LipoBots: nanomotores más robustos para aplicaciones biomédicas desarrollados con tecnología de encapsulación

Investigadores del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) y del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) desarrollan un nuevo tipo de nanomotores enzimáticos encapsulados.

Los denominados LipoBots, que podrían utilizarse en aplicaciones médicas. Los LipoBots son capaces de autopropulsarse y de conservar su funcionalidad enzimática en condiciones parecidas a las del estómago humano.

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Imágenes de microscopía confocal de LipoBots (LB), que comprenden la enzima ureasa en la superficie exterior (izquierda) o en el compartimento interior (derecha).

Los nanomotores catalíticos, que son nanoestructuras capaces de recolectar energía química de su entorno y usarla para moverse, están demostrando un gran potencial para aplicaciones biomédicas. Estos nanomotores, o nanopartículas autopropulsadas, son capaces de “encenderse” y empezar a moverse en un fluido, utilizando diversas biomoléculas como combustible. Este mecanismo de propulsión permite que los nanomotores se difundan en volúmenes más grandes en comparación con sus contrapartes pasivas y, por lo tanto, alcancen fácilmente un objetivo específico, penetren en los tejidos y realicen la administración de fármacos con un mejor rendimiento.

Las enzimas, moléculas orgánicas que aceleran la velocidad de una reacción bioquímica, son candidatas ideales para actuar como fuentes de energía catalítica para estos nanomotores pensados para el ámbito de la nanobiomedicina, ya que son muy diversas, específicas de sustrato y, sobre todo, están presentes en todas partes del cuerpo humano. Sin embargo, en los organismos vivos, estas nanoestructuras impulsadas por enzimas pueden estar expuestas a condiciones adversas, como fuertes variaciones del pH, que podrían comprometer tanto su movimiento como sus funcionalidades químicas.

Ahora, un equipo de investigadores del Grupo de Investigación IBEC de Nano Dispositivos Biológicos Inteligentes, liderados por el Profesor de Investigación ICREA Samuel Sánchez, y del grupo ICN2 Supramolecular Nanochemistry and Materials, liderado por el Profesor ICREA Daniel Maspoch, han desarrollado nanomotores enzimáticos autopropulsados que conservan sus funcionalidades tras ser expuestos a distintos pH ácidos gracias a la encapsulación enzimática. Los investigadores del IBEC y del ICN2 han demostrado, tal y como se describe en un artículo publicado recientemente en Advanced Functional Materials, la validez de este enfoque con un nuevo tipo de nanomotores, llamados LipoBots (LBs), impulsados ​​por la enzima ureasa.

Los autores de este estudio desarrollaron nanoestructuras funcionales en las que las enzimas que proporcionan el combustible para el movimiento – moléculas de ureasa, en este caso – están encapsuladas en un liposoma, es decir, una vesícula esférica que tiene una superficie lipídica de al menos dos capas (LipoBots-Inside, LB-I). Con fines comparativos, también sintetizaron otro tipo de nanomotores, en los que las enzimas ureasa se unen a la superficie externa del liposoma (LipoBots-Outside, LB-O).

Los investigadores observaron que, mientras que los LB-O se difunden de forma autónoma en el medio ambiente gracias a la ureasa en el exterior de las vesículas, los LB-I no exhiben propiedades de autopropulsión. Sin embargo, esta funcionalidad se puede recuperar introduciendo desoxicolato de sodio, un componente de las sales biliares, en el entorno donde se espera que se muevan los LB-I.

Los investigadores estudiaron las consecuencias de la exposición a condiciones ambientales adversas incubando los dos tipos de nanomotores en un medio ácido de pH 3 y 5 (posibles valores del pH del estómago humano) durante 1 hora. Esta prueba reveló que tanto la capacidad de autopropulsión como la actividad enzimática de los LipoBots que tienen la ureasa en la superficie se perdieron por completo. Por el contrario, en los LB-I se protegió la ureasa encapsulada de los efectos del ambiente ácido, por lo que los nanomotores mantuvieron su actividad enzimática. Además, su movimiento activo aún podría activarse agregando desoxicolato de sodio.

Esta investigación abre el camino a la aplicación de LipoBots encapsulados al desarrollo de nuevos sistemas activos de administración de fármacos. Dado que sus funcionalidades enzimáticas se conservan después de la exposición a un entorno hostil y su movimiento se activa in situ, estos nanomotores basados ​​en liposomas podrían usarse, por ejemplo, en el tracto gastrointestinal, donde las sales biliares están presentes de forma natural en el intestino.

Artículo de referencia:

Ana C. Hortelão, Sonia García‐Jimeno, Mary Cano‐Sarabia, Tania Patiño, Daniel Maspoch, and Samuel Sánchez, LipoBots: Using Liposomal Vesicles as Protective Shell of Urease‐Based Nanomotors, Adv. Funct. Mat., August 2020.