Introducción

Durante los últimos años y debido a las diferentes propiedades fisicoquímicas relacionadas con su pequeño tamaño, los nanomateriales (NMs) han sido objeto de interés para el estudio y aplicación en industrias como la electrónica, la médica, de ingeniería y de síntesis de nuevos materiales (^{Barrios, 2020: 1-2}). Esto ha permitido su mejora para los fines deseados, como por ejemplo, la fabricación de baterías con mayor duración y poco tiempo de carga, de materiales más ligeros y resistentes, la liberación y administración de fármacos auxiliares en el tratamiento de diversas enfermedades incluyendo el cáncer. De estos últimos, específicamente en el área medicinal y biológica, se requiere, para su aprobación y posterior uso, analizar e identificar su toxicidad mediante modelos in vitro e in vivo, los cuales brindan resultados para garantizar su seguridad y potencial uso como biomateriales, involucrando en ellos su manipulación desde su síntesis, exposición, comercialización y posterior eliminación (^{Mohammadpour et al., 2020}).

Estos NMs pueden ser desarrollados con distinta naturaleza química, como caso se tienen aquellos a base de polímeros, quantum dots (QD), derivados del carbono, cerámicos, óxidos metálicos y no metálicos, presentando estos últimos una gran compatibilidad y buenos resultados en el área biológica y estudios relacionados; por esto, día a día se buscan mejorar las propiedades fisicoquímicas de estas nanopartículas (NPs) metálicas. Una propiedad muy importante e interesante de estas NPs metálicas es el efecto llamado “resonancia localizada del plasmón de superficie” (LSPR, por sus siglas en inglés), el cual incrementa la señal en la detección de algunas moléculas de interés (^{Romo-Herrera et al., 2016}). Justamente, este efecto se presenta en las nanopartículas de oro (AuNPs), las cuales son ampliamente utilizadas en la industria de la electrónica y la medicina, por hacer énfasis en esta última (^{Fan y Zhang et al., 2020}).

Las AuNPs se pueden encontrar en diversas formas como nanoesferas, nanorrodillos, nanoestrellas (Figura 1), las cuales han servido como novedosos biomateriales, y cuyos diversos estudios y ensayos toxicológicos se han presentado en modelos in vivo e in vitro, arrojando concentraciones, tamaños y una estabilidad segura para ser utilizadas en los fines deseados (^{Salata et al., 2004}). Para el caso de los modelos in vitro, los macrófagos han sido una de las células más usadas debido a encuentrarse en gran cantidad en órganos y tejidos del cuerpo, además de ser una de las primeras líneas de defensa del sistema inmunológico. La línea celular más empleada ha sido RAW 264.7 de origen murino, debido a su alto parecido con los macrófagos humanos (^{Ortega, 2015: 21}).

Fuente: Elaboración de los autores.

Figura 1 Diversas formas de AuNPs. 

Nanopartículas de oro (AuNPs) y su aplicación en la biomedicina

Las nanopartículas de naturaleza metálica y específicamente las basadas en oro han tenido amplias aplicaciones biomédicas. Estos beneficios se deben en gran medida a sus diversas propiedades fisicoquímicas como su morfología, donde se pueden encontrar como destacables las nanoesferas, nanorrodillos y nanoestrellas por mencionar algunas (^{Elahi et al., 2018}). Además de su característica óptica en la cual destaca la resonancia localizada del plasmón de superficie (LSPR), la cual puede ser modificada para los fines deseados, al alterar la forma y tamaño de las AuNPs, por la facilidad en el cambio de esta propiedad; y, además, la simpleza en la síntesis de estas ha permitido el uso de las nanoesferas como tratamiento contra el cáncer mediante radioterapia y la funcionalización con fármacos oncológicos para su administración en células blanco. Para el caso de los nanorrodillos, estos también han sido empleados directamente como anticancerígenos y acarreadores de fármacos de liberación directa o prolongada y, por último, las nanoestrellas de oro han sido empleadas como biosensores y bioetiquetadores inteligentes (Sztandera et al., 2018).

Importancia y beneficios de la resonancia localizada del plasmón de superficie (LSPR)

Para las nanopartículas metálicas y principalmente las AuNPs con morfología compleja (nanoestrellas y nanopoliedros), una de las propiedades más importantes es su efecto óptico, del cual se tiene una cercana relación con el efecto LSPR, cuyo significado en inglés es “localized surface plasmon resonance”. Este efecto se debe al movimiento oscilante y grupal dado entre los electrones desapareados y libres en la superficie del oro como nanopartícula, en resultado a un haz electromagnético empleado en ellas (Figura 2). En este caso, esta radiación está dada por la longitud espectral del infrarrojo cercano, debido a ello su gran dependencia del tamaño y forma que tenga la AuNP usada. (Liz-Marzán et al., 2004). La importancia de este efecto radica en la terapia fototérmica debido a su gran capacidad para absorber la luz y la deslocalización electrónica que produzca, logrando alterar el potencial de membrana de las células blanco. Además de ampliar la señal electromagnética de biomoléculas en concentraciones muy bajas, y que sea de interés su caracterización (^{Ding-X et al., 2014}).

Fuente: Elaboración de los autores.

Figura 2 Representación del efecto LSPR en AuNPs. 

Nanopartículas anisotrópicas: ¿cómo modificar el efecto LSPR para detectar moléculas de interés?

Con el entendimiento acerca del efecto LSPR y su alcance para aplicaciones médicas, es importante la modificación y manipulación de este para los fines deseados, la morfología de las AuNPs es una característica relevante que ayuda a controlar las propiedades ópticas aprovechando el factor de anisotropía. En esta manipulación destacan, sobre otras nanopartículas, las formas con puntas agudas, pues es en estas zonas donde ocurre una gran concentración de campos eléctricos debido a la alta acumulación de electrones, por lo tanto, una mayor densidad electrónica (^{Romo-Herrera et al., 2016}).

Nanopartículas con forma de estrella, polígonos y cubos dependen mucho de las condiciones usadas durante su síntesis, por ello, este paso es crucial; de estos métodos, uno de los más importantes y por ende de los más utilizados es el método de química humedad, también conocido como método coloidal, el cual permite controlar la morfología de la AuNP sintetizada y el tamaño de la nanopartícula anisotrópica deseada. La síntesis consta de tres pasos básicos y generales, siendo el primero la creación de AuNPs en forma esférica y con un tamaño muy pequeño, las cuales servirán como semillas en su posterior crecimiento; el siguiente paso es la dilución de estas para controlar el tamaño de la nanopartícula deseada, teniendo en cuenta que entre mayor dilución se realice, se obtendrá un mayor tamaño; por último y más crucial es el crecimiento, pues dependiendo de la forma a obtener, son los reactivos a ocupar, dando mayor importancia a los agentes reductores ocupados (^{Rioux et al., 2015}).

Simulación computacional del efecto LSPR

De acuerdo con el punto anterior, el efecto LSPR puede ser modificado mediante la variación de las propiedades fisicoquímicas de las AuNPs, sin embargo, estos procesos requieren la inversión de tiempo e insumos que pueden no dar los resultados deseados, para ello existen técnicas de simulación computacional con las cuales se pueden modelar estructuras y cuerpos sólidos con diferente geometría y así obtener datos teóricos de su densidad electromagnética y posible aumento del efecto LSPR. Uno de ellos es el método de las diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD), en el cual se resuelven las ecuaciones de Maxwell directamente en el dominio del tiempo, para obtener algoritmos que simulen el campo eléctrico y magnético dentro y alrededor del cuerpo de interés (^{Oskooi et al., 2010}). Este tipo de método, además de ser empleado en el campo del desarrollo de nuevos NMs como en este caso las AuNPs, puede ser usado en electroquímica para el desarrollo de nuevos semiconductores y conductores (^{Piltyay et al., 2020}). En el Laboratorio de Simulación Química de la Facultad de Estudios Superiores Zaragoza de la Universidad Nacional Autónoma de México (FES Z-UNAM) se realizan esta y otros tipos de simulaciones permiténdonos obtener información teórica para ser utilizada por otros departamentos, por ejemplo, en la síntesis de nuevos materiales y moléculas de interés farmacéutico, lo cual hace de la simulación computacional ser de carácter interdisciplinario. Además, los simuladores en fisicoquímica aplicada permiten una mejor planeación de experimentos, siendo posible modificar las variables termodinámicas que afectan las separaciones o determinaciones analíticas (Vázquez-Lira, 2023).

Toxicidad de las AuNPs en macrófagos: la importancia y respuesta de su evaluación en esta línea celular

Las AuNPs han ganado gran interés y aplicaciones en diversas áreas, como la medicina, la electrónica y la industria. Sin embargo, es fundamental comprender y evaluar los posibles efectos adversos que estas nanopartículas pueden tener en la salud humana y el medio ambiente. La evaluación toxicológica de las AuNPs desempeña un papel crucial en la determinación de su seguridad y en la adopción de medidas adecuadas para minimizar cualquier riesgo potencial a continuación se mencionan los diferentes efectos a nivel biológico y ambiental.

Para la evaluación toxicológica de los anteriores efectos, se ha desarrollado la nanotoxicología, una rama de las nanociencias encargada del estudio de los mecanismos celulares, detección, identificación e interfaz nano-biológica que tienen las diversas células con las nanopartículas de cualquier naturaleza; y, en esta revisión, específicamente para AuNPs. Con esto se puede garantizar la bioseguridad en su uso, haciendo énfasis en su biocompatibilidad para sistemas in vitro e in vivo (^{Radomska et al., 2016}). Entendiendo así, los diversos mecanismos de internalización que dependerán fuertemente de sus propiedades fisicoquímicas como el tamaño, distribución, funcionalización y formas de las AuNPs expuestas, provocando, además de los beneficios deseados, alteraciones celulares y por consiguiente modificaciones en el funcionamiento del organismo (Xiapin-Duan et al., 2013).

Los mecanismos de internalización como endocitosis dependiente de clatrinas, de caveolinas, de receptores, fagocitosis y macropinocitosis son las formas en que estos materiales se internan e interactúan con la célula, teniendo en común que en general incluyen la formación de vacuolas que atrapan a las AuNPs, se menciona que estos mecanismos no son incluyentes y que una nanopartícula puede presentar distintas vías de internalización en un solo momento, y esto también dependerá del tipo de célula con la cual se encuentren interactuando, así como la actividad fagocítica que presenten, teniendo como ejemplo a los monocitos/macrófagos (^{Shang et al., 2014}). Durante la relación existente AuNP-célula, se producen distintas respuestas celulares como la citotoxicidad, en la cual se pueden provocar daños y cambios morfológicos en la membrana celular al alterar el intercambio de sustancias con el exterior (Lewinski et al., 2018).

Este estrés oxidativo se provoca por el intercambio electrónico de los iones de oro (I) y sus electrones libres con cadenas proteicas, como la cadena respiratoria mitocondrial, provocando la formación de las especies de ROS (^{J. J-Li et al., 2010}). Esta genotoxicidad se debe al daño genético que puede provocar cambios irreversibles en el ADN, desencadenando deleciones y aberraciones cromosómicas (^{Paino et al., 2012}).

Al final, las respuestas inflamatorias a causa de una respuesta inmunológica por la secreción excesiva de enzimas digestivas, citocinas, granzimas, etc., que al no poder eliminar en su totalidad las AuNPs, aumentan la producción de estas comprometiendo el sitio del daño y los lugares adyacentes (^{Gutierrez-Araujo et al., 2021}).

Al realizar una adecuada evaluación toxicológica para las diferentes AuNPs, en conjunto con su reporte de su concentración, tamaño y exposición controlada, podrán ser utilizadas como un biomaterial con alto potencial médico y biológico, aquí radica la importancia de emplear modelos toxicológicos como las líneas celulares, poniendo de ejemplo células como los macrófagos (^{Zong et al., 2017}), los cuales son células muy importantes, pertenecen al sistema inmunitario innato, tienen funciones fagocíticas las cuales son necesarias en la respuesta inmune del tipo adaptativo, pues son parte de las tareas con fines eliminativos, reparadores, modeladores, y resaltando el fenómeno de la angiogénesis (^{Mosser et al., 2021}). La distribución de los macrófagos en el cuerpo humano se encuentra tanto en tejidos y órganos, debido a esto su nombre y morfología va a cambiar dependiendo de donde se localicen.

Por otro lado, en relación con las propiedades fisicoquímicas de las nanopartículas, estas pueden modificar el grado de internalización en células inmunológicas y así alterar su toxicidad o ser utilizadas en concentraciones adecuadas para uso terapéutico, mediante inmunomodulación o inmunosupresión, como se ha hecho con nanopartículas de naturaleza metálicas como las nanopartículas de plata (AgNPs) y las referidas en esta revisión, las AuNPs.

Teniendo como ejemplos las evaluaciones realizadas en el Instituto de Magnetismo Aplicado en Madrid, España, por un grupo de investigación, en los cuales aprovecharon la gran plasticidad de los macrófagos y las propiedades fisicoquímicas de nanopartículas metálicas y óxido-metálicas como estrategia inmunoterapéutica en cáncer (^{Hernando et al., 2007}).

Por las características anteriores, esta línea celular es un buen modelo de estudio in vitro para la evaluación de la toxicidad de las AuNPs; para este tipo de investigaciones, durante los últimos años se han utilizado dos líneas celulares derivadas de origen murino, como son J774A.1 y RAW 264.7 (^{Gao et al., 2017}), siendo esta última la que tiene mayor relevancia debido a su alta producción de especies de nitrógeno altamente reactivas (RNS), en presencia de lipopolisacáridos, lo cual es un comportamiento muy similar a los macrófagos del cuerpo humano (^{Nguyen et al., 2016}). Estas células murinas fueron aisladas por primera vez por un grupo de investigación norteamericano, para posteriormente ser cultivadas y comercializadas (^{Ralph et al., 1977}).

A continuación, se detallan algunas de las respuestas celulares que se han observado en los macrófagos después de la exposición a nanopartículas de oro.

Es importante destacar que las respuestas celulares a la exposición de las AuNPs pueden ser altamente dependientes de las características específicas de las partículas como tamaño y forma. Además, la interacción entre estas y los macrófagos puede ser compleja y aún no comprendida en su totalidad. Por lo tanto, es esencial continuar investigando para obtener un entendimiento más completo de los mecanismos involucrados en la respuesta de los macrófagos a las AuNPs.

En la Tabla 1, se muestran diversos estudios de respuestas celulares de macrófagos en relación con la exposición de las nanopartículas de oro, se presenta en general la existencia de un incremento en producción de ROS y de citocinas proinflamatorias.

Un grupo de investigación asoció que un tamaño menor de nanoesferas de oro de 13 nm facilita la internalización de estas en las células, por lo cual causan mayor toxicidad en comparación con nanoesferas de 45 nm, ambas a una concentración de 60 µg/mL (^{Goodman et al., 2004}). Por lo tanto, parámetros no solo como la concentración han sido evaluados. Otros estudios compararon el impacto que tiene la forma de las nanopartículas en la viabilidad y morfología celular, teniendo en cuenta los antecedentes en las concentraciones anteriores. Para ello se hicieron valer de dos formas comúnmente sintetizadas de AuNPs para esos años, las nanoesferas y los nanorrodillos de oro, el tamaño utilizado para cada una de ellas fue de 50 y 45 nm, respectivamente, con una exposición celular de 6 h a dos diferentes concentraciones (40 y 60 µg/mL), mostrando que los nanorrodillos presentan mayor daño citotóxico en los macrófagos, así como una disminución en su viabilidad celular, dando a entender que la forma, debido al incremento en su área superficial y la densidad electrónica por parte de las AuNPs que se presentan, tienen una mayor influencia para el daño en estos parámetros (^{Arnida et al., 2011}). Por lo tanto, con estos estudios se establecieron las bases en las cuales se menciona que un menor tamaño, concentraciones y tiempo de exposición altos, así como la complejidad morfológica y el incremento en el área superficial, son importantes en términos de producir daño celular en las distintas líneas celulares de macrófagos.

En la Tabla 2, se presenta la comparación de la toxicidad causada por distintos tamaños de esferas y una misma concentración de AuNPs en la viabilidad celular, concluyendo que a un menor tamaño de partícula existe un decremento en la viabilidad celular, mientras que a mayor tamaño no existe una disminución significativa y en algunos casos es parte de un aumento en la proliferación celular.

Con el desarrollo de la nanotecnología en los últimos años y su aplicación para diversos campos, las nanopartículas de oro han tenido una evolución constante y con ello la creación de complejas formas como las nanoestrellas de oro, las cuales tienen una mayor área superficial y concentración electrónica en comparación con los nanorrodillos y las nanoesferas mencionadas. Esta nueva forma permite el incremento de su efecto SERS para el marcaje y detección de nuevas moléculas, por esto Gao y su grupo de investigación evaluaron su toxicidad en macrófagos, con respecto a los antecedentes planteados por Arnida. Las nanoestrellas estudiadas tenían un tamaño de 34 nm y fueron comparadas con nanoesferas y nanorrodillos de 50 nm en concentraciones de 40 µg/mL en la línea RAW 264.7, agregando además otros macrófagos como J774A.1, durante 24 h. Encontrando resultados similares entre estas dos estirpes celulares, donde las nanoestrellas presentaban una toxicidad representativa con respecto a las otras dos formas, confirmando con los estudios previos de las propiedades fisicoquímicas de las AuNPs y su influencia en la toxicidad celular. Estos estudios y los que se realicen en años posteriores adquieren mucha relevancia como nanoherramientas en futuras aplicaciones biomédicas, por ejemplo, en tratamiento contra el cáncer, por lo tanto, es prescindible encontrar las concentraciones y tiempo de exposición adecuados de cada forma de las AuNPs y su potencial beneficio (^{Adewale et al., 2019}; ^{Carnovale et al., 2019}).

Conclusiones

Las nanopartículas metálicas, específicamente las de oro, tienen grandes propiedades ópticas, debido al efecto LSPR que presentan con sus diferentes morfologías y tamaños, esto les da una amplia aplicación en diferentes campos como la electrónica, síntesis de nuevos materiales y la biomédica. Poniendo el ejemplo de tratamientos contra el cáncer, biomarcadores y bioetiquetadores de moléculas de interés; sin embargo, es necesario conocer el efecto toxicológico que pueden tener, así como sus tamaños y concentraciones seguras de cada una de las distintas formas. Para su evaluación in vitro, los macrófagos son un buen modelo celular al ser parte del mantenimiento, función y respuesta inmune del organismo, por lo cual son una de las primeras células de exposición con los nanomateriales. Este tipo de estudios llevados a cabo a lo largo de estos años permite conocer los mecanismos de toxicidad de las AuNPs in vitro, y, posteriormente, trasladarse in vivo, aunque es necesario realizar estas investigaciones debido al incremento, uso y síntesis de nuevas nanopartículas con propiedades fisicoquímicas diferentes. Además, esto va a permitir modificar a conveniencia estas características para los diversos fines terapéuticos deseados.