Castillo-Arellano, Lopez-Badillo, and Múzquiz-Ramos: Vías de obtención de nanomateriales empleados para el tratamiento del cáncer por hipertermia magnética



Introducción

La hipertermia es un tratamiento mediante el cual a un material o nanomaterial se le suministra energía térmica para provocar el calentamiento de determinada región hasta el punto de destruir las células malignas de forma selectiva, este procedimiento generalmente es utilizado para tratar tumores cancerígenos (Pankhurst, Connolly, Jones & Dobson, 2003). Para llevar a cabo este proceso, se utilizan materiales magnéticos. Los pioneros en las investigaciones experimentales de la utilización de estos materiales para el tratamiento de hipertermia fueron (Gilchrist et al., 1957) en ese año; probaron el calentamiento de varias muestras de tejido con partículas nanométricas (20-100 nm) de γ-Fe2O3 expuestas a un campo magnético de 1.2 MHz. A partir de entonces se han realizado muchas investigaciones acerca de estos materiales aplicados para el tratamiento con hipertermia (Abenojar, Wickramasinghe, Bas-Concepcion & Samia, 2016; Chan, Kirpotin, & Bunn, 1993; Hergt, Dutz, Müller & Zeisberger, 2006; Kumar & Mohammad, 2011; Laurent, Dutz, Häfeli & Mahmoudi, 2011; Shah, Davis, Glover, Nikles & Brazel, 2015; Singh & Sahoo, 2014).

Para obtener las nanopartículas metálicas (NPMs) existen diversas rutas de síntesis, entre las cuales se pueden mencionar la síntesis en fase líquida, descomposición térmica, reacciones hidrotermales, método sol-gel, síntesis por microemulsión, evaporación láser y biomineralización, entre otras (Dutz & Hergt, 2014; Ring, 1995).

En este artículo se mostrarán algunos métodos de síntesis de nanomateriales para aplicaciones biomédicas, específicamente en el tratamiento mediante hipertermia. Después de revisar los conceptos básicos acerca de este tipo de materiales, incluyendo las propiedades que le permiten ser aplicados para este tratamiento, se mencionan los métodos más comunes en la síntesis de nanomateriales, para ser usados en la hipertermia.

Historia de los nanomateriales

El uso de los nanomateriales se remonta hacia la medicina tradicional China (Peiyan, Zhengyi, Yanli & Jingjing, 2006), a la pintura utilizada por los Mayas y los italianos en la época Medieval (Yacaman, Rendón, Arenas & Serra Puche, 1996; Padeletti & Fermo, 2003). Se utilizaban tintas coloridas hechas a base de partículas de oro de tamaño coloidal, que tenían propiedades mágicamente curativas para aquellos que las empleaban, además se utilizaron en aplicaciones cerámicas como vasijas y para producir vidrios de colores utilizados en castillos e iglesias.

A partir del siglo XX, la historia de los nanomateriales tomó aplicaciones distintas, por ejemplo, con el descubrimiento de transistores basados en semiconductores (Bardeen & Brattain, 1998) se abrió camino para la miniaturización y la integración de estos dispositivos en los primeros chips.

Nanomateriales: definición y conceptos básicos

El término nano proviene de la palabra griega νάνος que significa “nano” o “muy pequeño”; éste prefijo expresa que una cantidad física es 10-9 veces más pequeño que la unidad.

Al hablar de nanomateriales, la escala nanométrica pertenece principalmente a la longitud de una partícula, por ejemplo, el tamaño, diámetro, etc., generalmente otras magnitudes físicas de dichas partículas como la masa, el área o el volumen no se encuentran dentro de la escala nanométrica (Vajtai, 2013).

Hipertermia

En el año 1866, el médico alemán Busch encontró que algunos tumores dejan de crecer a temperaturas superiores a los 42 °C y que además los tejidos sanos no eran afectados a esta temperatura (Busch, 1866). A partir de este descubrimiento se han desarrollado diversas investigaciones acerca del tratamiento mediante hipertermia, que es un método admitido para el tratamiento del cáncer (Falk & Issels, 2001; Wust et al., 2002).

La técnica de hipertermia consiste en el calentamiento de las células de un tejido a temperaturas de entre 41 y 46 °C con la intención de destruirlas (Hall & Giaccia, 2006). La hipertermia magnética es un método alternativo muy común para tratar el cáncer mediante el cual se eliminan de forma selectiva las células tumorales por medio del incremento de la temperatura del tejido a través de partículas con propiedades magnéticas.

Además, se han realizado diversas investigaciones acerca de la aplicación de partículas magnéticas para el tratamiento de tumores por el método de hipertermia (Abenojar, Wickramasinghe, Bas-Concepcion & Samia, 2016; Rose et al., 2016; Galli et al., 2017; Nemati et al., 2016; Reena et al., 2010; Tkachenko & Kamzin, 2016; Zhang & Song, 2017).

Tipos y propiedades de los nanomateriales usados para la hipertermia

Los materiales más comunes utilizados en el tratamiento con hipertermia son los materiales metálicos y algunos cerámicos, debido a las propiedades magnéticas que éstos pueden poseer.

Dentro de los materiales cerámicos empleados para su uso en la hipertermia se encuentran los biocerámicos, los cuales se catalogan en tres grupos distintos, de acuerdo a su interacción con el tejido vivo, éstos pueden ser: bioinertes, que no interaccionan con el sistema biológico, bioactivos, que pueden interaccionar fácilmente con los tejidos y biodegradables los cuales son solubles (Márquez, 2005).

Los materiales que han sido ampliamente usados en el tratamiento con hipertermia son las nanopartículas magnéticas (NPM) (Matsunaga, Okamura & Tanaka, 2004), estos materiales han sido investigados por (Jordan et al., 1993; Chan, Kirpotin, & Bunn, 1993) para su aplicación en la hipertermia y quienes en sus trabajos experimentales demostraron una eficiencia deseable de una suspensión de cristal superparamagnético para absorber la energía de un campo magnético alternativo y convertirlo en calor. Los óxidos de hierro con propiedades superparamagnéticas (OHSP) son otro tipo de nanopartículas magnéticas utilizadas para hipertermia (Mahmoudi, Sant, Wang, Laurent & Sen, 2011).

Las propiedades de los materiales sólidos se clasifican en seis categorías que son: las mecánicas, ópticas, eléctricas, térmicas, magnéticas y químicas (Callister & Rethwisch, 2007), es importante considerar estas propiedades tanto para los materiales de aplicación biomédica como para el tratamiento con hipertermia, ya que las propiedades que son evaluadas en el material generalmente son las propiedades mecánicas, térmicas, magnéticas y químicas. Las propiedades mecánicas implican la relación que hay entre la deformación del material con respecto a una fuerza aplicada, las propiedades térmicas, como su nombre lo indica, están en función de la conductividad térmica o la capacidad calorífica, además, el comportamiento magnético de los materiales está influenciado por un campo magnético externo, esta propiedad es aprovechada en el tratamiento de hipertermia para generar calor en una zona específica, por último las propiedades químicas se refieren a qué tan reactivo es un material (Callister & Rethwisch, 2007).

En muchos casos, los valores de las propiedades de los materiales pueden depender del tamaño y la morfología de éstos (Vajtai, 2013), similar al caso de la dependencia de las propiedades de un material cristalino de acuerdo con el sistema cristalográfico.

Al hablar de las propiedades mecánicas de un nanomaterial, resultan ser distintas en comparación con materiales a nivel macroscópico, ya que la longitud de enlace generalmente es más corta en los materiales nanoestructurados y a esto se le atribuye el que dichos materiales sean más fuertes y más rígidos. Además, debido al tamaño de su grano la estructura puede presentar una menor cantidad de ciertos defectos cristalinos (Vajtai, 2013).

En cuanto a las propiedades de las nanopartículas magnéticas para ser aplicadas en la hipertermia, se evalúan a través de dos métodos: el calorimétrico y el magnetométrico (Abenojar, Wickramasinghe, Bas-Concepcion & Samia, 2016). El primero consiste en una sonda de temperatura elaborada a partir de fibra óptica junto con un sistema de calentamiento por inducción magnética que consiste en una bobina enfriada por agua que está conectada a un generador de alta potencia (Figura 1(a)). Las muestras se colocan en un contenedor aislado térmicamente para evitar la pérdida de calor al medio ambiente durante la medición. En el método magnetométrico se determina la magnetización dinámica en función del tiempo de la muestra, la propiedad para generar calor a partir de la aplicación de un campo magnético puede determinarse por la curva de histéresis, mostrada en la Figura 1(b).

Figura 1

Diagrama esquemático de dos métodos para evaluar la eficiencia energética de las nanopartículas: (a) método calorimétrico; y (b) método magnetométrico (Abenojar, Wickramasinghe, Bas-Concepcion & Samia, 2016; Nemati et al., 2016).

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Vías de obtención de nanopartículas aplicados para tratamiento con hipertermia

Existen diversos métodos para la obtención de nanopartículas que se pueden aplicar en la hipertermia, en el Cuadro 1 se muestran los métodos más comunes para la síntesis de estos materiales. A continuación, se describen brevemente las rutas más frecuentes de obtención.

Cuadro 1

Rutas de síntesis más comunes para nanomateriales usados en hipertermia magnética.

Método de síntesis Material utilizado Autores
Sol-gel Poli (óxido de etileno) (U-PEO) con nanopartículas superparamagnéticas (γ-Fe2O3) (Caetano et al., 2016)
Ferritas de Zn0.50Ca0.50Fe2O4 (Jasso-Teran et al., 2017)
Microesferas de TiO2 que contienen nanopartículas magnéticas (Kanetaka et al., 2017)
Coprecipitación química Nanopartículas magnéticas (NPMs) de ferrita de zinc (Arteaga-Cardona et al., 2017)
Nanopartículas de ferrita de níquel revestidas con polietilenglicol (PEG) (Iqbal, Bae, Rhee & Hong, 2016)
Nanopartículas de maghemita (Múzquiz-Ramos, Guerrero-Chávez, Macías-Martínez, López-Badillo & García-Cerda, 2015)
Nanopartículas de ferrita de Mn2+ dopado Mg0.5Zn0.5-xMnxFe2O4 (x = 0, 0.125, 0.250, 0.375, 0.500) (Sharma et al., 2017)
Nanopartículas de ferrita de cobalto (Yadavalli, Jain, Chandrasekharan & Chennakesavulu, 2016)
Microemulsión Nanopartículas magnéticas recubiertas con ácido oleico (NPMsOA) cargadas con poli (metacrilato) (Feuser et al., 2015)
Nanopartículas de sílice modificadas orgánicamente (ormosil) (Nagesetti & McGoron, 2016)
Magnetita superparamagnética (Fe3O4) (Ramesh, Ponnusamy & Muthamizhchelvan, 2011)
Nanopartículas de perovskita a base de manganeso (Soleymani & Edrissi, 2016)
Descomposición térmica Ferrofluído de Fe3O4 funcionalizado con péptidos RGD (Arriortua et al., 2016)
Nanocristales de óxido de hierro (Bear et al., 2014)
Nanopartículas de ferrita de cobalto (Cotica et al., 2014)
Nanopartículas de ferrita dispersables en agua superparamagnéticas (MFe2O4) (Sabale, Jadhav & Yu, 2017)
Nanopartículas de ferrita de níquel (Stefanou et al., 2014)
Nanopartículas de magnetita (Fe3O4) (Xiao et al., 2015)
Sonoquímica Nanocompuestos magnéticos PET / Fe3O4, CA, AS (Mallakpour & Javadpour, 2018)
Ferrofluido de hematita/magnetita (Zayed, Ahmed, Imam, & El Sherbiny, 2016a, 2016b; Zayed, Imam, Ahmed, & El Sherbiny, 2017)
Técnica de Massart Fluido magnético iónico basado en nanopartículas de ferrita de cobalto (Cabuil, Dupuis, Talbot, & Neveu, 2011)
Partículas de maghemita (Sun, Ma, Zhang, & Gu, 2004)

La técnica de sol-gel es una técnica tradicionalmente utilizada para la síntesis de cerámicos, la cual permite un control del tamaño de la partícula, a través de éste método pueden obtenerse partículas con diámetro desde 5 hasta 10 nm a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente (Reyes Gómez, 2003). Este método consiste en la formación de un sol al cual se le agrega un agente coordinado hasta la formación de un gel. Generalmente, después de este proceso se deja secar en un horno a determinadas condiciones de temperatura o al medioambiente. En la Figura 2 se muestra un diagrama, en el que se describe gráficamente el método de síntesis por sol-gel.

Figura 2

Etapas de la técnica sol-gel.

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La síntesis por coprecipitación química es un método muy común debido a que el proceso es sencillo. La síntesis de magnetita por este método consiste en la obtención de nanopartículas a través de un proceso de formación de cristales, en el caso de la magnetita conformados por iones de hierro 2+ y 3+, éstos precipitan por la acción de una base como agente precipitante (Bruce et al., 2004); para la síntesis de este compuesto, la sal utilizada (sulfatos, cloruros, nitratos, etc.), el pH de la solución y el radio de los iones Fe 2+ y Fe 3+, influyen en el tamaño y forma de la partícula (Siegel, 1993). Una variante de la coprecipitación química se da con el método de Massart modificado (Sodipo & Aziz, 2013), que consiste en la reacción de coprecipitación a partir de soluciones con pH 10 de FeCl2 y FeCl3 con cloruro de sodio a condiciones inertes de nitrógeno y temperatura ambiente. Mediante este método es posible obtener partículas de dimensiones nanométricas con diámetros desde 30 nm (Goharkhah, Salarian, Ashjaee & Shahabadi, 2015).

Un tercer método utilizado para la síntesis de nanopartículas magnéticas de biomateriales y su aplicación en la hipertermia es la descomposición térmica, esta ruta de síntesis consiste en la descomposición térmica de algún compuesto organometálico (precursor) en solución, en presencia de algún surfactante, a esta solución se le suministra energía en forma de calor durante un tiempo determinado, generalmente de una hora, para deshidratarla y obtener el compuesto deseado. Luego la solución obtenida es enfriada para después lavar y separar los polvos por centrifugación (Maity, Choo, Yi, Ding & Xue, 2009).

Mediante este método, es posible controlar el tamaño de la partícula, según la cantidad de surfactante utilizado y los tamaños que se obtienen van desde ~3.6 nm hasta ≥15 nm (Bear et al., 2014; Chen et al., 2016).

Conclusiones

Las propiedades magnéticas de los materiales cerámicos superparamagnéticos, permiten que puedan ser aplicados para tratamiento de cáncer por hipertermia magnética, y otro tipo de tratamientos, como liberación controlada de fármacos. La síntesis de estos materiales puede llevarse a cabo mediante diversos métodos como sol-gel, coprecipitación química, descomposición térmica, entre otros, los cuales permiten tener un control del tamaño de la partícula y una superficie deseada, de tal manera que se obtengan las propiedades requeridas según las condiciones utilizadas durante la síntesis. Sin embargo, aunque el método de síntesis por coprecipitación química es un método comúnmente usado debido a que es sencillo de realizar, el método por descomposición térmica resulta ser una mejor opción, ya que se tiene un mayor control del tamaño de la partícula. Además de los nanomateriales cerámicos con propiedades magnéticas, se han desarrollado dopajes o recubrimientos para mejorar la biocompatibilidad de los mismos, es por ello por lo que en la investigación de estos materiales aplicados para hipertermia aún existe mucho por abordar.

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TIP REVISTA ESPECIALIZADA EN CIENCIAS QUÍMICO-BIOLÓGICAS, Volumen 24, 2021, es una publicación editada por la Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad Universitaria, Deleg. Coyoacán, C.P. 04510, Ciudad de México, México, a través de la Facultad de Estudios Superiores Zaragoza, Campus I, Av. Guelatao # 66, Col. Ejército de Oriente, Deleg. Iztapalapa, C.P. 09230, Ciudad de México, México, Teléfono: 55.56.23.05.27, http://tip.zaragoza.unam.mx, Correo electrónico revistatip@yahoo.com, Editor responsable: Dra. Martha Asunción Sánchez Rodríguez, Certificado de Reserva de Derechos al Uso Exclusivo del Título No. 04-2014-062612263300-203, ISSN impreso: 1405-888X, ISSN electrónico: 2395-8723, otorgados por el Instituto Nacional del Derecho de Autor, Responsable de la última actualización de este número Claudia Ahumada Ballesteros, Facultad de Estudios Superiores Zaragoza, Av. Guelatao # 66, Col. Ejército de Oriente, Deleg. Iztapalapa, C.P. 09230, Ciudad de México, México, fecha de la última modificación, 4 de febrero de 2021.

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