Propiedades mecánicas de nanopartículas como herramienta para el diseño de vehiculizadores de fármacos

Las investigadoras del Departamento de Física y de IFIBA de UBA-CONICET Marta Ferraro y Mónica Pickholz junto a Damián Grillo y Juan Albano publicaron recientemente en The Journal of Chemical Physics el estudio de propiedades mecánicas de una membrana polimérica cargada con fármacos modelo y su implicancia en el diseño de polimerosomas aptos como nanocarriers -transportadores de tamaño nano- de fármacos. Su aplicabilidad es importante en la administración controlada de drogas, como en el caso de terapias oncológicas. La investigación fue llevada a cabo junto a Esteban Mocskos, del Departamento de Computación de Exactas-UBA y el Centro de Simulación Computacional para Aplicaciones Tecnológicas de CONICET; y Julio Facelli de la Universidad de Utah.

“La idea global de esta línea de trabajo es conocer con mayor detalle las características de ciertos nanocarriers poliméricos que mejoren alguna propiedad del efecto de fármacos, como su capacidad para llegar al sitio de acción, o bien, tener una actividad más prolongada. Nos interesa saber cómo -mediante herramientas computacionales- se puede apuntar un diseño racional, y así, disminuir la cantidad de pruebas, ahorrar tiempo de desarrollo y optimizar recursos”, explica Mónica Pickholz.

Un polimerosoma es una vesícula, una especie de cápsula que está formada por una membrana constituida por polímeros con un interior acuoso (ver figura adjunta). Según desarrolla Damián Grillo, “lo interesante de estos sistemas es que pueden encapsularse compuestos tanto en la membrana si la droga es hidrofóbica, o en el interior acuoso de los sistemas si es hidrofílica, aunque también se pueden encapsular ambas en simultáneo, cada una en su región, lo que puede resultar sumamente útil a la hora de abordar terapias combinadas”.  Dado que las propiedades de un polimerosoma están fuertemente relacionadas con las características de la membrana que lo forma, el estudio de modelos de membrana representaría un enfoque simplificado para determinar propiedades del polimerosoma completo.

Marta Ferraro cuenta que la investigación implicó sucesivas etapas de trabajo como el diseño de un modelo de membrana, la formación del sistema, la estabilización del mismo; y por último el estudio de la interacción membrana-droga encapsulada. “En una etapa posterior lo que interesa conocer es cómo responde el modelo completo y correlacionar los resultados con los obtenidos con el modelo de membrana. Es un desafío porque computacionalmente requiere de muchos recursos”, dice la investigadora.

El polimerosoma, al estar hecho de polímeros permite una gran versatilidad en cuanto a los materiales, ya que son múltiples las formas en que puede prepararse o sintetizarse según criterios deseados como la permeabilidad o la elasticidad mecánica, por ejemplo. En este sentido, “las posibilidades de estudio son muchas, nuestro trabajo se centró en la encapsulación, una propiedad mecánica en particular” afirma Grillo y asegura que les interesaba especialmente cómo se veía afectada la estabilidad del sistema cuando se incluía el fármaco modelo. “Lo que hicimos fue colocar la droga hidrofóbica en la membrana y otra droga hidrofílica afuera, en el medio acuoso, queríamos ver cómo se modificaba el comportamiento del sistema ante la interacción de estos componentes. Observamos cómo variaba el perfil de presiones a lo largo de la membrana; lo que permitió entender el balance entre las fuerzas internas que ocurren dentro y determinar si la inclusión de la droga resultaba desestabilizadora”.

Juan Albano, es el médico de este equipo interdisciplinario. Afirma que estos estudios preliminares que se hacen desde el área teórica acortan mucho los plazos a la hora del desarrollo de nuevos nanocarriers con propiedades específicas; “además el mejoramiento continuo del software hace que la brecha entre las etapas teórica y experimental sean mucho más cortas. Por lo que la alimentación entre teoría, simulación y experimentación se ve enriquecida”.

“Los resultados nos permiten afirmar que la inclusión de la droga modelo no desestabiliza la membrana; por lo cual este tipo de sistemas que estudiamos serían aptos para ser usados en la administración de fármacos. Ahora continuamos trabajando en la incorporación del cálculo de presiones para sistemas esféricos en el programa de simulación , y de ese modo, poder calcular las presiones en el sistema completo”, concluye Ferraro.

Journal of Chemical Physics, 148, 214901 (2018)