Estudio de tensioactivos aniónicos y catiónicos derivados de lisina: interacción con membranas celulares, desarrollo de sistemas nanoestructurados para la liberación intracelular y evaluación toxicológica in vitro

Abstract

Los tensioactivos son compuestos altamente versátiles con amplia utilización en la industria farmacéutica y cosmética. Aquellos derivados de aminoácidos presentan una baja toxicidad y elevada biodegradabilidad y, por lo tanto, tienen un abanico más amplio de aplicaciones y constituyen una alternativa a los tensioactivos sintéticos convencionales. En los últimos años, existe un interés creciente en la utilización de excipientes bioactivos con actividad lítica pHsensible en sistemas nanoestructurados, con el fin de aumentar la especificidad y eficacia de dichos vehículos para la liberación de fármacos en órganos o células dianas. En este trabajo se ha planteado estudiar dos grupos de tensioactivos derivados de lisina: tensioactivos aniónicos de doble cadena derivados de la N(α,)N(ε)-dioctanoil lisina y tensioactivos catiónicos de cadena simple derivados de la N(ε)-acil lisina o N(α)-acil lisina. En primer lugar, se ha procedido con el estudio de las propiedades de interacción de estos tensioactivos con membranas celulares en función del pH del medio, utilizando el eritrocito como modelo de membrana endosomal. Se ha demostrado que los tensioactivos aniónicos tienen actividad lítica pHdependiente independiente del contraión, mientras que las propiedades de los tensioactivos catiónicos dependen especialmente de la posición de la carga catiónica y, en menor medida, de la longitud de cadena alquílica. La actividad pH-sensible se atribuye a la presencia de la carga positiva en el grupo α-amino de la lisina, mientras que el aumento de la fluidez de la membrana y la pérdida de sus proteínas estructurales se han evidenciado como los mecanismos involucrados en el aumento de la lisis celular a pH ácidos. Una vez corroborado el potencial lítico pH-dependiente de los tensioactivos, se ha avanzado en el desarrollo, caracterización y estudio toxicológico de sistemas nanoestructurados conteniendo estos compuestos. En primer lugar, se han desarrollado nanovesículas lipídicas con los tensioactivos catiónicos y se ha procedido con el estudio de sus efectos tóxicos en células representativas de la piel, como propuesta de su potencial aplicación en formulaciones de administración tópica. Se han observado efectos citotóxicos moderados, respuesta inflamatoria leve y ausencia de fototoxicidad. A continuación, se han llevado a cabo estudios de los mecanismos involucrados en la toxicidad de las nanovesículas, además de la evaluación de su capacidad de internalización celular. Se ha propuesto que el estrés oxidativo, la disfunción mitocondrial y la apoptosis son los principales mecanismos involucrados en la toxicidad. Por otra parte, los estudios de internalización celular y estabilidad endosomal han mostrado la capacidad de las nanovesículas que contienen los tensioactivos con carga positiva en el grupo α-amino de la lisina para romper la membrana de los endosomas, lo que corrobora su actividad pH-dependiente. Por último, se han desarrollado nanopartículas poliméricas incluyendo el tensioactivo aniónico 77KL como excipiente pH-sensible. Se ha encapsulado el fármaco antitumoral metotrexato y se ha demostrado su mayor actividad en inhibir la proliferación de las células tumorales en comparación con el fármaco libre no encapsulado. Este hecho se atribuye, especialmente, a la actividad pH-dependiente de las nanopartículas. Tras la internalización y liberación específica del fármaco a nivel intracelular, la inhibición del ciclo celular, la apoptosis y, en menor medida, el daño mitocondrial y lisosomal, se han demostrado como los mecanismos involucrados en la actividad antitumoral del metotrexato encapsulado en las nanopartículas. En conclusión, es importante destacar que el desarrollo de vehículos con actividad pHdependiente es una propuesta interesante para mejorar la liberación intracelular de fármacos y para aumentar sus efectos terapéuticos. Por lo tanto, se considera que los tensioactivos derivados de lisina estudiados en esta Tesis son potenciales excipientes bioactivos en formulaciones nanoestructuradas. Del mismo modo, los métodos in vitro utilizados se mostraron eficaces en demostrar los mecanismos involucrados en los efectos tóxicos de los nanomateriales.

Surfactants are among the most versatile and widely applied excipients in cosmetics and pharmaceuticals. Amino acid-based surfactants, which have this versatility together with biocompatibility, low toxicity and pH-responsive membrane-disruptive activity, could be potential bioactive excipients in intracellular drug delivery systems. In this line, five anionic and three cationic lysine-based surfactants were studied concerning their pH-dependent properties using the erythrocyte as a model of endosomal membrane. All the anionic surfactants showed pH-sensitive activity independently on the counterion, whereas among the cationic amphiphiles, only those with the positive charge on the α-amino group of lysine displayed membrane-lytic activity dependent on the pH. Thereafter, these amphiphiles were applied in the development of pH-sensitive nanocarriers. The cationic surfactants were included in lipid-based nanovesicles, while the anionic compound 77KL was used for the preparation of methotrexate-loaded chitosan nanoparticles. It was assessed whether the cationic compounds increase the likelihood of intracellular delivery and modulate the toxicity of the nanovesicles, as a proposal for their potencial intravenous application. Due to increasing concern over animal use, in vitro alternative methods were used for all studies. The induction of mitochondrial dysfunction, oxidative stress and apoptosis were the general mechanisms underlying cytotoxicity. Fluorescence microscopy analysis demonstrated that nanovesicles were internalized by cells, and evidenced that their ability to release endocytosed materials into cell cytoplasm depends on the structural parameters of amphiphiles. Moreover, the cytotoxicity of nanovesicles was evaluated using representative skin cell lines, and the wide range of in vitro assays proved the applicability of these nanocarriers for topical administration. On the other hand, the pH-sensitive behavior of nanoparticles containing 77KL allowed accelerated release of methotrexate in an acidic medium, as well as membrane-lytic pH-dependent activity, which facilitated the cytosolic delivery of endocytosed materials. Besides, our results clearly proved that the drug encapsulated into the nanoparticles were more active against the tumor cells than the free drug. Altogether, these studies showed that the design of nanocarriers containing pHsensitive surfactants as bioactive excipients for endosome disruption is a promise approach for intracellular drug delivery and increased therapeutic effects. Furthermore, the insights into some toxicity mechanisms of these new nanomaterials contribute to reducing the uncertainty surrounding their potential health hazards.