Los ingenieros del MIT crearon simulaciones de cómo una nanopartícula de oro recubierta con moléculas especiales puede penetrar una membrana. A la izquierda la partícula (arriba) hace contacto con la membrana. A la derecha, se ha fusionado con la membrana. Crédito:Reid Van Lehn
Una clase especial de diminutas partículas de oro puede deslizarse fácilmente a través de las membranas celulares, haciéndolos buenos candidatos para administrar medicamentos directamente a las células diana.
Un nuevo estudio de científicos de materiales del MIT revela que estas nanopartículas ingresan a las células aprovechando una ruta normalmente utilizada en la fusión vesícula-vesícula. un proceso crucial que permite la transmisión de señales entre neuronas. En la edición del 21 de julio de Comunicaciones de la naturaleza , los investigadores describen en detalle el mecanismo por el cual estas nanopartículas son capaces de fusionarse con una membrana.
Los hallazgos sugieren posibles estrategias para diseñar nanopartículas, hechas de oro u otros materiales, que podrían ingresar a las células aún más fácilmente.
"Hemos identificado un tipo de mecanismo que podría ser más frecuente de lo que se conoce actualmente, "dice Reid Van Lehn, un estudiante graduado del MIT en ciencia e ingeniería de materiales y uno de los autores principales del artículo. "Al identificar esta vía por primera vez, también sugiere no solo cómo diseñar esta clase particular de nanopartículas, pero que esta vía también podría estar activa en otros sistemas ".
La otra autora principal del artículo es Maria Ricci de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suiza. El equipo de investigación dirigido por Alfredo Alexander-Katz, un profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales, y Francesco Stellacci de EPFL, También incluyó a científicos del Instituto de Neurología Carlos Besta en Italia y de la Universidad de Durham en el Reino Unido.
La mayoría de las nanopartículas ingresan a las células a través de la endocitosis, un proceso que atrapa las partículas en compartimentos intracelulares, que puede dañar la membrana celular y hacer que el contenido de la célula se escape. Sin embargo, en 2008, Stellacci, que estaba entonces en el MIT, y Darrell Irvine, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y de ingeniería biológica, descubrió que una clase especial de nanopartículas de oro recubiertas con una mezcla de moléculas podía ingresar a las células sin ninguna interrupción.
"¿Por qué estaba pasando esto? o cómo estaba pasando esto, era un completo misterio, "Dice Van Lehn.
El año pasado, Alexander-Katz, Van Lehn, Stellacci, y otros descubrieron que las partículas de alguna manera se fusionaban con las membranas celulares y eran absorbidas por las células. En su nuevo estudio, crearon simulaciones atomísticas detalladas para modelar cómo sucede esto, y realizó experimentos que confirmaron las predicciones del modelo.
Entrada sigilosa
Las nanopartículas de oro que se utilizan para la administración de fármacos suelen estar recubiertas con una fina capa de moléculas que ayudan a afinar sus propiedades químicas. Algunas de estas moléculas, o ligandos, tienen carga negativa y son hidrofílicos, mientras que el resto son hidrofóbicos. Los investigadores encontraron que la capacidad de las partículas para ingresar a las células depende de las interacciones entre los ligandos hidrófobos y los lípidos que se encuentran en la membrana celular.
Las membranas celulares consisten en una doble capa de moléculas de fosfolípidos, que tienen colas lipídicas hidrofóbicas y cabezas hidrofílicas. Las colas de lípidos se enfrentan entre sí, mientras que las cabezas hidrofílicas miran hacia afuera.
En sus simulaciones por computadora, los investigadores primero crearon lo que ellos llaman una "bicapa perfecta, "en el que todas las colas lipídicas permanecen en su lugar dentro de la membrana. En estas condiciones, los investigadores encontraron que las nanopartículas de oro no podían fusionarse con la membrana celular.
Sin embargo, si la membrana modelo incluye un "defecto", una abertura a través de la cual pueden deslizarse las colas de lípidos, las nanopartículas comienzan a ingresar a la membrana. Cuando se producen estas protuberancias de lípidos, los lípidos y las partículas se adhieren entre sí porque ambos son hidrofóbicos, y las partículas son engullidas por la membrana sin dañarla.
En membranas celulares reales, estas protuberancias ocurren al azar, especialmente cerca de sitios donde las proteínas están incrustadas en la membrana. También ocurren con más frecuencia en secciones curvas de membrana, porque es más difícil para las cabezas hidrofílicas cubrir completamente un área curva que una plana, dejando espacios para que sobresalgan las colas lipídicas.
"Es un problema de empaque, "Dice Alexander-Katz." Hay un espacio abierto donde pueden salir colas, y habrá contacto con el agua. Simplemente hace que sea 100 veces más probable que una de estas protuberancias salga en regiones muy curvadas de la membrana ".
Imitando la naturaleza
Este fenómeno parece imitar un proceso que ocurre naturalmente en las células:la fusión de vesículas con la membrana celular. Las vesículas son pequeñas esferas de material similar a una membrana que transportan cargas como neurotransmisores u hormonas.
La similitud entre la absorción de vesículas y la entrada de nanopartículas sugiere que las células donde ocurre una gran cantidad de fusión de vesículas de forma natural podrían ser buenos objetivos para la administración de fármacos mediante nanopartículas de oro. Los investigadores planean analizar más a fondo cómo la composición de las membranas y las proteínas incrustadas en ellas influyen en el proceso de absorción en diferentes tipos de células. "Queremos comprender realmente todas las limitaciones y determinar cómo podemos diseñar mejor nanopartículas para apuntar a tipos de células particulares". o regiones de una celda, "Dice Van Lehn.
"Se podrían usar los resultados de este documento para pensar en cómo aprovechar estos hallazgos en vehículos mejorados de distribución de nanopartículas, por ejemplo, tal vez se podrían diseñar nuevos ligandos de superficie para nanopartículas para tener una afinidad mejorada tanto para los grupos de superficie como para las colas de lípidos, "dice Catherine Murphy, profesor de química en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign que no participó en el estudio.
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
