Toxicidad de nanoentidades

1. Toxicidad de nanoentidades Mercedes Perullini Universidad de Buenos Aires DQIAQF-INQUIMAE, Facultad de Ciencias Exactas y NaturalesLaboratorio de Superficies y Materiales Funcionales

2. Organización de la presentación • Nanoentidades - propiedades • Interacción de nanoentidades • a nivel celular • a nivel del individuo • a nivel de poblaciones • Evaluación de biocompatibilidad • Riesgos para la salud humana

3. Nanoentidades Poseen al menos una dimensión en la Nanoescala

4. Toxicidad de Nanoentidades Además de la composición es necesario tener en cuenta propiedades derivadas de su tamaño y forma

5. Nanoentidades Liposomas o micelas Son los sistemas más estudiados, suelen ser biodegradables (ventaja desde el punto de vista de la citotoxicidad; desventaja desde el punto de vista de la estabilidad y la posibilidad de liberación controlada) • Partículas homogéneas • Composición química • Core-shell • Derivatización en superficie • interacciones específicas • Rugosidad / defectos • Densidad / dimensión fractal • NPs poliméricas / liposomas o micelas / NPs rígidas • Carga superficial (tendencia a la agregación) • Tamaño / curvatura (estabilidad termodinámica) • Forma • Nanopartículas / Nanorods / Nanoplatos Nanopartículas poliméricas Sistemas formados por cross-linking o recubrimiento superficial de distintos polímeros/co-polímeros de bloque. Sus propfco-qcas pueden ser tuneadas para regular su estabilidad y la posibilidad de liberación de la enzima encapsulada => posible liberación controlada Nanopartículas rígidas Ofrecen posibilidad de funcionalización superficial para incluir ligandos específicos permitiendo la direccionalización a células blanco y/o a organelassubcelulares específicas.

6. Interacción de nanoentidadesa nivel celular Ingreso directo (pasivo) Transporte indirecto (endocitosis) Membrana plasmática

7. Mecanismo de endocitosis mediada por receptor Fig. 2. (a) An initially flat membrane containing diffusive receptor molecules wraps around a ligand-coated particle. (b) The receptor density distribution in the membrane becomes nonuniform upon ligand-receptor binding; the receptor density is depleted in the near vicinity of the binding area and induces diffusion of receptors toward the binding site. Fig. 1. The life cycle of an animal virus. (a) Adsorption or docking with the host receptor protein. (b) Entry into the host cytoplasm. (c) Biosynthesis of viral components. (d) Assembly of viral components into complete viral units. (e) Budding from the host cell.

8. Mecanismo de endocitosis mediada por receptor Célulaspresentadoras de antígeno Macrófago o céluladendrítica Microorganismo Procesamiento del antígeno Presentación del antígeno Células fagocíticas (capaces de endocitar microorganismos y partículas micrométricas)

9. Interacción de nanoentidadesa nivel celular Modelo del mosaico fluido LA MEMBRANA CELULAR NO ES RÍGIDA NI UNIFORME composición fosfolipidica proteínas integrales de membrana

10. Interacción de nanoentidadesa nivel celular Interacción con la membrana plasmática

11. Interacción de nanoentidades a nivel celular • Rugosidad superficial • Presencia de dominios hidrofóbicos • Carga superficial (+) • Interacciones específicas • Tamaño de partícula • rugosidad • grado de curvatura (NP) • parche (membrana)

12. Ingreso y recorrido intracelular Gratton et al., PNAS, 2008, 105, 11613-11618

13. Ingreso y recorrido intracelular

14. Principales mecanismos de citotoxicidad Adsorción de macromoléculas Tendencia a generar alrededor de la NP una “corona proteica” (efectos adversos x desnaturalización de proteínas /pérdida de actividad enzimática) Estrés oxidativo Interferencia con el mecanismo de defensa antioxidante, generando ROS e iniciando rta. inflamatoria y/o perturbación de mitocondrias causando apoptosis o necrosis Disolución de NP Liberación de iones o especies solubles a partir de su material de formación si las condiciones termodinámicas favorecen su disolución en el medio biológico Nanomaterials in Life. A Danger or a Promise? A Chemical and Biological Perspective”. Capítulo “Cerium oxide NPs: structure, applications, reactivity and eco-toxicology”, ISBN: 978-1-4471-4212-6, Springer, 2011.

15. Mecanismos de ingreso Gran parte de los mecanismos de ingreso son vía folículo piloso. Mecanismos de ingreso en piel Piel sana vs piel dañada Sería interesante contar con datos de tipos de lesiones/daños esperados

16. Mecanismos de ingreso en piel Skin Penetration and Cellular Uptake of Amorphous Silica Nanoparticles with Variable Size, Surface Functionalization, and Colloidal Stability ACS Nano, vol. 6, 6829-6842 (2012) Utilization of biodegradable polymeric materials as delivery agents in dermatology Clinical, Cosmetic and InvestigationalDermatology, vol. 7, 23-34 (2014)

17. Interacción de NEs a nivel de individuo

18. Interacción de NEs a nivel de individuo

19. Interacción de NEs a nivel de poblaciones

20. Evaluación de riesgos

21. Evaluación de riesgos

22. Evaluación de riesgos

23. Evaluación de nanotoxicidad Modelos predictivos Estrés oxidativo

24. S. cerevisiae Hsp12-GFP Procesamiento de imágenes de Microscopía confocal Curva de Referencia http://rsb.info.nih.gov/ij/download.html Nivel de estrés causado por sodio Medición del estrés – Expresión de genes relacionados con respuesta a estrés Perullini, Jobbágy, Bermúdez Moretti, Correa García, Bilmes Chem. Mater., 20, 3015-3021 (2008)

25. VÍA ACUOSA COL:SIL 4:1 COL:SIL 3:1 COL:SIL 5:1 % Sílica total constante Medición del estrés – Expresión génica C B A Perullini, Jobbágy, BermúdezMoretti, Correa García, Bilmes Chem. Mater., 20, 3015-3021 (2008)

26. Medición del estrés Evaluación de viabilidad / crecimiento celular

27. Riesgos para la saludhumana • Nanopartículas naturales • Nanopartículas generadas por actividad humana • Nanopartículas generadas a partir de aplicaciones industriales o a gran escala de la Nanotecnología • Nuevas aplicaciones en medicina, ciencia de materiales, etc