Nanomateriales magnéticos de alta eficiencia que no comprometen la seguridad biológica
Las nanoenzimas magnéticas a base de óxido de hierro representan una nueva clase de enzimas artificiales que imitan a la perfección a las enzimas naturales y, además, conservan la capacidad particular de ser fácilmente guiadas y recuperadas mediante campos magnéticos externos. Sin embargo, predecir y controlar su selectividad, robustez, reproducibilidad y seguridad biológica en entornos reales supone un reto. Con financiación de las Acciones Marie Skłodowska-Curie(se abrirá en una nueva ventana), se puso en marcha el proyecto NESTOR(se abrirá en una nueva ventana) para abordar este cuello de botella. «En lugar de limitarnos a sintetizar diferentes materiales de nanopartículas para optimizar propiedades individuales, nos centramos en aprender a diseñar superficies de óxido de hierro de tal forma que la actividad catalítica, la respuesta magnética y la seguridad biológica pudieran controlarse dentro de una única plataforma de materiales», señala el coordinador del proyecto, Gerardo F. Goya.
De los ensayos empíricos a un plan de diseño
Para lograrlo, el equipo de NESTOR hizo que el campo de las nanoenzimas pasara de un planteamiento puramente empírico, basado en el ensayo y el error, a un marco del mecanismo sólido. El estudio reveló cómo las características de la superficie de una nanopartícula (carga atómica, defectos, recubrimientos y calentamiento magnético) determinan las vías químicas que utiliza para generar o destruir moléculas reactivas. Entre los tipos específicos de reacciones químicas estudiadas se incluyen procesos similares a los de Fenton, a los de la peroxidasa y a los de la catalasa. Esta comprensión es importante, ya que un mismo material puede comportarse de forma muy diferente en función del pH, la aglutinación o el entorno biológico circundante. Al comparar cómo los cambios en la distribución de cationes, el estado redox y la estructura superficial afectan al rendimiento y a la respuesta biológica, el equipo pudo predecir comportamientos que antes resultaban totalmente inesperados. «Nos dimos cuenta desde el principio de que una mayor actividad catalítica no siempre es mejor. Dado que el estrés oxidativo es un mecanismo de doble filo, puede aprovecharse para la acción antimicrobiana, la remediación medioambiental y los tratamientos relacionados con el cáncer, pero debe controlarse cuidadosamente para evitar daños celulares no deseados», explica G. Goya. «Para lograr un equilibrio realista y seguro entre el rendimiento químico y la biocompatibilidad, evaluamos sistemáticamente la citotoxicidad y la genotoxicidad en modelos “in vitro” avanzados». Para definir este equilibrio, los investigadores combinaron estas pruebas biológicas con técnicas avanzadas de caracterización, como la microscopía electrónica de alta resolución, el análisis espectroscópico y la magnetometría. También utilizaron un planteamiento en varios niveles, en el que se evaluó la capacidad de las partículas para generar o modular especies reactivas de oxígeno en distintos niveles de complejidad, desde ensayos catalíticos básicos y detección de radicales libres hasta pruebas en el interior de células vivas.
Una visión global de las nanopartículas
«El principal valor de NESTOR es que ha establecido un vínculo entre la físico-química de las nanopartículas magnéticas y sus consecuencias biológicas. Hemos podido considerar las nanoenzimas no solo como catalizadores, sino como materiales cuyas propiedades superficiales, magnéticas y toxicológicas deben diseñarse de forma conjunta», señala el coordinador. G. Goya explica también que la superficie de una nanopartícula actúa como una matriz densa y magnéticamente direccionable de sitios redox activos. Al ajustar el estado de la superficie del óxido de hierro, los investigadores pueden controlar cómo se transfieren los electrones a las especies reactivas. «Dado que estas nanoenzimas son magnéticas, pueden activarse, guiarse, separarse y reutilizarse mediante campos externos. Esto les confiere una ventaja práctica enorme frente a muchos catalizadores convencionales en el ámbito sanitario, el tratamiento ambiental del agua y la biotecnología industrial», añade.
Ampliar la producción y forjar nuevas colaboraciones
Los próximos pasos se centrarán en ampliar la producción de material, normalizar los parámetros de actividad de las nanoenzimas y avanzar en las validaciones preclínicas. «Quizá el legado más duradero de NESTOR sea su espíritu de colaboración. La gran calidad humana y la sinergia interdisciplinaria de los socios ayudaron a superar complejos obstáculos administrativos, al tiempo que dieron lugar a al menos siete nuevos proyectos de colaboración», concluye G. Goya.
