La toxicidad de los GBN en animales de laboratorio, impactos adversos y mecanismos de acción. Variabilidad de los efectos tóxicos según las diferentes formas de GBN, las rutas de administración, y las dosis empleadas.

Los nanomateriales basados en grafeno (GBN, por sus siglas en inglés) han atraído una considerable atención debido a sus excepcionales propiedades físicas, químicas y biológicas, ofreciendo amplias aplicaciones en biomedicina, electrónica, y otros campos industriales. Sin embargo, su creciente producción y uso implican una inevitable exposición humana y ambiental, lo que ha impulsado una necesidad crítica de evaluar sus efectos tóxicos. Esta revisión analiza estudios recientes sobre la toxicidad de los GBN en animales de laboratorio, destacando sus posibles impactos adversos y mecanismos de acción. El análisis se centra en la variabilidad de los efectos tóxicos según las diferentes formas de GBN, las rutas de administración, y las dosis empleadas. Los resultados indican que, aunque los GBN presentan propiedades prometedoras, sus efectos tóxicos varían considerablemente, requiriendo una evaluación cuidadosa en cada aplicación específica.

Introducción

• Los nanomateriales basados en grafeno (GBN) incluyen diversas formas, como el grafeno puro, el óxido de grafeno (GO), y el óxido de grafeno reducido (rGO), entre otros. Estas estructuras nanométricas poseen una superficie específica extremadamente alta, conductividad térmica y eléctrica superior, y una notable resistencia mecánica, haciéndolas ideales para múltiples aplicaciones tecnológicas. Sin embargo, el mismo conjunto de propiedades que hacen a los GBN tan valiosos también puede conferirles la capacidad de interactuar de manera significativa con sistemas biológicos, potencialmente induciendo toxicidad.
• El aumento en la producción y utilización de GBN conlleva riesgos de exposición tanto ocupacional como ambiental, subrayando la urgencia de comprender sus efectos tóxicos en organismos vivos. Estudios in vitro han revelado una serie de respuestas celulares a GBN, incluyendo la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), daño al ADN, y alteraciones en la viabilidad celular. No obstante, la extrapolación de estos resultados a sistemas vivos más complejos requiere un análisis más detallado mediante estudios in vivo en modelos animales.

Metodología de revisión

Para esta revisión, se analizaron estudios relevantes publicados hasta enero de 2017, con un enfoque en aquellos que emplearon modelos animales para investigar la toxicidad de GBN. Se consideraron diversos parámetros experimentales, tales como la forma de GBN utilizada, la ruta de administración, las dosis aplicadas, y los endpoints toxicológicos evaluados. Esta revisión se basa en la obra de Ema et al., (2017), quienes realizaron una recopilación exhaustiva de estudios sobre la toxicidad de GBN en animales de laboratorio.

Resultados y discusión

• Toxicidad pulmonar La inhalación es una ruta crítica de exposición a GBN, especialmente en entornos industriales. Estudios en ratas y ratones han demostrado que la inhalación de GBN puede inducir inflamación pulmonar, fibrosis, y daño alveolar. Un estudio notable encontró que la exposición a GBN durante 30 días provocó una respuesta inflamatoria significativa, con un aumento en la infiltración de neutrófilos y macrófagos en el tejido pulmonar. Además, el análisis histopatológico reveló la presencia de granulomas y fibrosis, indicando un daño crónico potencial. Estos efectos se atribuyen en gran parte a la capacidad del GBN para inducir estrés oxidativo, lo que genera un ciclo de daño celular y respuesta inflamatoria.
• Toxicidad hepática y renal    La administración de GBN por vía intravenosa ha revelado impactos adversos en el hígado y los riñones. En un estudio en ratones, se observó que dosis altas de GO inducían un aumento significativo en los marcadores séricos de daño hepático y renal, tales como la alanina aminotransferasa (ALT) y la creatinina. Histológicamente, se detectaron necrosis hepática y alteraciones estructurales en los túbulos renales. El GO puede causar daño orgánico a través de su acumulación y persistencia en estos tejidos, posiblemente mediado por la activación de vías inflamatorias y de estrés oxidativo.
• Toxicidad sistémica y genotóxica    Los estudios que evalúan la toxicidad sistémica y genotóxica de los GBN han mostrado resultados variables. Un estudio en ratones administrados con GBN por vía oral mostró una biodistribución predominante en el hígado y el bazo, con efectos tóxicos limitados a nivel sistémico. Sin embargo, otros estudios han indicado que ciertos tipos de GBN, como el GO, pueden inducir daño al ADN y aberraciones cromosómicas, implicando un potencial riesgo genotóxico. Estos efectos genotóxicos se han asociado con la generación de ROS y la interacción directa del GBN con el material genético.
• Toxicidad reproductiva y teratogénica  Aunque los estudios sobre la toxicidad reproductiva y teratogénica de los GBN son limitados, la evidencia disponible sugiere posibles riesgos. Un estudio en ratas embarazadas expuestas a GO mostró una disminución en el peso fetal y alteraciones en el desarrollo embrionario. Estos efectos fueron atribuidos a la transferencia placentaria de GO y la inducción de estrés oxidativo y daño celular en el feto. La investigación en esta área es crucial para entender los riesgos potenciales para la reproducción y el desarrollo, especialmente dada la posibilidad de exposición ocupacional en mujeres embarazadas.

Destacados:

• Variabilidad en los efectos tóxicos según el tipo de GBN Los GBN abarcan una variedad de formas, incluyendo grafeno, óxido de grafeno (GO) y óxido de grafeno reducido (rGO). Cada una de estas formas presenta propiedades físico-químicas distintas que influyen en su interacción con los sistemas biológicos y, por ende, en su toxicidad.
• Grafeno: El grafeno puro, caracterizado por su alta conductividad y resistencia, ha mostrado efectos tóxicos relativamente moderados en estudios animales. Sin embargo, su alta superficie específica puede facilitar la adsorción de biomoléculas, lo que podría desencadenar respuestas inmunológicas.
• Óxido de Grafeno (GO): El GO, debido a su funcionalización con grupos oxigenados, es más hidrofílico que el grafeno puro y muestra una mayor reactividad biológica. Estudios han indicado que el GO puede inducir una mayor generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), contribuyendo a daños oxidativos y respuestas inflamatorias.
• Óxido de Grafeno Reducido (rGO): El rGO, con propiedades intermedias entre el grafeno y el GO, ha mostrado patrones de toxicidad que dependen en gran medida del grado de reducción y la presencia residual de oxígeno. La variabilidad en sus efectos tóxicos se relaciona con su heterogeneidad estructural y química.
• Rutas de administración y distribución de los GBN La ruta de administración de los GBN influye significativamente en su biodistribución y toxicidad. Los estudios han explorado varias rutas de exposición, incluyendo inhalación, intratraqueal, intravenosa, intraperitoneal y oral.
• Inhalación: Es una ruta de exposición relevante en entornos industriales. Los estudios han demostrado que la inhalación de GBN puede provocar inflamación y fibrosis pulmonar. En modelos animales, la exposición inhalatoria a GBN ha resultado en una infiltración celular significativa en los pulmones, con la formación de granulomas y respuesta inflamatoria sostenida.
• Intravenosa: La administración intravenosa de GBN facilita su distribución sistémica, con una acumulación predominante en el hígado y el bazo. Estos órganos actúan como principales sitios de captación y eliminación de nanomateriales. Estudios han revelado que dosis altas de GO administradas por esta ruta pueden causar necrosis hepática y daño renal.
• Intraperitoneal: Utilizada frecuentemente en estudios experimentales, la administración intraperitoneal de GBN ha mostrado efectos tóxicos en el peritoneo, hígado y riñones, indicando una diseminación sistémica.
• Oral: La exposición oral a GBN ha demostrado una biodisponibilidad limitada, con una mayor excreción fecal. Sin embargo, la ingestión repetida puede llevar a la acumulación de nanomateriales en el tracto gastrointestinal y órganos asociados.
• Efectos tóxicos específicos en Órganos
• Pulmones La inhalación de GBN es una ruta crítica de exposición que puede llevar a efectos adversos significativos en el tejido pulmonar. En modelos de ratones y ratas, se ha observado que la exposición a nanopartículas de grafeno y GO provoca:
• Inflamación aguda y crónica: Caracterizada por la infiltración de células inmunes como neutrófilos y macrófagos.
• Fibrosis pulmonar: Desarrollo de tejido cicatricial en los pulmones, reduciendo la función pulmonar.
• Daño alveolar: Incluyendo el engrosamiento del septo alveolar y daño a los neumocitos.
• Hígado y Riñones El hígado y los riñones son órganos clave para la detoxificación y eliminación de xenobióticos, y la exposición a GBN puede provocar:
• Hepatotoxicidad: Manifiesta por aumento de los niveles séricos de enzimas hepáticas (ALT, AST), necrosis hepática y daño a los hepatocitos.
• Nefrotoxicidad: Incluye alteraciones en los túbulos renales, incremento en los marcadores de daño renal (creatinina y urea) y cambios histopatológicos como la necrosis tubular.
• Sistema Inmunológico Los GBN pueden interactuar directamente con el sistema inmunológico, provocando respuestas variadas:
• Inflamación: Tanto aguda como crónica, mediada por la activación de macrófagos y células dendríticas.
• Inmunosupresión: En algunos casos, se ha observado que la exposición prolongada a GBN puede llevar a una supresión de la actividad inmunológica, posiblemente debido al agotamiento de células inmunes o la inducción de apoptosis.
• Sistema Reproductivo Aunque menos estudiados, los efectos de GBN en el sistema reproductivo y el desarrollo embrionario son preocupantes:
• Toxicidad reproductiva: Estudios en ratas han mostrado que la exposición a GO durante la gestación puede reducir el peso fetal y causar malformaciones.
• Teratogenicidad: La posible transferencia placentaria de GBN y la inducción de estrés oxidativo en el feto representan riesgos significativos para el desarrollo embrionario.
• Mecanismos de toxicidad La toxicidad de los GBN en modelos animales puede atribuirse a varios mecanismos interrelacionados:
• Estrés Oxidativo: La generación de ROS es un mecanismo central, que puede llevar a daño celular, peroxidación lipídica, y alteración de proteínas y ADN.
• Inflamación: La activación del sistema inmunológico y la liberación de citocinas proinflamatorias contribuyen a la inflamación crónica y daño tisular.
• Genotoxicidad: La interacción directa de GBN con el material genético puede inducir daño al ADN y aberraciones cromosómicas, aumentando el riesgo de mutagénesis y carcinogénesis.
• Interferencia con la Función Celular: La internalización de GBN puede afectar varias funciones celulares, incluyendo la proliferación, señalización, y viabilidad celular.
• Consideraciones y recomendaciones para futuras investigaciones Los hallazgos de esta revisión destacan la complejidad y variabilidad de los efectos tóxicos de GBN en modelos animales. Se sugiere que:
• Estandarización de Métodos: Es crucial estandarizar los métodos de caracterización y evaluación toxicológica de GBN para mejorar la comparabilidad entre estudios.
• Evaluación a Largo Plazo: Estudios de toxicidad crónica y subcrónica son necesarios para comprender los efectos a largo plazo de la exposición a GBN.
• Mecanismos de Acción: Investigaciones adicionales sobre los mecanismos moleculares y celulares de la toxicidad de GBN ayudarán a desarrollar estrategias para mitigar sus efectos adversos.
• Evaluación Específica de Aplicaciones: La evaluación de la toxicidad debe ser específica para cada aplicación de GBN, considerando las rutas de exposición y dosis relevantes.

Conclusión:

La revisión de Ema M, Gamo M, y Honda K. proporciona una visión integral de los efectos tóxicos de los nanomateriales basados en grafeno en animales de laboratorio. Los resultados indican que, aunque los GBN presentan un gran potencial para diversas aplicaciones, sus efectos tóxicos no pueden ser subestimados. La variabilidad en la toxicidad según la forma de GBN, la ruta de administración y la dosis subraya la necesidad de una evaluación cuidadosa y específica en función de cada aplicación. La comprensión detallada de los mecanismos subyacentes a su toxicidad es esencial para el desarrollo seguro y sostenible de tecnologías basadas en grafeno.

• Inflamación Pulmonar: La inhalación de GBN induce inflamación, fibrosis y daño alveolar en modelos animales.
• Daño Hepático y Renal: La administración intravenosa de GBN causa necrosis hepática y alteraciones renales.
• Toxicidad Sistémica: Resultados variables, con algunos estudios indicando daño al ADN y otros efectos genotóxicos.
• Riesgos Reproductivos: Evidencia limitada sugiere posibles efectos adversos en el desarrollo fetal y la reproducción.
• Necesidad de Evaluación Específica: Los efectos tóxicos varían considerablemente según la forma de GBN, ruta de administración, y dosis.

La variabilidad de los efectos tóxicos observados en los estudios revisados subraya la complejidad del comportamiento biológico de los GBN y la necesidad de investigaciones continuas para evaluar su seguridad en aplicaciones específicas.

Referencia:

Ema M, Gamo M, Honda K. A review of toxicity studies on graphene-based nanomaterials in laboratory animals. Regul Toxicol Pharmacol. 2017 Apr;85:7-24. doi: 10.1016/j.yrtph.2017.01.011. Epub 2017 Feb 1. PMID: 28161457.