Diseño y caracterización de nanobioconjugados. Nuevos elementos en la construcción de interfases biológicas

Abstract

Los grandes avances científicos en las dos últimas décadas en el campo de la Nanociencia han propiciado el interés por la utilización de los nanomateriales (NMs) en diversas áreas. Uno de los campos en el que se presume que estos NMs van a tener una gran aplicación es el de la Biomedicina. Las propiedades fisicoquímicas únicas que presentan estos sistemas los hace prometedores no solo en terapias, donde se tratan de aplicar como sistemas de distribución controlada de fármacos o agentes fototérmicos, sino también en diagnóstico, debido a sus propiedades como agentes de contraste en imagen. Todo ello ha dado lugar a una nueva disciplina, la Teragnóstica. Sin embargo, antes de que esto sea posible será necesario superar algunas barreras, siendo una de las más importantes, el conocimiento y control de la interfase entre los NMs y los sistemas biológicos, lo que ha venido en llamarse, interfase nano-bio. Es, precisamente, en este aspecto, donde se centra la presente Tesis Doctoral. A la vista de las evidencias recientes sobre la existencia de la corona de proteínas, la película de material biológico, fundamentalmente proteínas, que rodean a los NMs, cuando se ponen en contacto con los sistemas biológicos, parece interesante abordar el estudio de la formación, estructura, función e interacciones que muestran estas entidades. Los estudios que se presentan en esta memoria están basados en nanopartículas de oro de diferente tamaño y forma. La elección de oro como material de base se hace por su biocompatibilidad contrastada y su capacidad para generar NMs de diversa morfología. Una primera cuestión a tener en cuenta antes de buscar aplicaciones es conocer el comportamiento de los NMs sintetizados en medios acuosos, enfocando principalmente en la estabilidad de las dispersiones que forman. El material prístino que se obtiene se encuentra protegido por una capa molecular o película cuya naturaleza depende de la metodología de síntesis empleada. Este punto marca la necesidad de dotar a estos NMs de la capa molecular funcional apropiada que, en la mayoría de los casos y por diversas razones, no es la que poseen en tal estado prístino. Así, la segunda cuestión que se aborda en el presente trabajo es la funcionalización superficial de los NMs con las películas moleculares adecuadas y la caracterización de las mismas tanto estructuralmente como desde el punto de vista de la estabilidad que confiere a los NMs en disolución. La tercera cuestión que se plantea es el estudio de la formación y caracterización de la corona de proteínas que se puede establecer con los NMs obtenidos. Para ello, se ha utilizado la proteína hemoglobina, tanto por su presencia en el fluido sanguíneo, como por sus propias características fisicoquímicas. El enfoque de este estudio se hace desde un punto de vista fisicoquímico, contando para ello con un abanico de metodologías de síntesis y funcionalización y de técnicas instrumentales que van desde la microscopia a las espectroscópicas, así como las técnicas electroquímicas.

The great scientific advances in the last two decades in the field of Nanoscience have led to the interest in the use of nanomaterials (NMs) in various areas. One of the fields in which these NMs are going to have a great application is that of biomedicine. The unique physicochemical properties presented by these systems make them promising not only in therapies, where they try to apply as controlled distribution systems of drugs or photothermic agents, but also in diagnosis, due to their properties as contrast agents in image. All this has given rise to a new discipline, the Theragnosis. However, before this is possible, it will be necessary to overcome some barriers, being one of the most important, the knowledge and control of the interface between the NMs and the biological systems, what has come to be called, nano-bio interface. It is precisely in this aspect, where the present Doctoral thesis is focused. In view of the recent evidence about the existence of the protein corona, the film of biological material, mainly proteins, that surround the NMs, when they come into contact with biological systems, it seems interesting to study the formation, structure, function and interactions that these entities can show. The studies presented in this Thesis are based on gold nanoparticles of different size and shape. The choice of gold as base material is made by its proven biocompatibility and its ability to generate NMs of diverse morphology. A first issue to consider before looking for applications is to know the behavior of the NMs synthesized in aqueous media, focusing mainly on the stability of the dispersions they form. The pristine material, that is obtained, is protected by a molecular layer or film whose nature depends on the synthesis methodology used. This point marks the need to endow these NMs with the appropriate functional molecular layer, which, in most cases and for various reasons, is not what they possess in such a pristine state. Thus, the second issue addressed in the present work is the surface functionalization of the NMs with the appropriate molecular films and the characterization of them, both structurally and from the point of view of the stability that confers NMs in solution. The third question that arises is the study of the formation and characterization of the protein corona that can be established with the NMs obtained. For this purpose, hemoglobin protein has been used, both for its presence in the bloodstream and for its own physicochemical characteristics. The focus of this study is from a physicochemical point of view, counting with a rango of methodologies of synthesis and functionality and instrumental techniques ranging from microscopy to spectroscopy, as well as electrochemical techniques.