Interacciones del GO bio-coronado con componentes sanguíneos

Introducción

El desarrollo y aplicación de materiales bidimensionales (2D) en biomedicina ha sido uno de los temas más innovadores en la última década. Entre estos materiales, el óxido de grafeno (GO) ha destacado por sus propiedades únicas, incluyendo su alta relación superficie-volumen, excelente conductividad eléctrica y térmica, y su capacidad para ser funcionalizado con diversas biomoléculas. No obstante, a medida que estos materiales avanzan hacia aplicaciones prácticas, es crucial entender sus interacciones biológicas, especialmente en contextos in vivo. Este artículo se centra en las interacciones del GO bio-coronado con componentes sanguíneos, un aspecto fundamental para evaluar su biocompatibilidad y seguridad.

Óxido de grafeno y bio-coronas: definición y contexto

El óxido de grafeno es una forma derivada del grafeno que contiene grupos oxigenados, lo que le confiere una mayor solubilidad en agua y facilita su funcionalización. Cuando el GO entra en contacto con fluidos biológicos, se forma una "bio-corona" en su superficie. Esta bio-corona consiste en proteínas, lípidos y otras biomoléculas que se adsorben sobre el GO, alterando sus propiedades y potencialmente sus interacciones biológicas.

Mecanismos de formación de la bio-corona

La formación de la bio-corona es un proceso dinámico influenciado por múltiples factores, tales como la composición del fluido biológico, la concentración de proteínas, el tiempo de exposición y las propiedades intrínsecas del GO (tamaño, carga superficial, funcionalización). Las interacciones proteína-GO son mediadas por una combinación de fuerzas electrostáticas, interacciones hidrofóbicas y enlaces de hidrógeno. Estas interacciones no solo determinan la identidad de la bio-corona, sino también su estructura y estabilidad, lo que a su vez influye en la biodistribución y el destino biológico del GO.

Interacciones in vivo del GO bio-coronado con componentes sanguíneos

• Eritrocitos: Los eritrocitos, o glóbulos rojos, son los componentes más abundantes de la sangre y juegan un papel crucial en el transporte de oxígeno. Estudios han demostrado que el GO puede inducir hemólisis (ruptura de eritrocitos), dependiendo de la composición y estructura de su bio-corona. La hemólisis puede ser resultado de interacciones directas entre el GO y la membrana celular, así como de la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS). La formación de una bio-corona adecuada puede mitigar estos efectos, reduciendo la toxicidad del GO.
• Plaquetas: Las plaquetas son esenciales para la coagulación sanguínea. La interacción del GO con las plaquetas puede inducir su activación y agregación, lo que podría llevar a trombosis. La bio-corona modula estas interacciones, donde proteínas específicas adsorbidas en el GO pueden actuar como mediadores en la activación plaquetaria. La caracterización precisa de estas proteínas es crucial para predecir y controlar la respuesta hemostática inducida por el GO.
• Leucocitos: Los leucocitos, o glóbulos blancos, son fundamentales para la respuesta inmune. El GO puede interactuar con diferentes subpoblaciones de leucocitos, incluyendo neutrófilos, linfocitos y monocitos. Estas interacciones pueden resultar en respuestas inflamatorias o inmunosupresoras, dependiendo de la naturaleza de la bio-corona. La presencia de proteínas inmunomoduladoras en la bio-corona puede favorecer interacciones específicas con receptores de superficie celular, modulando la actividad de los leucocitos.

Efectos sistémicos del GO bio-coronado

El destino y la biodistribución del GO bio-coronado después de la administración sistémica son temas de gran interés. La bio-corona no solo afecta la circulación del GO en el torrente sanguíneo, sino también su acumulación en órganos específicos. Estudios han mostrado que el GO tiende a acumularse en el hígado y el bazo, órganos clave en la depuración de partículas. Sin embargo, la composición de la bio-corona puede alterar estos patrones de acumulación, afectando la farmacocinética y la toxicidad del GO.

Metodologías para estudiar las interacciones in vivo del GO

• Microscopía y Espectroscopía: Técnicas como la microscopía electrónica de transmisión (TEM) y la espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) son utilizadas para caracterizar la morfología del GO y la composición de su bio-corona. Estas técnicas permiten una visualización detallada de las interacciones entre el GO y los componentes celulares.
• Citometría de Flujo: Esta técnica es esencial para analizar la interacción del GO con células sanguíneas a nivel individual. Permite evaluar cambios en la viabilidad celular, la activación de plaquetas y la respuesta inmunitaria de los leucocitos en presencia del GO bio-coronado.
• Modelos Animales: El uso de modelos animales es fundamental para estudiar las interacciones in vivo del GO. Estos estudios proporcionan información valiosa sobre la biodistribución, la toxicidad y la respuesta inmune inducida por el GO en un organismo completo. Modelos murinos son comúnmente utilizados debido a su similitud fisiológica con los humanos.

Discusión

Las interacciones del GO con la sangre son complejas y polifacéticas. La formación de la bio-corona es un fenómeno crítico que determina el comportamiento biológico del GO. La comprensión detallada de estas interacciones es esencial para el desarrollo de aplicaciones biomédicas seguras y eficaces del GO, tales como la administración de fármacos, la terapia fototérmica y la imagenología biomédica.

El GO bio-coronado tiene el potencial de alterar la función normal de los eritrocitos, las plaquetas y los leucocitos. Sin embargo, la modulación de la bio-corona mediante la funcionalización específica del GO puede mitigar efectos adversos y mejorar su biocompatibilidad. La identificación de los componentes clave de la bio-corona y su influencia en la respuesta biológica es un área de investigación crítica.

Destacados:

• Formación y composición de la bio-corona en el óxido de grafeno (GO) El estudio de Palmieri et al. destaca que cuando el óxido de grafeno (GO) entra en contacto con la sangre, se forma una bio-corona en su superficie. Este proceso es dinámico y depende de varios factores, incluyendo la concentración de proteínas en la sangre, la naturaleza del GO y el tiempo de exposición. La bio-corona está compuesta predominantemente por proteínas del plasma sanguíneo que se adsorben en el GO a través de interacciones electrostáticas, hidrofóbicas y enlaces de hidrógeno. Las principales proteínas identificadas incluyen albúmina, fibrinógeno e inmunoglobulinas, entre otras.
• Impacto de la bio-corona en la hemocompatibilidad del GO Uno de los hallazgos más significativos del estudio es cómo la formación de la bio-corona influye en la hemocompatibilidad del GO. La bio-corona puede proteger las células sanguíneas de la toxicidad directa del GO, modulando la interacción entre el GO y las membranas celulares. Sin embargo, la composición específica de la bio-corona puede determinar si esta protección es efectiva o si, por el contrario, exacerba la toxicidad del GO.
• Eritrocitos: El estudio encontró que la presencia de una bio-corona puede reducir la hemólisis inducida por el GO. Sin una bio-corona adecuada, el GO puede interactuar directamente con la membrana de los eritrocitos, causando su ruptura y liberación de hemoglobina. La bio-corona actúa como una barrera física, disminuyendo estas interacciones perjudiciales.
• Plaquetas: Las plaquetas juegan un papel crucial en la coagulación sanguínea. La bio-corona formada en el GO puede contener proteínas como el fibrinógeno, que pueden inducir la activación plaquetaria y, por ende, la coagulación. El estudio observó que ciertas configuraciones de la bio-corona pueden promover la agregación plaquetaria, aumentando el riesgo de formación de trombos.
• Leucocitos: Los leucocitos son esenciales para la respuesta inmune. La bio-corona puede modular la interacción del GO con los leucocitos, afectando su viabilidad y función. Palmieri et al. encontraron que la bio-corona puede alterar la respuesta inflamatoria inducida por el GO, con ciertos perfiles de bio-corona que potencian la inflamación y otros que la reducen.
• Biodistribución y acumulación del GO bio-coronado La bio-corona también juega un papel crucial en la biodistribución del GO tras su administración sistémica. El estudio reveló que la composición de la bio-corona influye en cómo y dónde se acumula el GO en el cuerpo. Por ejemplo, una bio-corona rica en ciertas proteínas puede dirigir el GO hacia el hígado y el bazo, órganos responsables de la depuración de partículas del torrente sanguíneo. Estas observaciones son fundamentales para entender la farmacocinética del GO y su potencial toxicidad a largo plazo.
• Técnicas de caracterización de la bio-corona El estudio utilizó una variedad de técnicas avanzadas para caracterizar la bio-corona formada en el GO, proporcionando una comprensión detallada de su composición y estructura:
• Espectrometría de Masas: Esta técnica permitió identificar las proteínas específicas adsorbidas en la superficie del GO. La espectrometría de masas de alta resolución reveló una amplia gama de proteínas plasmáticas que forman parte de la bio-corona, proporcionando una "huella digital" proteómica de la bio-corona.
• Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM): El TEM se utilizó para visualizar la morfología del GO y la estructura de la bio-corona a nivel nanométrico. Esta técnica proporcionó imágenes detalladas que mostraron cómo las proteínas se organizan en la superficie del GO.
• Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR): El FTIR se empleó para analizar los grupos funcionales presentes en la bio-corona, ayudando a entender las interacciones químicas entre las proteínas y el GO.
• Implicaciones biológicas y biomédicas Las interacciones del GO bio-coronado con componentes sanguíneos tienen implicaciones significativas para sus aplicaciones biomédicas. La formación de la bio-corona puede tanto mejorar como obstaculizar el uso del GO en aplicaciones tales como la administración de fármacos, la terapia génica y la imagenología biomédica. Entender estas interacciones es crucial para diseñar estrategias que mitiguen los efectos adversos y potencien los beneficios terapéuticos del GO.
• Administración de Fármacos: La bio-corona puede influir en la liberación controlada de fármacos adsorbidos en el GO. Una bio-corona bien caracterizada puede permitir la liberación específica y sostenida de medicamentos, mejorando la eficacia terapéutica.
• Terapia Fototérmica: En tratamientos donde el GO se utiliza para generar calor bajo irradiación, la bio-corona puede afectar la eficiencia de la conversión fototérmica y la acumulación del GO en los tejidos diana.
• Imagenología Biomédica: La bio-corona puede modificar las propiedades ópticas y magnéticas del GO, afectando su desempeño como agente de contraste en técnicas de imagenología como la resonancia magnética y la tomografía por emisión de positrones.

Conclusión

El estudio de Palmieri et al. proporciona una visión integral de cómo la formación de una bio-corona afecta las interacciones del GO con la sangre. Estos hallazgos son fundamentales para avanzar en la comprensión de la biocompatibilidad del GO y su potencial uso en aplicaciones biomédicas. La caracterización precisa de la bio-corona y el control de su formación son pasos críticos para el desarrollo de tecnologías basadas en GO que sean seguras y efectivas para uso humano.

• El óxido de grafeno (GO) forma una bio-corona al interactuar con la sangre, compuesta predominantemente por proteínas plasmáticas.
• La bio-corona influye en la hemocompatibilidad del GO, modulando la toxicidad hacia eritrocitos, plaquetas y leucocitos.
• La composición de la bio-corona afecta la biodistribución y acumulación del GO en órganos como el hígado y el bazo.
• Técnicas como la espectrometría de masas, la microscopía electrónica de transmisión (TEM) y la espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) son esenciales para caracterizar la bio-corona.
• Las interacciones del GO bio-coronado con la sangre tienen implicaciones significativas para aplicaciones biomédicas, incluyendo la administración de fármacos, la terapia fototérmica y la imagenología biomédica.

Referencia:

Palmieri V, Perini G, De Spirito M, Papi M. Graphene oxide touches blood: in vivo interactions of bio-coronated 2D materials. Nanoscale Horiz. 2019 Mar 1;4(2):273-290. doi: 10.1039/c8nh00318a. Epub 2018 Oct 31. PMID: 32254085.