Síntesis, caracterización y toxicidad del OG en estudios in vitro e in vivo.

La toxicidad del grafeno, la importancia de considerar la seguridad y los posibles riesgos para la salud humana en el desarrollo y aplicación de nanomateriales.

Introducción

El grafeno y sus derivados, como el óxido de grafeno (OG), han capturado la atención del mundo científico debido a sus propiedades únicas y su potencial aplicación en diversas áreas, incluyendo la biomedicina. El óxido de grafeno, en particular, presenta una estructura bidimensional con una alta relación superficie-volumen, propiedades mecánicas superiores y una notable conductividad eléctrica. Estas características hacen del OG un candidato prometedor para aplicaciones en biosensores, entrega de fármacos y terapias contra el cáncer. Sin embargo, el creciente interés en el uso biomédico del OG ha suscitado preocupaciones sobre su biocompatibilidad y toxicidad. Esta revisión analiza de manera crítica la literatura disponible sobre la síntesis, caracterización y toxicidad del OG en estudios in vitro e in vivo.

Síntesis y caracterización del óxido de grafeno

• Métodos de síntesis El óxido de grafeno se obtiene típicamente mediante la oxidación del grafito usando el método de Hummers modificado. Este proceso implica el tratamiento del grafito con una mezcla de ácido sulfúrico, permanganato de potasio y otros reactivos oxidantes, resultando en una estructura grafénica con grupos funcionales oxigenados como epóxidos, hidroxilos, carboxilos y carbonilos.
• Caracterización La caracterización del OG se realiza utilizando técnicas avanzadas como la espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR), espectroscopía Raman, microscopía electrónica de transmisión (TEM) y difracción de rayos X (XRD). Estas técnicas permiten determinar la composición química, estructura y morfología del OG, aspectos cruciales para correlacionar sus propiedades fisicoquímicas con su comportamiento biológico.

Toxicidad del óxido de grafeno

La evaluación de la toxicidad del OG es esencial para determinar su viabilidad en aplicaciones biomédicas. Los estudios de toxicidad se han realizado utilizando una variedad de modelos celulares y animales, proporcionando una visión integral de sus efectos biológicos.

•  Estudios In vitro 
• Toxicidad celular Rhazouani et al. (2021) realizaron una extensa revisión de estudios in vitro sobre la toxicidad del OG, destacando que la citotoxicidad del OG depende de varios factores, incluyendo la concentración, tamaño de partícula, grado de oxidación y el tipo de célula utilizada. En estudios con células epiteliales pulmonares humanas (BEAS-2B), Vallabani et al. (2011) observaron que el OG induce citotoxicidad de manera dosis-dependiente, manifestándose en la reducción de la viabilidad celular y el aumento de la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS).
• Mecanismos de toxicidad El mecanismo principal de la toxicidad del OG parece estar relacionado con la generación de estrés oxidativo. La producción excesiva de ROS puede dañar componentes celulares críticos como lípidos, proteínas y ADN, llevando a la apoptosis o necrosis celular. Además, el OG puede interferir con la integridad de la membrana celular y alterar las funciones mitocondriales, exacerbando el daño celular.
• Estudios in vivo
• Toxicidad sistémica Los estudios in vivo proporcionan una evaluación más completa de la toxicidad del OG, considerando la complejidad de los organismos vivos. Rhazouani et al. (2021) mencionan que la administración de OG en modelos animales puede causar toxicidad aguda y crónica en varios órganos, incluyendo el hígado, riñones y pulmones. Los estudios han mostrado que el OG puede acumularse en estos órganos, causando inflamación, fibrosis y alteraciones histopatológicas.
• Toxicidad pulmonar Vallabani et al. (2011) también exploraron la toxicidad pulmonar del OG en modelos de inhalación. Los resultados indicaron que la exposición al OG provoca inflamación pulmonar, caracterizada por la infiltración de células inflamatorias y la producción de citoquinas proinflamatorias. Estas respuestas inflamatorias pueden llevar a enfermedades pulmonares crónicas si la exposición es prolongada.

Factores determinantes de la toxicidad

• Tamaño y forma de las partículas El tamaño y la forma de las partículas de OG juegan un papel crucial en su toxicidad. Las partículas más pequeñas tienen una mayor área superficial, lo que puede aumentar su reactividad química y biológica. Por otro lado, las partículas de mayor tamaño pueden causar bloqueos físicos en los tejidos y órganos.
• Dosis y duración de la exposición La dosis y la duración de la exposición son factores determinantes clave en la toxicidad del OG. La exposición aguda a altas concentraciones de OG tiende a ser más tóxica que la exposición crónica a bajas concentraciones. No obstante, la acumulación gradual de OG en los tejidos durante la exposición crónica también puede resultar en toxicidad significativa.
• Modificaciones químicas Las modificaciones químicas del OG, como la funcionalización con grupos poliméricos o biomoléculas, pueden alterar su interacción con los sistemas biológicos. Estas modificaciones pueden reducir la toxicidad del OG al disminuir la producción de ROS y mejorar su dispersión en medios biológicos, pero también pueden introducir nuevas vías de toxicidad.

Evaluación de la biocompatibilidad

• Estudios preclínicos Los estudios preclínicos son esenciales para evaluar la biocompatibilidad del OG antes de su aplicación en humanos. Rhazouani et al. (2021) sugieren que la biocompatibilidad del OG puede mejorarse mediante la optimización de su síntesis y la incorporación de recubrimientos biocompatibles. Los estudios en animales deben realizarse para evaluar la farmacocinética, biodistribución y eliminación del OG.
• Evaluación inmunológica La respuesta inmunológica al OG es un aspecto crítico de su biocompatibilidad. El OG puede activar la respuesta inmune innata y adaptativa, lo que puede llevar a inflamación y otros efectos adversos. La evaluación inmunológica incluye la medición de citoquinas, quimioquinas y la infiltración de células inmunes en los tejidos afectados.

Conclusiones

El óxido de grafeno presenta un potencial significativo para aplicaciones biomédicas debido a sus propiedades únicas. Sin embargo, su toxicidad debe ser evaluada cuidadosamente para garantizar la seguridad en su uso. Los estudios revisados indican que la toxicidad del OG depende de múltiples factores, incluyendo su concentración, tamaño, forma y modificaciones químicas. La evaluación tanto in vitro como in vivo es crucial para comprender los mecanismos de toxicidad y desarrollar estrategias para mitigar los riesgos asociados con el uso del OG en aplicaciones biomédicas.

• El óxido de grafeno (OG) tiene propiedades prometedoras para aplicaciones biomédicas.
• La toxicidad del OG depende de la concentración, tamaño de partícula y grado de oxidación.
• El estrés oxidativo es el principal mecanismo de citotoxicidad del OG.
• Los estudios in vivo muestran que el OG puede causar toxicidad sistémica y pulmonar.
• La biocompatibilidad del OG puede mejorarse mediante modificaciones químicas y optimización de la síntesis.
• Evaluaciones preclínicas y estudios inmunológicos son esenciales para garantizar la seguridad del OG en aplicaciones biomédicas.

"Synthesis and Toxicity of Graphene Oxide Nanoparticles: A Literature Review of In Vitro and In Vivo Studies"

Rhazouani et al. proporcionan una base sólida para futuras investigaciones sobre la biocompatibilidad y toxicidad del óxido de grafeno, resaltando la importancia de un enfoque multidisciplinario que integre la química de materiales, la biología celular y la toxicología

Introducción

El artículo de Rhazouani et al. (2021) presenta una revisión exhaustiva de los estudios existentes sobre la síntesis y la toxicidad de los nanopartículas de óxido de grafeno (OG), cubriendo tanto investigaciones in vitro como in vivo. Los autores buscan proporcionar una comprensión integral de los efectos biológicos del OG y las variables que influyen en su biocompatibilidad y toxicidad.

Síntesis del óxido de grafeno

• Métodos de síntesis El artículo describe detalladamente los métodos comunes utilizados para la síntesis del OG, destacando el método de Hummers modificado como el más prevalente. Este método implica la oxidación del grafito en una mezcla de ácido sulfúrico y permanganato de potasio, seguido por una serie de tratamientos químicos para obtener láminas de grafeno oxidadas.
• Importancia del método de Hummers modificado La ventaja principal del método de Hummers modificado es su capacidad para producir grandes cantidades de OG con una alta cantidad de grupos funcionales oxigenados. Estos grupos funcionales no solo facilitan la dispersión del OG en soluciones acuosas, sino que también son esenciales para su funcionalización química posterior.
• Caracterización del OG Para evaluar la calidad y propiedades del OG, los autores discuten varias técnicas de caracterización, incluyendo:
• Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR): Utilizada para identificar los grupos funcionales presentes en el OG.
• Espectroscopía Raman: Proporciona información sobre el grado de defectos y la estructura cristalina del OG.
• Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM): Permite observar la morfología y tamaño de las láminas de OG.
• Difracción de Rayos X (XRD): Utilizada para analizar la estructura cristalina del OG y el grado de oxidación.

Estas técnicas son cruciales para correlacionar las propiedades fisicoquímicas del OG con sus efectos biológicos.

Toxicidad del óxido de grafeno

• Estudios In vitro
• Citotoxicidad y estudio celular Rhazouani et al. (2021) señalan que los estudios in vitro han mostrado que la citotoxicidad del OG varía ampliamente según varios factores, incluyendo la concentración de las partículas, el tamaño de las mismas, el tipo de células utilizadas y el medio de cultivo. En general, el OG tiende a ser más citotóxico en concentraciones elevadas y cuando las partículas son de menor tamaño debido a su mayor reactividad superficial.
• Producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) Uno de los hallazgos más consistentes es que el OG induce la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) en las células. Esta generación de ROS puede causar daño oxidativo a componentes celulares críticos como lípidos, proteínas y ADN. La producción de ROS se ha identificado como un mecanismo clave de la citotoxicidad del OG.
• Mecanismos de apoptosis y necrosis La revisión destaca que la exposición al OG puede activar vías de señalización celular que conducen a la apoptosis (muerte celular programada) y la necrosis (muerte celular no programada). Estos mecanismos se ven influidos por la concentración y el tiempo de exposición al OG, así como por las características específicas de las partículas.
• Estudios In vivo
• Toxicidad sistémica Los estudios in vivo revisados por Rhazouani et al. muestran que la administración de OG en modelos animales puede provocar toxicidad en varios órganos, incluyendo hígado, riñones, pulmones y cerebro. La toxicidad sistémica se manifiesta a través de inflamación, daño histopatológico y alteraciones funcionales en los órganos afectados.
• Acumulación y biodistribución La revisión subraya que el OG tiende a acumularse en ciertos órganos después de su administración sistémica. Esta acumulación puede ser debido a la absorción por el sistema reticuloendotelial (hígado y bazo) y la distribución a otros tejidos. La biodistribución del OG está influenciada por su tamaño, carga superficial y ruta de administración.
• Toxicidad pulmonar Uno de los aspectos más críticos discutidos es la toxicidad pulmonar del OG, especialmente relevante para aplicaciones que implican la inhalación de estas nanopartículas. Los estudios muestran que la inhalación de OG puede causar inflamación pulmonar, fibrosis y daño a las células epiteliales pulmonares. La respuesta inflamatoria se caracteriza por la infiltración de células inmunitarias y la producción de citoquinas proinflamatorias.
• Factores que influyen en la toxicidad
• Tamaño y forma de las partículas El tamaño y la forma de las partículas de OG son determinantes cruciales de su toxicidad. Las partículas más pequeñas presentan una mayor área superficial relativa, lo que puede incrementar su reactividad y la generación de ROS. Por otro lado, las partículas más grandes pueden causar obstrucciones físicas y estrés mecánico en los tejidos.
• Dosis y duración de la exposición La dosis y la duración de la exposición son factores críticos que modulan la toxicidad del OG. La revisión destaca que la exposición aguda a altas concentraciones de OG es generalmente más tóxica que la exposición crónica a bajas concentraciones. Sin embargo, la acumulación gradual de OG durante exposiciones prolongadas también puede llevar a efectos tóxicos significativos.
• Modificaciones químicas Las modificaciones químicas del OG, como la funcionalización con polímeros biocompatibles o la incorporación de grupos funcionales específicos, pueden alterar su biocompatibilidad y toxicidad. Estas modificaciones pueden reducir la producción de ROS y mejorar la dispersión del OG en medios biológicos, pero también pueden introducir nuevas vías de toxicidad.

Conclusiones

Rhazouani et al. concluyen que, aunque el OG tiene un potencial significativo para aplicaciones biomédicas debido a sus propiedades únicas, su toxicidad debe ser evaluada cuidadosamente. Los estudios revisados indican que la toxicidad del OG depende de múltiples factores, incluyendo su concentración, tamaño, forma y modificaciones químicas. La evaluación tanto in vitro como in vivo es esencial para comprender los mecanismos de toxicidad y desarrollar estrategias para mitigar los riesgos asociados con el uso del OG en aplicaciones biomédicas.

Los autores recomiendan una mayor estandarización en los métodos de evaluación de la toxicidad del OG y una caracterización exhaustiva de sus propiedades fisicoquímicas. Además, sugieren la necesidad de estudios preclínicos rigurosos para evaluar la seguridad del OG antes de su uso en aplicaciones clínicas.

"Toxicity of Graphene in Normal Human Lung Cells (BEAS-2B)" de Vallabani NV, Mittal S, Shukla RK, Pandey AK, Dhakate SR, Pasricha R, Dhawan A.

Introducción

El artículo de Vallabani et al. (2011) investiga la toxicidad del grafeno en células pulmonares humanas normales (BEAS-2B). Este estudio es relevante debido al creciente interés en las aplicaciones biomédicas y tecnológicas del grafeno, así como las preocupaciones sobre su seguridad y biocompatibilidad. Las células BEAS-2B se utilizan frecuentemente como modelo para estudiar la toxicidad pulmonar porque representan el epitelio bronquial humano, una barrera crítica expuesta a agentes inhalados.

Metodología

• Preparación y caracterización del grafeno El grafeno utilizado en el estudio fue preparado y caracterizado para asegurar su calidad y consistencia. Las técnicas de caracterización incluyeron:
• Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM): Para observar la morfología y tamaño de las láminas de grafeno.
• Espectroscopía Raman: Para analizar la estructura y calidad del grafeno.
• Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR): Para identificar los grupos funcionales presentes.

Estas técnicas permitieron a los investigadores confirmar la presencia de grafeno de alta pureza y con las características estructurales adecuadas para los experimentos de toxicidad.

• Cultivo celular y tratamiento Las células BEAS-2B fueron cultivadas en condiciones estándar y tratadas con diferentes concentraciones de grafeno. Los rangos de concentración fueron seleccionados para evaluar la respuesta celular a dosis bajas, medias y altas de grafeno.
• Ensayos de toxicidad Se realizaron varios ensayos para evaluar la citotoxicidad del grafeno, incluyendo:
• Ensayo de Viabilidad Celular (MTT): Para medir la reducción de la viabilidad celular tras la exposición al grafeno.
• Ensayo de Producción de Especies Reactivas de Oxígeno (ROS): Para evaluar la generación de ROS como indicador de estrés oxidativo.
• Ensayos de Apoptosis y Necrosis: Para determinar si la muerte celular inducida por el grafeno ocurre a través de apoptosis o necrosis.

Resultados

• Viabilidad celular Los resultados del ensayo MTT mostraron una reducción significativa en la viabilidad celular de las células BEAS-2B tratadas con grafeno. Esta reducción fue dosis-dependiente, con concentraciones más altas de grafeno causando una mayor disminución en la viabilidad celular. Este hallazgo indica que el grafeno puede ser citotóxico para las células pulmonares humanas a concentraciones suficientemente altas.
• Producción de ROS Uno de los hallazgos clave fue el aumento en la producción de ROS en las células tratadas con grafeno. La generación de ROS es un indicador de estrés oxidativo, lo cual puede dañar componentes celulares críticos como lípidos, proteínas y ADN. Este aumento en la producción de ROS sugiere que el grafeno puede inducir estrés oxidativo, contribuyendo a su citotoxicidad.
• Mecanismos de muerte celular Los ensayos de apoptosis y necrosis revelaron que el grafeno induce muerte celular predominantemente a través de apoptosis. La apoptosis es un proceso de muerte celular programada que puede ser desencadenado por diversos factores, incluyendo el daño oxidativo. La presencia de apoptosis fue confirmada mediante técnicas de tinción y análisis de fragmentación de ADN.
• Morfología celular El estudio también observó cambios morfológicos en las células tratadas con grafeno, incluyendo alteraciones en la estructura celular y la integridad de la membrana. Estos cambios son indicativos de daño celular y corroboran los resultados de los ensayos de viabilidad y apoptosis.

Discusión

•  Comparación con otros estudios Los hallazgos de Vallabani et al. son consistentes con estudios previos que han demostrado la citotoxicidad del grafeno en otros tipos celulares. Sin embargo, este estudio es uno de los primeros en centrarse específicamente en células pulmonares humanas, lo que proporciona información valiosa sobre la toxicidad potencial del grafeno en el sistema respiratorio.
• Implicaciones para la salud humana La demostración de que el grafeno puede inducir estrés oxidativo y apoptosis en células pulmonares humanas tiene importantes implicaciones para la salud. Las aplicaciones potenciales del grafeno en la industria y la biomedicina pueden implicar su liberación en el aire, lo que podría exponer a los humanos a estas nanopartículas. Por lo tanto, es crucial considerar los riesgos asociados con la inhalación de grafeno y desarrollar estrategias para mitigar su toxicidad.
• Factores que influyen en la toxicidad El estudio sugiere que varios factores pueden influir en la toxicidad del grafeno, incluyendo su tamaño, forma, pureza y concentración. Las nanopartículas más pequeñas y con mayor pureza tienden a ser más reactivas y, por lo tanto, más tóxicas. Además, la superficie química del grafeno, incluyendo la presencia de grupos funcionales oxigenados, puede afectar su interacción con las células y su capacidad para generar ROS.

Conclusiones

Vallabani et al. concluyen que el grafeno tiene el potencial de ser citotóxico para las células pulmonares humanas, principalmente a través de la inducción de estrés oxidativo y apoptosis. Estos hallazgos subrayan la necesidad de una evaluación cuidadosa de la biocompatibilidad del grafeno antes de su uso en aplicaciones que podrían implicar la exposición humana. Además, sugieren que futuras investigaciones deberían centrarse en entender mejor los mecanismos de toxicidad del grafeno y en desarrollar métodos para reducir sus efectos adversos.

• Estudios adicionales in vivo: Para confirmar los hallazgos in vitro y evaluar la toxicidad del grafeno en organismos completos.
• Evaluación de la exposición crónica: Para entender los efectos a largo plazo de la exposición al grafeno.
• Desarrollo de estrategias de mitigación: Para reducir la generación de ROS y mejorar la biocompatibilidad del grafeno mediante modificaciones químicas.

Referencias:

1. Rhazouani A, Gamrani H, El Achaby M, Aziz K, Gebrati L, Uddin MS, Aziz F. Synthesis and Toxicity of Graphene Oxide Nanoparticles: A Literature Review of In Vitro and In Vivo Studies. Biomed Res Int. 2021 Jun 10;2021:5518999. doi: 10.1155/2021/5518999. PMID: 34222470; PMCID: PMC8213470.
2. Vallabani NV, Mittal S, Shukla RK, Pandey AK, Dhakate SR, Pasricha R, Dhawan A. Toxicity of graphene in normal human lung cells (BEAS-2B). J Biomed Nanotechnol. 2011 Feb;7(1):106-7. doi: 10.1166/jbn.2011.1224. PMID: 21485826.