Multimodal approach to the interaction of OD15 superparamagnetic nanoparticles and MCF-7 cancer cells

Resumen

Aunque se han producido importantes avances en el tratamiento contra el cáncer gracias a los esfuerzos acometidos, esta enfermedad multifactorial y heterogénea sigue siendo una da las mayores causas de mortalidad en los países desarrollados. En los últimos años, diferentes estudios se han centrado en el posible uso de nanopartículas paramagnéticas de óxido de hierro (SPION, del inglés superparamagnetic iron oxide nanoparticles). Dichos estudios han generado una gran expectación debido a que las SPION son herramientas con prometedoras aplicaciones en el campo de la biomedicina tales como el diagnóstico por imagen mediante resonancia magnética (MRI, del inglés magnetic resonance imaging) o como terapia contra el cáncer mediante hipertermia y/o la liberación de moléculas anti-cancerígenas Factores tales como el tamaño, la forma, la carga en superficie y la funcionalización de nanopartículas pueden determinar sus vías de internalización y distribución celulares y, por lo tanto, su rendimiento efectivo. Por todo ello, se requiere un conocimiento más preciso de los mecanismos de internalización y distribución intracelulares de las SPION modificadas en su superficie. Estos estudios requerirán de información ultraestructural del destino de estas nanopartículas dentro de las células permitiendo así la evaluación de su posible uso en nanomedicina. En este trabajo, se ha llevado a cabo una aproximación multimodal para el análisis de la interacción, internalización y biocompatibilidad de SPION OD15 recubiertas de ácido dimercaptosuccínico (DMA-SPION) en células de cáncer de mama MCF-7. Las nanoparticulas de hierro OD15 presentan un diámetro medio de 15 nm y carga negativa en superficie, presentando unas buenas características de biocompatibilidad. Las células se incubaron con DMSA-SPION durante distintos intervalos de tiempo, desde 0.5 a 72 h, mostrando una internalización eficaz y una retirada relativamente lenta, tal y como confirmaron los ensayos con azul de Prusia y la microscopía electrónica de transmisión (TEM, del inglés transmission electron microscopy). Los estudios de absorción mostraron una acumulación máxima de las SPION en un área definida cerca del núcleo y próxima a la red del Golgi. Tras una incubación de 24 h su concentración intracelular disminuyó lentamente con las sucesivas divisiones celulares. Las SPION OD15 internalizadas se localizaron en el interior de endosomas tal y como se confirmó la visualización mediante TEM y el ensayo de fluorescencia con la sonda acidotrópica LysoTracker Red. Estudios ultraestructurales mediante TEM mostraron una absorción de los grandes agregados de SPION (> 200 nm) mediante macropinocitosis, mientras que los pequeños agregados (< 200 nm) se internalizaron mediante un proceso mediado por clatrina. La técnica de criomicroscopía de rayos X (SXT) se empleó en el análisis a resolución nanométrica, de la acumulación de la SPION OD15 y la significativa reorganización del ambiente intracelular en la célula completa crio-preservada, sin necesidad de fijación química ni adición de agentes de tinción. La microscopía correlativa, por su parte, permitió la localización de las células que contenían SPION acumuladas en los endosomas, ya que estas habían sido marcadas previamente con LysoTracker. Los volúmenes reconstruidos confirmaron la acumulación endosomal de las SPION cerca del área del Golgi, en las proximidades del núcleo. De hecho, la SXT nos permitió llevar a cabo un análisis cuantitativo estadístico de la acumulación de las SPION que confirmó un incremento en el número y tamaño de las vesículas desde las 3 h hasta las 24 h. Sin embargo, la presencia de vesículas con elevada absorción en las células control, sin una previa incubación con las SPION nos indujeron a intentar detectar de forma inequívoca el hierro dentro de las células. Para ello utilizamos espectroscopía de absorción de rayos X (XAS, del inglés X-ray spectroscopy absorption). Mediante esta técnica, adquirimos series de energía bidimensionales y series de inclinación a 520 y 707 eV para su posterior reconstrucción en tres dimensiones. El análisis de las series de energía confirmó la detección específica del hierro mediante los máximos de absorción coincidiendo con los perfiles L3 y L2 del elemento. Los volúmenes tomográficos nos permitieron obtener un mapa cualitativo de la distribución del hierro dentro de la muestra.