Demuestran por primera vez que las nanopartículas pueden cruzar membranas de forma espontánea en milisegundos

Los nanomateriales forman parte de la mayor parte de los productos que utilizamos en nuestra vida diaria: desde los cosméticos (cremas, dentífricos, champús…) hasta los alimentos (azúcar, sal…), pasando por la ropa, los edificios de hormigón, las pinturas, los neumáticos, los aceites, los productos electrónicos (teléfonos inteligentes, pantallas…) o los productos farmacéuticos (medicamentos, imágenes médicas…).

Un reciente informe de la OCDE indica que las nanopartículas están presentes en más de 1.300 productos comerciales, cuya toxicidad potencial para las personas, los animales y el medio ambiente se ignora. La ausencia de instrumentos fiables para monitorizar objetos de escala nano y el elevado número de mecanismos de posible toxicidad conducen a regulaciones controvertidas: por ejemplo, las nanopartículas presentes en las cremas no atraviesan la piel, pero pueden entrar en el cuerpo a través de los pulmones o de las capas mucosas. Y es que forma como las nanopartículas interactúan con los tejidos y las barreras humanas, incluidas las membranas celulares, aún no se conoce lo suficiente. Una de las razones es la enorme dificultad para visualizar las nanopartículas de forma individual. De hecho, los nanoobjetos se sitúan por debajo del límite de difracción y, por tanto, de la capacidad de los microscopios ópticos. Como consecuencia, se han tenido que diseñar técnicas especiales y originales que faciliten la observación de los acontecimientos en el mundo submicrométrico. Otra dificultad relacionada con las partículas minúsculas reside en que estas se mueven muy rápido y en que los procesos asociados a ellas duran apenas unas fracciones de segundo; por tanto, las medidas también tienen que ser rápidas.

Partiendo de estas preocupaciones, el equipo de investigación de física teórica de la Universitat Rovira i Virgili dirigido por el Dr. Vladimir Baulin, perteneciente al grupo de investigación “COMPLEX S: Molecular Simulation I: Complex Systems”, del Departamento de Ingeniería Química, y coordinador de la Red Europea de ITN SNAL (http://itn-snal.net/), diseñó un proyecto para investigar la interacción entre las nanopartículas y las membranas lipídicas. En las simulaciones por ordenador, los investigadores crearon en primer lugar una “bicapa perfecta”, en la cual todas las colas de lípidos permanecen en su lugar dentro de la membrana. A partir de sus cálculos, el equipo del Dr. Baulin observó que las pequeñas nanopartículas hidrófobas —que repelen el agua— se pueden insertar en la bicapa lipídica, si su tamaño es similar al espesor de la membrana (alrededor de 5 nanómetros). Observaron que estas nanopartículas permanecen atrapadas en la membrana celular, como es comúnmente aceptado por la comunidad científica.

La sorpresa ha saltado al estudiar el caso de las nanopartículas superhidrófobas, pues estas no solo se pueden insertar en la membrana de la célula, sino que, además, pueden escapar de ella de forma espontánea. “Es generalmente aceptado que, cuanto más pequeño es un objeto, más facilidad tiene para cruzar barreras. Aquí hemos visto el escenario contrario: nanopartículas de más de 5 nanómetros pueden cruzar la bicapa de manera espontánea”, apunta Baulin.

Fue en este punto cuando el equipo de la URV entró en contacto con un equipo de investigación dirigido por el Dr. Jean-Baptiste Fleury, de la Saarland University (Alemania), para confirmar este mecanismo y estudiar experimentalmente este fenómeno único, en que se observa este desplazamiento de la nanopartícula. Con este propósito diseñaron un experimento de microfluidos para formar sistemas bicapa de fosfolípidos, que se pueden considerar membranas de células artificiales. Con esta configuración experimental, exploraron la interacción de las nanopartículas individuales con este tipo de membrana artificial. Las nanopartículas de oro utilizadas tenían una monocapa de lípidos adsorbidos que garantizaba su dispersión estable y evitaba su agrupación. Utilizando una combinación de microscopia de fluorescencia óptica y mediciones electrofisiológicas, el equipo del Dr. Fleury podría seguir las partículas individuales que cruzan una bicapa y seguir su camino a nivel molecular.

Tal como predecían las simulaciones, se observó que las nanopartículas se insertan en la bicapa mediante la disolución de su recubrimiento de lípidos en la membrana artificial. Las nanopartículas con un diámetro igual o superior a 6 nanómetros (la extensión característica de una bicapa) son capaces de escapar de la bicapa de nuevo en muy pocos milisegundos, mientras que las nanopartículas más pequeñas permanecen atrapadas en el núcleo de la bicapa.

El descubrimiento del cruce rápido de pequeñas nanopartículas de oro a través de células de barrera protectoras, como la bicapa lipídica, puede plantear problemas de seguridad de los nanomateriales para el público y sugiere la necesidad de revisar las normas de seguridad a escala nanométrica y de llamar la atención sobre la seguridad de los nanomateriales en general.

Referencia bibliográfica: Yachong Guo, Emmanuel Terazzi, Ralf Seemann, Jean Baptiste Fleury, Vladimir A. Baulin, “Direct proof of spontaneous translocation of lipid-covered hydrophobic nanoparticles through a phospholipid bilayer”. Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.1600261