Toxicity Studies of Polymer Based Supermagnetic Iron Oxide Nanoparticles

Mohamed Ahmed Ali, Lamiaa
Palacio Parada, Fernando (dir.) ; Gutiérrez Martín, Martín (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2014

Abstract: En las últimas décadas, la nanotecnología se ha convirtido en una de las áreas de investigación científica más importantes, que se ha extendido a muchos aspectos de la vida (industriales, médicas, biológicas, etc), gracias a las excepcionales propiedades físico-químicas que ofrecen los nanomateriales. Además de la utilización de nanomateriales en el campo de la medicina, nanomedicina, los últimos años han sido testigos de un progreso tangible en la producción de productos de consumo que conteniendo nanomateriales. Hoy en día, más de 1.000 productos de consumo que contienen nanomateriales están disponibles en el mercado. Entre estos productos están, los productos de cuidado personal (por ejemplo, protección solar, lociones para la piel, etc), aditivos alimentarios, productos de limpieza, selladores, pinturas, productos electrónicos, pilas de combustible, neumáticos y muchos otros. Por desgracia, este vasto uso contrasta con los intentos limitados para evaluar los efectos nocivos de los nanomateriales en la salud pública y el medio ambiente. Este hecho pone de manifiesto la necesidad y la importancia de la nanotoxicología. Es insoslayable que cada nuevo producto que se investigue vaya acompañado del correspondiente estudio toxicológico. Esta tesis pretende aplicar ese punto de vista a unas series de bioferrofluidos y sus componentes producidos en dos grupos diferentes de los Institutos de Ciencia de Materiales de Zaragoza y Madrid con el objetivo de su utilización en aplicaciones biomédicas. A lo largo de la tesis, vamos a explorar la toxicidad de nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro y sus encapsulados poliméricos sobre, células, sangre y órganos, como pasos necesarios para el desarrollo de la aplicabilidad biomédica de estos nuevos nanomateriales. Este trabajo se desarrolla en cinco capítulos. El capítulo 1 tiene por título Introducción general y propósito de la tesis. Se trata de una introducción general que incluye las definiciones básicas de la nanotecnología, nanomedicina y nanotoxicología. En él muestra la importancia de la nanomedicina en la solución de varios problemas médicos y farmacéuticos, y el gran impacto de la utilización de nanomateriales en los niveles terapéutico y de diagnóstico. Además, explica las propiedades magnéticas de nanopartículas magnéticas seguido de algunos ejemplos de los efectos de la utilización de las nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro a nivel de diagnóstico y terapéutico. En este capítulo se discuten las precauciones y los pasos a tener en cuenta durante el diseño de un nuevo nanomaterial. A continuación, se revisa la importancia de los estudios de la nanotoxicidad proporcionadas con algunos ejemplos de los efectos de los nanomateriales en células, sangre, medio ambiente, etc. Por último, el capítulo explica el propósito principal de la tesis y describe las características generales de los materiales a ser utilizado. El capítulo 2 tiene por título Estudios in vitro de la citotoxicidad de las nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro. Este capítulo comienza con una introducción sobre la nanotoxicología, mostrando algunos ejemplos sobre los nanopeligros (nanohazards) y sus efectos sobre la salud pública, que a su vez ponen de relieve la importancia de las medidas preventivas y los estudios nanotoxicología. Explica, además, algunos de los elementos de estudio implicados en nanotoxicología, como vía de exposición y mecanismos toxicológicos de los nanomateriales. La sección de introducción termina con la descripción de pruebas utilizadas para estudios de citotoxicidad. El propósito principal de este capítulo es estudiar el comportamiento toxicológico de nuestros bioferrofluidos in vitro utilizando diversos ensayos toxicológicos. En este capítulo se muestra la influencia de muchos factores sobre la toxicidad de las nanopartículas en las células, tales como tipo de célula, tamaño hidrodinámico de las partículas encapsuladas en su recubrimiento polimérico, tamaño de las nanopartículas óxido de hierro, relación polímero/hierro, etc. Resultado de los estudios descritos en el capítulo es que la muerte de las células es debido a la necrosis, sin evidencia de la producción de especies de oxígeno reactivo, y las pequeñas nanopartículas tienen un efecto inflamatorio en comparación con los más grandes, que se recomiendan para ser utilizado para otros estudios debido a su menor efecto tóxico en comparación con otros tamaños. El capítulo 3 tiene por título Estudios en el nivel de la interface nano-bio: captación, localización subcelular y la endocitosis. El capítulo comienza con una ilustración de la importancia de este tipo de estudios y explica los principales componentes del interface nano-bio, los factores que afectan a la internalización del nanomateriales y mecanismos de endocitosis. El propósito principal de este capítulo es entender la citotoxicidad causada por nuestros bioferrofluidos a través del estudio de la captación de las nanopartículas y la captación cinética, localización subcelular y el mecanismo de endocitosis. En este capítulo se muestra la influencia de muchos factores sobre la captación de las nanopartículas en las células, tales como el tamaño de las nanopartículas, tipo de célula, la concentración de las nanopartículas y el tiempo de incubación. Los resultados obtenidos explican la toxicidad dependiente del tamaño y del tipo de célula causada por nuestros bioferrofluidos. A nivel subcelular, las nanopartículas existen en los compartimentos endolisosomal y la endocitosis dependiente de clatrina es el mecanismo que se encarga de la internalización de las nanopartículas. El capítulo 4 tiene por título Estudios in vitro de hemocompatibilidad de nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro. En este capítulo se muestra que el nanomaterial puede actuar como un agente pro-coagulante o hipo-coagulante, lo que a su vez, subraya la importancia de este tipo de estudios, especialmente para los nanomateriales que se desarrollan para su administración intravenosa. Se describe brevemente el mecanismo de coagulación de la sangre, los mecanismos de regulación y pruebas de detección de la coagulación. El propósito principal de este capítulo es estudiar la toxicidad de tres tipos diferentes de nanoparticulas superparamagnéticas de óxido de hierro recubiertas de polímero y sus componentes separados en la sangre. En este capítulo se muestra la influencia de la carga de la superficie y el revestimiento de la superficie en el comportamiento tóxico de los bioferrofluidos. Los tres tipos de bioferrofluidos exhiben efecto anticoagulante, con ningún efecto sobre el recuento de la sangre in vitro. No se detectó ninguna incidencia de hemólisis. El capítulo 5 tiene por título Estudios de biodistribución de nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro recubiertas de polímero. Este capítulo comienza con un breve revisión sobre la imagen biomédica y la imagen por resonancia magnética (IRM), con una ilustración de los principios básicos de la resonancia magnética y agentes de contraste. Además, en este capítulo se discute los factores que afectan a la biodistribución de los nanomateriales. El objetivo de este capítulo es estudiar la relajación in vitro, la biodistribución in vivo y la toxicidad in vivo para dos tipos de nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro recubiertas de polímero. Los resultados obtenidos muestran que nuestros bioferrofluidos son unos buenos agentes de contraste del tipo T2 con ningún efecto tóxico in vivo.

Pal. clave: diagnóstico por imagen ; toxicología ; propiedades de materiales ; hematología

Knowledge area: Física de la materia condensada

Department: Física de la Materia Condensada

Nota: Presentado: 18 03 2014

Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Física de la Materia Condensada, 2014