNRs y algunos focos de hematopoyesis extramedular que desaparecen con el tiempo. En ambos modelos experimentales se han encontrado AuNRs (<20nm) situados en las capas corticales del cerebro (Pocheptsov y cols., 2009).

Además se ha comprobado a través de algunos estudios los efectos genéticos de los AuNRs recubiertos con PEG. En ratones tras una administración intravenosa a cortos periodos de tiempo se han observado cambios significativos en ciertos genes mientras que el análisis histológico de algunos órganos sin embargo no revelaba ningún tipo de alteración. Los genes que expresaban alteraciones estaban relacionados con apoptosis, ciclo celular, inflamación, mecanismos de respuesta al estrés celular, señales de transducción y metabolismo (Cho y cols., 2009). Otros estudios asociados a la administración de AuNRs de tamaños similares en ratas han mostrado la existencia de alteraciones significativas en genes relacionados con la detoxificación, metabolismo de lípidos, ciclo celular, mecanismo de respuesta inmune y control del ritmo circadiano (Balasubramanian y cols., 2010).

Los datos publicados hasta el momento relacionados con los efectos in vivo dependientes de tamaño son bastante limitados. La mayor parte de los estudios publicados donde se inyectan AuNRs de hasta 100nm de tamaño intraperitonealmente concluyen que no existen efectos perjudiciales sobre el modelo experimental que emplean (Chen y cols., 2009).

La concentración de oro inyectada tampoco parece ser un factor determinante en la toxicidad sobre el animal ya que según algunos estudios, a concentraciones crecientes de AuNRs inyectados no existen signos evidentes de toxicidad en ninguno de los múltiples

estudios que se han llevado a cabo incluyendo supervivencia, comportamiento, peso del animal, morfología de los órganos, bioquímica sanguínea e histología tisular (Lasagna- Reeves y cols., 2010), (Kim y cols., 2009).

3.3. Aplicaciones biomédicas de las nanopartículas de oro