Simulan una membrana de hidrogel para encapsular nanopartículas con fármacos y dirigirlas dentro del organismo

Un equipo de investigación internacional compuesto por científicos de la Universidad de Málaga, el Instituto Jožef Stefan (Eslovenia), la Universidad de Freiburg (Alemania) y el Instituto Coreano de Estudios Avanzados (Corea del Sur) ha simulado una membrana de hidrogel para encapsular nanopartículas con fármacos y dirigirlas dentro del organismo.

Para diseñar este material, los expertos probaron distintas combinaciones de átomos y moléculas hasta encontrar una composición química que les permitiera controlar, a través de los cambios de temperatura, la permeabilidad de la membrana. Esto es, la capacidad del material para abrir y cerrar sus poros, permitiendo así la salida de la medicación de contiene sin dañar zonas sanas. Los resultados aportan una base teórica para el futuro desarrollo de este recubrimiento.

El material que han simulado los investigadores tendría la misma función que la membrana del huevo de un anfibio, que contiene una masa gelatinosa y al embrión. En el caso del hidrogel diseñado por este equipo de investigación, la membrana funcionaría como una cápsula que contiene medicación y una nanopartícula. Ésta última, al ser metálica, puede dirigirse a través de un sistema de imanes a zonas específicas del organismo. Una vez allí, se aplicaría calor para que la membrana abriera sus poros y liberara así los fármacos que contiene.

La simulación mediante programas informáticos permite a los investigadores recrear cómo actuaría la membrana que han diseñado átomo a átomo, en el interior del organismo bajo circunstancias como los cambios de temperatura. De este modo, los expertos analizan el material en detalle y obtienen información sobre cómo funcionaría en situaciones reales.

Polímeros y agua

El funcionamiento de estas nanopartículas se detalla en el estudio titulado ‘How the shape and chemistry of molecular penetrants control responsive hydrogel permeability’ y publicado por ACS Nano, donde los científicos explican que estudiaron cómo controlar las reacciones químicas que ocurren dentro de los hidrogeles. “En concreto, intentamos diseñarlo con las mismas funciones que las enzimas artificiales. Éstas emulan la actividad de las naturales y, una vez aplicadas a ciertas sustancias, pueden descomponer toxinas dañinas para el organismo”, explica a la Fundación Descubre el investigador de la Universidad de Málaga Rafael Roa.

En el centro, nanopartícula de oro recubierta por la membrana de hidrogel.

Los científicos añaden que el material empleado para formular la membrana es el PNIPAM. Está formado por conexiones de polímeros y altas concentraciones de agua, por lo que posee la misma textura y viscosidad que la gelatina y, además, es sensible a la temperatura. El material desarrollado por los expertos tendría forma esférica y sería ochenta veces más pequeño que la punta de un cabello. “Al calentarlo y en función del líquido que contenga, al material se le abren poros diminutos por los que penetra el producto hasta la zona del organismo afectada. Cuando baja la temperatura, el polímero vuelve a cerrarse y es impenetrable”, detalla Rafael Roa.

Los investigadores explican que el PNIPAM lleva cuarenta años utilizándose de manera experimental, pero hay pocas aportaciones teóricas que complementen esos estudios. Esta investigación aporta una base sólida de información para el futuro desarrollo de esta membrana.

Con el PNIPAM como base, los investigadores probaron a través de un programa informático distintas combinaciones de moléculas de agua y átomos como el hidrógeno o el carbono para simular las reacciones de la membrana ante distintos estímulos como los cambios de temperatura del cuerpo humano o los compuestos de las medicinas. “La dificultad de estas simulaciones reside en el nivel de detalle, dado que hemos tenido que comprobar átomo a átomo cuál es la combinación más adecuada para que la membrana funcione de la manera deseada. Además, sirven para aplicarlas en ensayos más amplios”, comenta Rafael Roa.

Actualmente, los científicos del Grupo de Investigación para Simulaciones de Materiales en Aplicaciones Energéticas (Research Group for Simulations of Energy Materials) están realizando simulaciones a mayor escala para ampliar los estudios teóricos sobre el PNIPAM y sus aplicaciones como biosensor; es decir, como complemento a las nanopartículas que detectan de manera selectiva sustancias químicas. Una vez desarrollado, podría emplearse en industrias como la alimentaria o la médica, entre otras.

Copa de Licurgo, perteneciente a la Roma del siglo IV d.C. y creada con nanopartículas de oro y plata que hacen que cambie de color según la luz que reciba.

Además, en futuras líneas de investigación los científicos analizarán métodos para degradar las membranas tras ser ingeridas a través de enzimas naturales, de manera que puedan retirarse del organismo de forma segura.

Este proyecto ha sido financiado por el programa de investigación Horizonte 2020 del Consejo Europeo de Investigación, la Fundación Alemana de Investigación Científica, la Agencia de Investigación Eslovena y una subvención del Instituto Coreano de Estudios Avanzados.

Referencias

Kanduč, M.; Kim, W.K.; Roa, R.; Dzubiella, J. (2021). ‘How the shape and chemistry of molecular penetrants control responsive hydrogel permeability’. ACS Nano, 15, 614-624.