La URV y una universidad alemana demuestran que las nanopartículas pueden cruzar membranas de forma espontánea

Científicos de la Universitat Rovira i Virgili (URV) y la Saarland University de Alemania han constatado, por primera vez, que una nanopartícula puede atravesar una membrana en milisegundos y que, por lo tanto, éstas pueden entrar en cualquier lugar en conseguir superar la última barrera. La investigación ha observado y cuantificado el momento en que una nanopartícula de oro cruza la membrana, a través de células de barrera protectoras como la bicapa lipídica.

El descubrimiento puede plantear problemas de seguridad de los nanomateriales para el público. Los nanomateriales forman parte, según un informe de la OCDE, de más de 1.300 productos comerciales, desde cosméticos, alimentos, ropa, neumáticos u hormigón. Los científicos han sugerido que se revisen las normas de seguridad de los nanomateriales y se abra el debate sobre la nanotoxicidad con esta nueva aportación científica. La forma como las nanopartículas interactúan con los tejidos y con las barreras humanas, incluidas las membranas celulares, todavía no se conoce lo suficiente. La ausencia de instrumentos fiables para monitorizar objetos de escala nano y el elevado número de mecanismos de posible toxicidad conducen a regulaciones controvertidas. Por ejemplo, las nanopartículas presentes en las cremas no atraviesan la piel, pero pueden entrar en el cuerpo a través de los pulmones o de las capas mucosas.

La principal dificultad es visualizar las nanopartículas de forma individual porque, como los nano-objetos se sitúan por debajo del límite de difracción, los microscopios ópticos no tienen bastante capacidad. Como consecuencia, se han tenido que diseñar técnicas especiales y originales que faciliten la observación de los acontecimientos en el mundo submicrométrico. Además, como las partículas minúsculas se mueven muy rápido y los procesos asociados con ellas duran a duras penas unas fracciones de segundo, las medidas también tienen que ser rápidas.

La investigación

Con este punto de partida, el equipo de investigación de física teórica de la URV, dirigido por Vladimir Baulin, ha diseñado un proyecto para investigar la interacción entre las nanopartículas y las membranas lipídicas. En las simulaciones por ordenador, los investigadores han creado en primer lugar una «bicapa perfecta», en la cual todas las colas de lípidos permanecen en su lugar dentro de la membrana. A partir de sus cálculos, el equipo del doctor Baulin ha observado que las pequeñas nanopartículas hidrófobas —que repelan el agua— se pueden insertar en la bicapa lipídica si su tamaño es similar a la espesura de la membrana (en torno a 5 nanómetros) y que permanecen atrapadas en la membrana celular, como es por lo común aceptado por la comunidad científica.

La gran sorpresa ha sido que en el caso de las nanopartículas superhidrófobas que, no sólo se pueden insertar en la membrana de la célula, sino que, además, pueden escapar de ella de forma espontánea. Como ha destacado el director de la investigación, han chocado con un escenario contrario al hecho de que «como más pequeño es un objeto, más facilidad tiene para cruzar barreras». Los científicos han comprobado que las nanopartículas de más de 5 nanómetros pueden cruzar la bicapa de manera espontánea.

Llegados a este punto, el equipo de la URV entró en contacto con un equipo de investigación dirigido por el investigador Jean-Baptiste Fleury, de la Saarland University (Alemania), para confirmar este mecanismo y estudiar experimentalmente este fenómeno único, en el que se observa este desplazamiento de la nanopartícula. Con este propósito diseñaron un experimento de microfluidos para formar sistemas bicapa de fosfolípidos, que se pueden considerar membranas de células artificiales. Con esta configuración experimental, exploraron la interacción de las nanopartículas individuales con este tipo de membrana artificial. Las nanopartículas de oro utilizadas tenían una monocapa de lípidos adsorbidos que garantizaba su dispersión estable y evitaba su agrupación. Utilizando una combinación de microscopia de fluorescencia óptica y mediciones electrofisiològics, el equipo del doctor Fleury podría seguir las partículas individuales que cruzan una bicapa y seguir su camino a nivel molecular.

Tal como predecían las simulaciones, se observó que las nanopartículas se insertan en la bicapa mediante la disolución de su recubrimiento de lípidos en la membrana artificial. Las nanopartículas con un diámetro igual o superior a 6 nanómetros (la extensión característica de una bicapa) son capaces de escapar de la bicapa de nuevo en muy pocos milisegundos, mientras que las nanopartículas más pequeñas permanecen atrapadas en el núcleo de la bicapa.