Sistemas nanoparticulados integrados de dióxido de silicio: plataformas de diagnóstico y tratamiento

Abstract

El diseño avanzado de sistemas nanoparticulados permite elaborar sistemas químicos integrados donde convergen distintos componentes: metales, óxidos inorgánicos y semiconductores junto con biopolímeros, enzimas o hidratos de carbono. Compatibilizar distintos materiales en entidades funcionales dispersas abre una interesante perspectiva para el desarrollo de sistemas nanoscópicos y microscópicos destinados al tratamiento y diagnóstico de enfermedades (teranóstica), entre otras aplicaciones. El trabajo de investigación que se presenta en esta tesis incluyó en una primera parte el desarrollo de la síntesis orgánica de una molécula de la familia de las aminotricarbocianinas (Cy-PIP) cuya emisión de fluorescencia es función del pH del medio. Cy-PIP es un sensor molecular de pH con marcada sensibilidad en el rango de pH fisológico (6-8) y su propiedad distintiva es que absorbe y emite luz en la región del IR cercano del espectro electromagnético (650-950 nm, NIR). La luz de NIR conforma una “ventana biológica” apta para realizar detección no invasiva de moléculas in vivo. Luego se sintetizaron nanopartículas de SiO2 (NP) funcionalizadas para la unión posterior de Cy-PIP a la superficie. Así, se logró desarrollar un nanosensor fluorescente de pH que opera en el NIR (Cy-PIP@SiO2) y cuyo pKa es cercano al pH fisiológico. Con el objetivo de emplear estas NP en sistemas biológicos, se evaluó la respuesta de emisión de fluorescencia en células de la línea HeLa, in vitro e in vivo. Se observó que el cambio de pH que implica el proceso de endocitosis puede ser estudiado mediante la utilización del nanosensor, en las condiciones de trabajo ensayadas. En una segunda parte, se exploró la incorporación de azul de metileno (MB) a NP de sílice por diversos métodos de síntesis y se estudió su capacidad de generación de 1O2 con el objeto de establecer plataformas para fototerapia. Por otra parte, se estudió la incorporación simultánea de dos sondas fluorescentes (de visible y de NIR) en el mismo nano-objeto, para construir nanosensores autoreferenciados de pH. Todos los resultados obtenidos en este trabajo de tesis han permitido desarrollar una plataforma de síntesis reproducible de NP fluorescentes de SiO2 que pueden diseñarse de manera específica de acuerdo a la aplicación proyectada. Más aún, la plataforma resulta muy promisoria para el desarrollo de nanosensores que además lleven funciones químicas específicas para el reconocimiento por receptores celulares y/o que, ante ciertas señales del entorno logren disparar acciones específicas (p.ej. liberación controlada de moléculas como respuesta a estímulos enzimáticos o celulares).

The advanced design of nano-particulate systems allows the elaboration of chemical systems where different components converge: metals, inorganic oxides and semiconductors together with biopolymers, enzymes or carbohydrates. Compatibilize different materials in scattered functional entities opens up an interesting perspective for the development of nanoscopic and microscopic systems intended for the treatment and diagnosis of diseases (theranostics), among other applications. In this work we firstly developed the organic synthesis of a novel aminotricarbocyanine (Cy-PIP) whose fluorescence emission changes with pH. Cy-PIP is a molecular pH sensor with marked sensitivity in the physiological pH range (6-8) and it is outstanding because it absorbs and emits light in the NIR region (650-950 nm). NIR light establishes a “biological window” suitable for non-invasive detection of molecules in vivo. Then, Cy-PIP was covalently attached to the surface of conveniently functionalized nano-SiO2. Thus, we reported the development of a fluorescent pH nanosensor operating in the NIR region (Cy-PIP@SiO2) and whose pKa is close to physiological pH. We also evaluated the fluorescence emission response of CyPIP@SiO2 in HeLa cells, both in vitro and in vivo. It was observed that the change in pH involved in the process of endocytosis could be studied by using our nanosensor. In a second part, the encapsulation of methylene blue (MB) into silica NP was explored and its 1O2 generating capacity was studied in order to establish phototherapy platforms. Furthermore, the incorporation of two fluorescent probes (visible and NIR) in the same nano-object was studied, so as to build ratiometric pH nanosensors. All the results obtained in this thesis work have made it possible to develop a platform for reproducible synthesis of fluorescent SiO2 NP according to the projected application. Moreover, the platform is very promising for the development of advanced nanosensors (with specific chemical functions for recognition by cellular receptors).