Nanopartículas magnéticas para aplicaciones biomédicas

Abstract

El objetivo general que se ha planteado en este trabajo de tesis ha sido la obtención de nanopartículas magnéticas (NMPs) que puedan presentar aplicaciones biomédicas. El tipo de NPMs desarrolladas han sido, por una parte, magnetoliposomas, y, por otra, un ferrofluido formado por magnetita estabilizada con polietilenglicol (PEG). Como premisas de partida, se ha fijado que cualquier muestra obtenida de tener un tamaño inferior a 200 nm, estabilidad mínima de 24 horas, y un comportamiento propio de los ferrofluidos ante un campo magnético. Sobre aquellos productos que cumplían los citados requisitos se han ido introduciendo modificaciones hasta obtener un producto estable con las propiedades antes indicadas. Se estudiaron dos aplicaciones terapéuticas de las partículas sintetizadas: como sistemas adecuados para terapia hipertérmica, y como sistemas transportadores de fármacos dirigidos bajo la acción de un campo magnético.

Los magnetoliposomas obtenidos encapsulaban o bien un ferrofluido aniónico comercial, o bien el ferrofluido obtenido con PEG en liposomas empleando el método de fase reversa seguida de extrusión. Estos liposomas presentaban un diámetro de partícula de unos 200 nm, eran superparamagnéticos, muy estables y con las tasas de encapsulación más elevadas que las obtenidas por otros métodos.

Se ha obtenido un ferrofluido por co‐precipitación de sales férricas en presencia de PEG. El PEG no estaba modificado y su interacción con la magnetita es de tipo físico. Se han obtenido nanopartículas de magnetita con un tamaño medio de 12 nm.

Se ha estudiado el efecto de hipertermia y termoablación inducida de estas NPMs en fantoms, materiales con propiedades dieléctricas y de permitividad semejantes a los tejidos reales sobre los que se pretende aplicar la terapia. Se comprobó el funcionamiento de los aplicadores de radiación, una guía de onda y una antena de microondas, así como, el uso de las NPMs como potenciadores y como agentes para focalizar la energía en la zona deseada. Se demostró, que utilizando en conjunto el aplicador con las NPMs es posible focalizar la energía sobre el tumor evitando el calentamiento del tejido sano circundante, lograr incrementos de temperatura en el rango terapéutico y controlar los incrementos de temperatura en el tejido.

Se ha estudiado la biodistribución de los magnetoliposomas en ratones a los que se les había inducido inflamación. Se confirmó que las NPMs se acumulan principalmente en el foco inflamatorio sin la necesidad de dirigirlos mediante un campo magnético externo. En un segundo estudio se observó que, además, si se le aplica en la zona inflamatoria un campo magnético externo, la cantidad de NPMs aumenta en el exudado, y disminuye en sangre, hígado y bazo. Esto demuestra que los magnetoliposomas pueden ser utilizados como vehículo de transporte, para dirigir fármacos a zonas de interés terapéutico, con lo que podríamos reducir la dosis de fármaco administrada y aumentar la eficacia del tratamiento y prevenir los efectos secundarios.

To obtain magnetic nanoparticles (MNPs) for biomedical applications was the primary objective of this thesis. Two types of MNPs have been developed. On one hand, magnetoliposomes and secondly, a ferrofluid formed by magnetite stabilized with polyethylene glycol (PEG). As a starting premise, samples of 200 nm, 24 h minimum stability and proper behavior of ferrofluids to a magnetic field are set to be the starting premises of this research. Specific modifications have been introduced to products that fulfill these requirements in order to obtain a stable product with the properties mentioned above. Two therapeutic applications of synthesized particles were studied as suitable systems for hyperthermia therapy, and as targeted drug carrier systems under the action of a magnetic field.

The obtained magnetoliposomes encapsulate a commercial anionic ferrofluid or the ferrofluid stabilized with PEG inside liposomes using the method of reverse phase followed by extrusion. These liposomes have a particle diameter of 200 nm, are superparamagnetic, very stable and encapsulation rates higher than those obtained by other methods.

Using co‐precipitation method of ferric salts in the presence of PEG the ferrofluid was obtained. The PEG was not modified and its interaction with the magnetite is of physical type. MNPs we obtained with an average size of 12 nm.

The effect of induced hyperthermia and thermal ablation of these NPMS in phantoms have been studied. Phantoms are materials with dielectric and permittivity properties tissues‐like in which the therapy is intended to be applied. We demonstrated the operation of the radiation applicator, a waveguide and a microwave antenna, and also the use of NPMS as enhancers and agents to focus the energy on the desired area. It was demonstrated the usage of applicator together with the NPMS is possible to focus the energy on the tumor while sparing the surrounding healthy tissue heating. Furthermore an enhanced of the temperature on the therapeutic range and the control of the increases of temperature in the tissue were obtained.

We have studied the biodistribution of magnetoliposomas in mice that had been induced inflammation. NPMS was confirmed to accumulate mainly in the inflammatory focus directing without using an external magnetic field in the exudate. Moreover, in a second study it was observed that, if this external magnetic field was applied in the inflammatory area, the amount of NPMS increases in the exudate and decreases in blood, liver, and spleen. This demonstrate that magnetoliposomas can be used as transport vehicle for drug targeting to areas of therapeutic interest, and reduce the dose of drug administered and increases the efficiency of the treatment preventing side effects.