Nanopartículas de núcleo-corteza de silicio poroso y óxido de grafeno (PSi-GO) diseñadas específicamente para la entrega dirigida de siRNA al cerebro

Introducción

La administración de ácido ribonucleico pequeño de interferencia (siRNA) al cerebro lesionado representa un desafío significativo debido a la barrera hematoencefálica (BHE), la cual impide el paso de muchas moléculas terapéuticas. Recientemente, Joo et al. (2016) han desarrollado nanopartículas de núcleo-corteza de silicio poroso y óxido de grafeno (PSi-GO) diseñadas específicamente para la entrega dirigida de siRNA al cerebro lesionado. Estas nanopartículas prometen superar las barreras actuales de entrega de fármacos al cerebro, abriendo nuevas avenidas para el tratamiento de lesiones cerebrales.

Materiales y métodos

• Síntesis de nanopartículas PSi-GO Las nanopartículas se sintetizaron mediante un proceso en dos etapas. Primero, se fabricaron nanopartículas de silicio poroso (PSi) utilizando un método de anodización electroquímica. Posteriormente, se recubrieron con óxido de grafeno (GO) para formar una estructura de núcleo-corteza. Este recubrimiento de GO no solo confiere estabilidad coloidal, sino que también proporciona una superficie funcionalizable para la conjugación de siRNA.
• Caracterización
• Morfología y tamaño Las nanopartículas PSi-GO fueron caracterizadas utilizando microscopía electrónica de transmisión (TEM) y microscopía electrónica de barrido (SEM). Los análisis revelaron una estructura de núcleo-corteza claramente definida, con un diámetro promedio de aproximadamente 150 nm. La porosidad del núcleo de silicio se mantuvo intacta tras el recubrimiento con GO, lo que es crucial para la carga y liberación del siRNA.
• Superficie y química La espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) y la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) confirmaron la presencia de grupos funcionales oxigenados en la superficie de GO, esenciales para la conjugación eficiente del siRNA. Además, los estudios de potencial Z mostraron que las nanopartículas PSi-GO poseen una carga superficial negativa a pH fisiológico, facilitando la interacción con las biomembranas celulares.
• Carga y liberación de siRNA El siRNA fue conjugado a la superficie de las nanopartículas PSi-GO utilizando enlaces covalentes formados a través de la química de carbodiimida. Se evaluó la eficiencia de carga de siRNA mediante espectrofotometría UV-Vis, obteniendo una eficiencia de encapsulación del 85%. La liberación de siRNA fue estudiada en condiciones fisiológicas y de pH ácido, observándose una liberación sostenida durante un periodo de 48 horas.

Resultados

• Estabilidad coloidal y citotoxicidad Las nanopartículas PSi-GO mostraron una estabilidad coloidal significativa en medios biológicos durante un periodo extendido, lo cual es crucial para aplicaciones in vivo. Ensayos de citotoxicidad realizados en líneas celulares neuronales y microgliales demostraron que las nanopartículas no presentan toxicidad significativa a concentraciones terapéuticas.
• Eficiencia de transfección y expresión de siRNA Se evaluó la capacidad de las nanopartículas PSi-GO para transfectar células neuronales lesionadas in vitro mediante técnicas de fluorescencia y qPCR. Los resultados indicaron una internalización eficiente de las nanopartículas y una notable reducción en la expresión de genes diana específicos, confirmando la funcionalidad del siRNA entregado.
• Estudios in vivo En modelos animales de lesión cerebral, la administración intravenosa de nanopartículas PSi-GO cargadas con siRNA resultó en una acumulación significativa en el tejido cerebral lesionado. La evaluación histológica y molecular mostró una disminución en los marcadores de inflamación y apoptosis, sugiriendo un efecto terapéutico positivo.

Discusión

• Ventajas de PSi-GO para la entrega de siRNA La combinación de silicio poroso y óxido de grafeno en una estructura de núcleo-corteza proporciona varias ventajas clave:
• Capacidad de Carga Elevada: La alta porosidad del silicio permite una carga elevada de siRNA, mientras que la capa de GO proporciona una protección adicional contra la degradación enzimática.
• Estabilidad y Biocompatibilidad: El recubrimiento con GO mejora la estabilidad coloidal y la biocompatibilidad, minimizando la toxicidad sistémica.
• Liberación Controlada: La estructura de núcleo-corteza facilita una liberación sostenida y controlada de siRNA, mejorando la eficiencia terapéutica.
• Limitaciones y desafíos A pesar de los resultados prometedores, existen desafíos que deben abordarse para la traducción clínica de estas nanopartículas. La variabilidad en la síntesis y el escalado de producción, así como la respuesta inmunológica a largo plazo, son aspectos críticos que requieren una investigación adicional.

Conclusiones

Las nanopartículas de núcleo-corteza PSi-GO representan una plataforma innovadora para la entrega dirigida de siRNA al cerebro lesionado. Los estudios preclínicos han demostrado su capacidad para atravesar la BHE y liberar siRNA de manera eficiente, resultando en una modulación efectiva de la expresión génica en tejidos neuronales. Esta tecnología tiene el potencial de revolucionar el tratamiento de lesiones cerebrales y otras enfermedades neurológicas.

• Las nanopartículas PSi-GO combinan las propiedades del silicio poroso y el óxido de grafeno.
• Estas nanopartículas presentan una alta capacidad de carga y estabilidad coloidal.
• Han demostrado una entrega eficiente y segura de siRNA en modelos preclínicos de lesión cerebral.
• Se observa una reducción significativa de la inflamación y apoptosis en el tejido cerebral lesionado.
• Existen desafíos en la traducción clínica que requieren investigación adicional.

Referencia:

Joo J, Kwon EJ, Kang J, Skalak M, Anglin EJ, Mann AP, Ruoslahti E, Bhatia SN, Sailor MJ. Porous silicon-graphene oxide core-shell nanoparticles for targeted delivery of siRNA to the injured brain. Nanoscale Horiz. 2016 Sep 1;1(5):407-414. doi: 10.1039/C6NH00082G. Epub 2016 Jun 14. PMID: 29732165; PMCID: PMC5935492.

Addendum:Viabilidad de la transmisión de virus a través de nanopartículas de óxido de grafeno

La transmisión de un virus a través de nanopartículas de óxido de grafeno (GO) para que estas lleguen al cerebro presenta tanto oportunidades como desafíos significativos. Basado en el artículo de Joo et al. (2016), que describe el uso de nanopartículas de silicio poroso recubiertas de óxido de grafeno (PSi-GO) para la entrega de siRNA al cerebro, se pueden hacer algunas inferencias sobre la viabilidad de usar GO para la transmisión de virus.

Viabilidad de la transmisión de virus a través de nanopartículas de óxido de grafeno

• Propiedades del óxido de grafeno El óxido de grafeno tiene varias propiedades que lo hacen atractivo para aplicaciones biomédicas:
• Superficie funcionalizable: La presencia de grupos oxigenados permite la conjugación de diversas biomoléculas, incluidos ácidos nucleicos y proteínas virales.
• Alta superficie específica: Esto facilita una elevada capacidad de carga de agentes terapéuticos o, potencialmente, de virus.
• Estabilidad coloidal: GO puede mantenerse estable en medios biológicos, lo que es crucial para aplicaciones in vivo.
• Desafíos en la entrega de virus
• Encapsulación y Estabilidad del Virus: Encapsular un virus dentro o sobre la superficie de una nanopartícula de GO sin afectar su viabilidad y funcionalidad es un reto significativo. Los virus son complejos y pueden perder su capacidad infecciosa si no se manejan adecuadamente.  
• Interacción con el Sistema Inmunológico: La administración de virus, incluso encapsulados en nanopartículas, puede desencadenar respuestas inmunológicas severas. Esto podría limitar la eficacia del tratamiento y causar efectos secundarios adversos.
• Barreras Biológicas: A pesar de la capacidad de las nanopartículas de GO para atravesar la barrera hematoencefálica (BHE) en estudios con siRNA, la carga viral podría modificar esta capacidad. La entrega de virus al cerebro requiere superar múltiples barreras biológicas sin ser neutralizados por el sistema inmunológico.
• Control de Liberación y Dirección: Es crucial que las nanopartículas liberen su carga viral en el sitio adecuado y en la cantidad correcta. Una liberación incontrolada podría resultar en infección no deseada de tejidos sanos.

Estudio de caso: aplicaciones potenciales y ejemplos

A pesar de los desafíos, hay investigaciones en curso sobre el uso de nanopartículas para la entrega de agentes virales. Por ejemplo:

• Terapias genéticas y oncolíticas: En algunos estudios, se han utilizado nanopartículas para la entrega de virus oncolíticos, que infectan y destruyen células cancerosas. La encapsulación en nanopartículas puede ayudar a dirigir estos virus de manera más precisa hacia los tumores.
• Vacunas: Las nanopartículas de GO también se han explorado como adyuvantes en vacunas, mejorando la entrega de antígenos virales y potenciando la respuesta inmunológica.

Conclusión

La idea de transmitir un virus al cerebro utilizando nanopartículas de óxido de grafeno es conceptualmente posible, pero actualmente enfrenta varios desafíos técnicos y biológicos significativos. Basado en el trabajo de Joo et al. (2016), el uso de nanopartículas PSi-GO para la entrega de siRNA muestra que las nanopartículas pueden atravesar la BHE y liberar su carga en el cerebro. Sin embargo, la encapsulación y entrega de virus presenta un conjunto adicional de complejidades.

• Propiedades de GO: Superficie funcionalizable, alta capacidad de carga, y estabilidad coloidal.
• Desafíos en la Entrega Viral: Incluyen la encapsulación, interacción inmunológica, barreras biológicas, y control de liberación.
• Aplicaciones Potenciales: Terapias genéticas, tratamientos oncolíticos, y vacunas.
• Conclusión: Viabilidad conceptualmente posible pero requiere más investigación y desarrollo para superar los desafíos actuales.

La viabilidad de esta estrategia dependerá de avances adicionales en la nanotecnología y la biomedicina, así como de una comprensión más profunda de las interacciones entre nanopartículas, virus y el cuerpo humano.