Design of multifuntional systems based on carbon nanomaterials

Resumen

La nanotecnología se presenta como una nueva ciencia que puede revolucionar multiples aspectos de nuestras vidas. Entre los numerosos campos en los que se centra, la búsqueda de energías renovables, la posibilidad de obtener agua limpia en cualquier parte del mundo, la mejora de la salud y la longevidad de las personas así como el avance de los sistemas informáticos, son los objetivos que más destacan. Las nanoestructuras de carbono son nanomateriales prometedores que pueden ayudar a lograr esas metas. Estos materiales incluyen fullerenos, grafeno, nanohorns y nanotubos de carbono, entre otros. Todos ellos presentan propiedades interesantes y ofrecen nuevas ventajas para aplicaciones en química de materiales y medicina. Nuestro grupo de investigación ha desarrollado metodologías interesantes para la modificación de esas nanoestructuras con el objeto de que puedan ser útiles en las aplicaciones citadas anteriormente. En ese contexto, el objetivo general de la tesis fue el diseño de sistemas multifuncionales basados en nanoestructuras de carbono para ser usados en sensores y en aplicaciones biológicas. El reconocimiento molecular juega un papel importante en numerosos sistemas biológicos. En flavoproteinas, la interacción específica entre el cofactor flavina y la apoenzima determina la reactividad total de la proteina. De este modo, la modulación del entorno de la flavina puede usarse como herramienta para determinar su comportamiento y, además, para entender los procesos moleculares en las enzimas. Con esos objetivos en mente, se abordó la síntesis de diferentes derivados basados en el sistema nanotubo de carbono-triazina para usarlos como receptores múltiples de riboflavina. En primer lugar, se sintentizaron y caracterizaron distintas 1,3,5-triazinas. En un segundo paso, se funcionalizaron nanotubos de carbono tanto de pared simple como de pared multiple con las diferentes triazinas así como con cadenas de p-tolilo usando radiación microondas, y esos derivados se caracterizaron completamente mediante diversas técnicas. El autoensamblaje de los híbridos se analizó mediante microscopía de transmisión electrónica observando como los derivados de 1,3,5-triazinas formaban buenas dispersiones en agua y se autoensamblaban en disolventes no polares debido al reconocimiento mediante enlaces de hidrógeno complementarios. Sin embargo, los derivados de p-tolilo formaban mejores dispersiones en disolventes orgánicos y se agregaban en agua. Finalmente, la habilidad de los nanotubos de carbono de pared múltiple funcionalizados para reconocer la riboflavina se estudió mediante fluorescencia y espectrocopía ultravioleta visible, analizando el alcance de las interacciones no covalentes. Se observó, como la funcionalización covalente de nanotubos de carbono disminuye su habilidad para formar interacciones ¿¿¿¿mientras que las interacciones mediante enlaces de hidrógeno juegan un papel fundamental en el proceso de reconocimiento entre los componentes del sistema. También se estudió la infuencia de las diferentes triazinas en el comportamiento de los complejos. De esta manera, se demostró la modulación del reconocimiento de la riboflavina por medio de los diversos híbridos de nanotubos de carbono. Así, los receptores artificiales pueden ser específicamente diseñados con el objetivo de lograr el control del comportamiento de la riboflavina, importante en procesos de catálisis. Posteriormente se inició un nuevo objetivo que consistió en la modificación de nanohorns de carbon para ser usados como fármacos selectivos en la terapia contra el cancer. En primer lugar se sintetizaron y caracterizaron diferentes híbridos de nanohorns: Antibody-CNH, Drug-CNH, Antibody-Drug-CNH and Double Functionalized-CNH. En particular se usó cisplatino en forma de prodroga y un anticuerpo específico (D2B) para células de próstata que muestran el antígeno PSMA. Finalmente se realizaron diferentes experimentos biológicos desarrollados en colaboración con el profesor Marco Colombatti de la Universidad de Verona (Italia). Se demostró la mejor habilidad del híbrido Antibody-Drug-CNH para matar selectivamente células que muestran el antígeno PSMA en comparación con los otros derivados de nanohorns. El nuevo sistema diseñado ofrece gran potencial debido la la posibilidad de modificar tanto el tipo como el grado de funcionalización. Esto permite variar la cantidad de fármaco o anticuerpo en la nanoestructura con el objetivo de conseguir una mejor eficacia del derivado. Además, con este método se pueden incorporar otros fármacos o anticuerpos al sistema, lo que abre la puerta al tratamiento de otras enfermedades. Finalmente se aplicaron distintas nanoestructuras de carbono en terapia génica. Este trabajo se desarrolló en ¿the Nanomedicine Lab¿ (Universidad de Manchester) bajo la supervision del profesor Kostas Kostarelos. Primero se funcionalizalizaron nanohorns de carbono con grupos amino mediante diferentes metodologías usando radiación microondas (cicloadición 1,3-dipolar y adición radicálica). Se comparó la eficacia de los nanohorns de carbono funcionalizados para formar complejos con siRNA con la de una serie de nanotubos de carbono aportados por el grupo del profesor Kostarelos. En nuestros experimentos, los nanohorns de carbon formaban complejos más fácilmente que los nanotubos. Los complejos siRNA/nanohorns se caracterizaron mediante diversas técnicas y se analizó su capacidad de liberar el siRNA. Aunque los nanohorns de carbono funcionalizados mediante adición radicálica mostrarón una interacción más fuerte con el material genético, los derivados funcionalizados mediante cicloadición 1,3-dipolar lo liberarón de manera más fácil. Los resultados sugirieron que la complejación total entre el siRNA y la nanoestructura debe ser evitada para lograr más fácilmente el posterior desplazamiento de este dentro de la célula. Sin embargo, para garantizar la elección del híbrido más eficaz, los complejos deben ser analizados in vitro. Por tanto, este estudio contribuye al entendimiento de los nanohorns de carbono como vectores en terapia génica. No obstante, un mayor número de derivados deben ser analizados para lograr una comparación completa con los nanotubos de carbono.