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Nanogel

Un nanogel es una partícula de hidrogel reticulada a base de polímeros a escala submicrométrica . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Estas complejas redes de polímeros presentan una oportunidad ...

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Un nanogel es una partícula de hidrogel reticulada a base de polímeros a escala submicrométrica . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Estas complejas redes de polímeros presentan una oportunidad única en el campo de la administración de fármacos en la intersección de la síntesis de nanopartículas e hidrogeles. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Los nanogeles pueden ser naturales, sintéticos o una combinación de ambos y tienen un alto grado de ajuste en términos de su tamaño, forma, funcionalización de la superficie y mecanismos de degradación. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Dadas estas características inherentes además de su biocompatibilidad y capacidad para encapsular fármacos y moléculas pequeñas, los nanogeles son una estrategia prometedora para tratar enfermedades y disfunciones al servir como vehículos de administración capaces de navegar a través de barreras fisiológicas desafiantes dentro del cuerpo. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Los nanogeles no deben confundirse con el aerogel de nanogel , un aislante térmico ligero, ni con los hidrogeles nanocompuestos (geles NC) , que son redes poliméricas hidratadas rellenas de nanomateriales que exhiben mayor elasticidad y resistencia en relación con los hidrogeles hechos tradicionalmente.

Síntesis

La síntesis de nanogeles puede lograrse mediante una amplia gama de métodos. Sin embargo, dos pasos críticos que suelen incluirse en cada método son la polimerización y la reticulación, siendo la reticulación física y química la más común. [ 4 ] Estos pasos pueden completarse simultáneamente o en orden secuencial, dependiendo del método de síntesis y la aplicación final del nanogel. [ 4 ] A continuación, se describen brevemente varios mecanismos de síntesis diferentes.

Representación gráfica de siete métodos diferentes para sintetizar nanogeles poliméricos.

Desolvatación/coacervación y precipitación

En la desolvatación o coacervación, se añade un no solvente a una solución polimérica homogénea para producir complejos poliméricos individuales de tamaño nanométrico dispersos en la misma solución. [ 3 ] Estos complejos luego se reticulan para formar nanogeles, siendo la funcionalización de la superficie un paso opcional. [ 3 ] En la precipitación, se añaden iniciadores y agentes reticulantes a una solución monomérica homogénea para inducir una reacción de polimerización. [ 4 ] Cuando la cadena polimérica alcanza la longitud deseada, la reacción se detiene y se forma una suspensión coloidal polimérica. [ 2 ] [ 3 ] Los surfactantes son la adición final para producir polímeros de tamaño nanométrico. [ 2 ] [ 3 ]

Interacciones electrostáticas e hidrofóbicas

Las interacciones electrostáticas pueden formar nanogeles mediante la combinación de polímeros aniónicos y catiónicos en una solución acuosa. [ 3 ] El tamaño y la carga superficial de los nanogeles resultantes pueden modularse cambiando el peso molecular o la relación de carga de los dos polímeros diferentes. [ 3 ] La gelificación ionotrópica también puede aprovechar las interacciones electrostáticas entre aniones y cationes multivalentes para formar nanogeles. [ 3 ] Las interacciones hidrofóbicas dependen en gran medida del entrecruzamiento físico para formar nanogeles. [ 3 ] En este método, se añaden grupos hidrofóbicos a polímeros hidrofílicos en una solución acuosa para inducir su autoensamblaje en nanogeles. [ 3 ] Cuando se utilizan polímeros tiolados ( tiómeros ) para este proceso de preparación, los nanogeles pueden estabilizarse aún más mediante la formación de enlaces disulfuro inter e intracatenarios debido a la oxidación . Posteriormente, los oligo- o polímeros con carga opuesta pueden incluso eliminarse. [ 5 ] [ 6 ]

Emulsión inversa

La emulsión inversa, o miniemulsión inversa, requiere un disolvente orgánico y un tensioactivo o agente emulsionante. [ 3 ] [ 4 ] Se producen gotas de tamaño nanométrico cuando una solución acuosa de monómero se dispersa en el disolvente orgánico en presencia del tensioactivo o agente emulsionante. [ 3 ] [ 4 ] Tras la eliminación del disolvente orgánico y la posterior reticulación química y física de las gotas, se forman nanogeles. [ 3 ] [ 4 ] El tamaño de los nanogeles sintetizados mediante este método puede variar considerablemente dependiendo del tipo de tensioactivo y del medio de reacción utilizados. [ 3 ] La purificación de los nanogeles producidos con un agente emulsionante también puede suponer un reto. [ 3 ]

Polimerización mediante microplantilla

La adición de una solución precursora de monómero y un agente reticulante a una microplantilla, o dispositivo tipo molde, puede iniciar la polimerización y la formación de nanogeles. [ 4 ] Este método puede utilizarse para crear nanogeles con formas específicas y cargarlos con diversas moléculas pequeñas. [ 4 ] La polimerización litográfica con microplantilla es un proceso similar que utiliza un fotoiniciador y luz para desencadenar la formación de nanogeles. [ 4 ] La polimerización litográfica con microplantilla puede producir nanogeles más pequeños en una escala de longitud de <200 nm, lo que tiene una resolución mayor en comparación con la polimerización con microplantilla que no requiere un fotoiniciador. [ 4 ]

Micelas reticuladas

Las micelas a base de polímeros que experimentan reacciones de reticulación pueden inducir la formación de nanogeles. [ 3 ] [ 7 ] La reticulación del núcleo o la capa de micelas preexistentes puede sintetizar nanogeles con un "alto grado de organización espacial". [ 3 ] [ 7 ]

Composición y estructura

Materiales

Seis tipos diferentes de nanogeles.

Dado que la biodegradabilidad es una característica importante de los nanogeles, estos hidrogeles suelen estar compuestos de polímeros naturales o sintéticos degradables. [ 3 ] Los polisacáridos y las proteínas predominan en gran medida en las formas naturales de polímeros utilizados para sintetizar nanogeles. [ 2 ] [ 3 ] Debido al uso de polisacáridos tiolados ( tiómeros ) como el quitosano tiolado o el ácido hialurónico tiolado [ 8 ] [ 9 ] los nanogeles pueden estabilizarse mediante enlaces disulfuro intra e intercatenarios. Las ventajas de los nanogeles basados ​​en polímeros naturales incluyen la biocompatibilidad y la degradabilidad por mecanismos celulares in vivo. [ 3 ] Los polímeros naturales también tienden a ser no tóxicos y bioactivos, lo que hace más probable que induzcan señales biológicas que rigen diversos aspectos del comportamiento celular. [ 3 ] Sin embargo, los polímeros de base natural aún pueden causar una respuesta inmune y poseen otras desventajas, como tasas de degradación variables y estructuras heterogéneas. [ 3 ] Por el contrario, los polímeros de base sintética tienen estructuras más definidas, mayor estabilidad y tasas de degradación controladas. [ 3 ] En comparación con los polímeros de base natural, los polímeros sintéticos carecen de señales biológicas que pueden ser necesarias para aplicaciones terapéuticas específicas. [ 3 ] Dado que los polímeros naturales y sintéticos se definen por su propio conjunto de ventajas y desventajas, un área de investigación en curso tiene como objetivo crear hidrogeles compuestos para la síntesis de nanogeles que combinen polímeros sintéticos y naturales para aprovechar los beneficios de ambos en una sola formulación de nanogel. [ 3 ]

Diversos tipos de biomateriales naturales y sintéticos utilizados para sintetizar nanogeles.

Estructura

The structure of a nanogel is dependent upon the synthesis mechanism and its application. Simple or traditional nanogels are nanoparticle-sized crosslinked polymer networks that swell in water.[3][10] Hollow nanogels consisting only of an outer shell can increase the amount of cargo loaded into the platform.[3][10] In other nanogel structures, the inner core and outer shell can be made of two different materials, such as a hydrophobic inner core to surround drugs or other small molecules and a hydrophilic outer shell that interacts with the external environment.[2][3] The addition of a second linear monomer crosslinked to a nanogel is deemed a "hairy nanogel".[2][7] Different nanogel synthesis methods can be completed in sequential order to create multilayered nanogels, such as starting with ionotropic gelation and then combining anionic and cationic polymers in an aqueous solution.[7][10] Functionalized nanogels, in which targeting ligands or stimuli-sensitive functional groups are conjugated to the outer shell of a nanogel, are also important for certain nanogel applications.[2][3][7][10]

Stimuli-responsive nanogels

Nanogels can be designed to respond to various stimuli including changes in pH and temperature or the presence of redox and light cues. Thoughtfully designed stimuli-responsive nanogels can be leveraged to transport and release different types of cargo to specific tissues within the body with increasing spatiotemporal resolution.

Stimuli-responsive nanogels with different examples of stimuli and two potential release mechanisms.

pH-responsive nanogels

Los nanogeles sensibles al pH son una forma atractiva de tecnología de nanogeles debido a los diferentes niveles de pH que se encuentran dentro del cuerpo. Los tejidos sanos exhiben un pH de 7,4, mientras que los tumores pueden ser tan bajos como 6,5 y el estómago tan bajo como 1,0. [ 10 ] La protonación o desprotonación de ciertos grupos funcionales puede cambiar la tasa de hinchamiento y la estabilidad de un nanogel, lo que resulta en la liberación de la carga encapsulada cuando se expone a diferentes rangos de pH. [ 2 ] [ 10 ] Por ejemplo, los nanogeles aniónicos con grupos de ácido carboxílico colapsarán al exponerse a un pH que es menor que el pKa del polímero del nanogel. [ 2 ] [ 10 ] De manera similar, los nanogeles catiónicos con grupos amino terminales se protonarán si el pH del entorno es menor que el pKa del hidrogel. [ 2 ] [ 10 ] En este caso, la tasa de hinchamiento del nanogel cambiará y se volverá más hidrofílico. [ 2 ] [ 10 ] Otros grupos también han reticulado previamente enlaces de hidrazona sensibles al pH a nanogeles a base de polisacáridos que liberaban una carga útil en un entorno ácido. [ 11 ]

Nanogeles sensibles a la temperatura

El uso de polímeros termosensibles en la síntesis de nanogeles permite que estos sistemas respondan a cambios de temperatura. [ 1 ] Dependiendo de los grupos químicos presentes, los polímeros termosensibles pueden responder a una disminución o un aumento de la temperatura. [ 10 ] Tanto los grupos hidrofóbicos como los hidrofílicos suelen estar presentes en los nanogeles de polímeros termosensibles que reaccionan a disminuciones de temperatura, mientras que los nanogeles que responden a aumentos de temperatura a menudo deben prepararse mediante una técnica de capas con enlaces de hidrógeno. [ 10 ] Los nanogeles termosensibles son una estrategia potencial cuando un tratamiento terapéutico se dirige a la piel, que tiene un gradiente de temperatura natural, o a una región que experimenta inflamación. [ 1 ] [ 2 ] [ 10 ]

Nanogeles con respuesta redox

Los nanogeles con respuesta redox generalmente contienen enlaces cruzados formados por enlaces disulfuro [ 12 ] o agentes de reticulación específicos. [ 3 ] [ 10 ] También se pueden utilizar nanogeles hechos de monómeros biorreducibles y bifuncionales. En presencia de agentes reductores como el glutatión, la tiorredoxina y la peroxirredoxina, estos nanogeles responden liberando su carga. [ 10 ] [ 13 ] Dado que estos agentes reductores y otros se encuentran en concentraciones mayores dentro de las células en comparación con su entorno externo, los nanogeles con respuesta redox son una estrategia prometedora para la administración intracelular dirigida. [ 10 ]

Nanogeles sensibles a la luz

Los nanogeles fotosensibles pueden activarse para liberar su carga al exponerse a luz de una longitud de onda determinada. [ 10 ] Estos nanogeles se sintetizan para contener enlaces acrílicos o de cumarina específicos que se rompen durante una fotorreacción. [ 10 ] Gracias a la posibilidad de ajustar la longitud de onda de la luz, la energía y el tiempo de irradiación, los nanogeles fotosensibles pueden activarse para degradarse con un mayor control sobre la densidad de entrecruzamiento. [ 10 ] Por ejemplo, se observó que tanto la hinchazón como el tamaño de los nanogeles fotosensibles con grupos vinilo disminuían y producían una liberación sostenida de fármacos tras la irradiación con luz UV. [ 10 ]

Respuestas fisiológicas a los nanogeles

Ejemplo de un proceso de endocitosis para un nanogel cargado con un fármaco.

Biocompatibilidad, biodegradabilidad y biodistribución

Una de las principales preocupaciones con cualquier sistema de administración de fármacos, incluidos los nanogeles, son los posibles efectos secundarios y el daño al tejido sano, además de la respuesta inmunitaria negativa que provoca la introducción de una sustancia extraña. [ 3 ] [ 7 ] Esto debe equilibrarse con la necesidad de que los nanogeles permanezcan en circulación durante un período adecuado para administrar la sustancia y producir un efecto terapéutico. [ 3 ] [ 7 ] Para combatir una respuesta inmunitaria significativa, los nanogeles degradables son la opción predeterminada, ya que se consideran menos tóxicos que los nanogeles no degradables. [ 3 ] [ 7 ] La flexibilidad y el pequeño tamaño de los nanogeles degradables también les permiten viajar a través de los vasos sanguíneos y alcanzar su área objetivo antes de ser consumidos por las células inmunitarias o filtrados por el hígado y el bazo. [ 3 ] [ 7 ]

Mecanismos de captación celular

Después de que los nanogeles salen de la vasculatura, se difunden a través del espacio intersticial hacia su tejido diana. [ 7 ] A nivel celular, los nanogeles pueden ser internalizados por una gran cantidad de diferentes tipos de endocitosis que dependen del tamaño, la forma y las propiedades de la superficie de la partícula. [ 3 ] [ 7 ] La endocitosis es el mecanismo más común que comienza con los nanogeles engullidos por la membrana celular. [ 3 ] [ 7 ] Los nanogeles son transportados en vesículas intracelulares para su entrega a los endosomas que finalmente se combinan con los lisosomas. [ 3 ] [ 7 ] Una vez que los lisosomas son liberados en el citosol de una célula, entregan su carga inmediatamente o se mueven al compartimento celular apropiado. [ 3 ] [ 7 ]

Aplicaciones

Las posibles aplicaciones de los nanogeles incluyen agentes de administración de fármacos , [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] agentes de contraste para imágenes médicas o trazadores de 19 F MRI , [ 18 ] nanoactuadores y sensores. [ 19 ]

Administración de medicamentos

Terapias contra el cáncer

En 2022, se proyectaron más de 1,9 millones de nuevos casos de cáncer solo en los EE. UU. [ 20 ] Los nanogeles son una solución atractiva para la administración de fármacos, ya que aumentan tanto la eficacia de las terapias contra el cáncer como su localización en las células cancerosas. Actualmente se están investigando los nanogeles para el tratamiento de diferentes tipos de cáncer, de los cuales se enumeran algunos ejemplos aquí. En un estudio, los nanogeles a base de quitosano cargados con doxorrubicina, un quimioterapéutico, con una carga superficial positiva demostraron una menor viabilidad de las células de cáncer colorrectal en comparación con los grupos de control y un nanogel cargado de manera similar con una carga superficial negativa. [ 21 ] Otro grupo conjugó ácido fólico a nanogeles cargados con cisplatino o doxorrubicina y administró estas terapias a células de cáncer de ovario, que sobreexpresan el receptor de folato que se une al ácido fólico. [ 22 ] Estos nanogeles conjugados produjeron una disminución significativa del crecimiento tumoral en un modelo de ratón en comparación con los controles del vehículo y mostraron un modelo de administración específica del sitio para nanogeles que puede ser eficaz para otros tipos de cáncer con receptores de folato regulados al alza. [ 22 ] Curiosamente, se ha informado que los nanogeles a base de gelatina cargados con cisplatino y conjugados con ligandos del receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR) se dirigen con éxito a las células de cáncer de pulmón tanto in vitro como in vivo, y trabajos adicionales confirman la eficacia de estos nanogeles cuando se transforman en partículas de aerosol. [ 23 ]

Ejemplo de uso de una nanopartícula terapéutica para la administración dirigida de fármacos a células cancerosas. [ 24 ]

Moléculas basadas en ácidos nucleicos

Los nanogeles son portadores ventajosos de moléculas pequeñas basadas en ácidos nucleicos que pueden emplearse para tratar diversas enfermedades. Aquí se analizan ejemplos de tres tipos diferentes de moléculas que entran en esta categoría: oligonucleótidos, miRNA y análogos de nucleósidos. En un estudio, se sintetizaron nanogeles sintéticos catiónicos modificados con insulina y transferrina para transportar oligonucleótidos, una posible herramienta terapéutica y diagnóstica para trastornos neurodegenerativos, al cerebro. [ 25 ] Estos nanogeles se localizaron con éxito a través de un modelo in vitro de la barrera hematoencefálica y se acumularon en el cerebro en un modelo de ratón. [ 25 ] Con el tratamiento de enfermedades cardiovasculares en mente, se han funcionalizado nanogeles basados ​​en polisacáridos con fucoidano para dirigirse a los receptores de P-selectina sobreexpresados ​​en plaquetas y células endoteliales. [ 26 ] Después de la carga con miRNA, estos nanogeles se unieron a las plaquetas y fueron internalizados por una línea celular endotelial. [ 26 ] Los nanogeles también se han utilizado para encapsular análogos de nucleósidos fosforilados o formas activas de fármacos anticancerígenos. En un estudio, los nanogeles cargados con nucleósido 5'-trifosfatos sufrieron modificaciones superficiales y se unieron con éxito a los receptores de folato sobreexpresados ​​en células de cáncer de mama. [ 27 ] Estos nanogeles fueron internalizados por las células y produjeron un aumento significativo de la citotoxicidad en comparación con los grupos de control. [ 27 ]

Nanogeles sensibles a estímulos para la administración de fármacos

Los nanogeles que responden a diversos estímulos, incluidos cambios en el pH y la temperatura o la presencia de señales redox y lumínicas, han demostrado ser herramientas útiles para la administración de fármacos. Uno de estos nanogeles sensibles fue diseñado para cambiar de una carga superficial negativa a una carga superficial positiva al exponerse a una disminución del pH una vez dentro de un tumor. [ 28 ] Cuando se cargó con un agente quimioterapéutico, esta tecnología indujo una menor viabilidad en esferoides tumorales 3D en comparación con los grupos de control. [ 28 ] Se encontró que otro tipo de nanogel cargado con fármacos antiinflamatorios para la osteoartritis aumentaba significativamente la cantidad de fármaco transportado después de la aplicación tópica en la piel y la exposición a su temperatura elevada natural. [ 29 ] Un grupo informó un método para controlar la tasa de liberación de un medicamento antiplaquetario desde un nanogel utilizando luz UV para alterar la densidad de reticulación del polímero y, posteriormente, cambiar la tasa de hinchamiento. [ 30 ] Además, se han sintetizado otros nanogeles para incluir polímeros escindibles por disulfuro que responden a señales reductoras en el entorno circundante. [ 31 ] Uno de estos nanogeles se cargó con un agente quimioterapéutico y demostró una disminución en la viabilidad celular en comparación con una versión libre del mismo agente. [ 31 ]

Imágenes y diagnóstico

Además de las aplicaciones de administración de fármacos, los nanogeles se han utilizado como un tipo de modalidad de imagen, ya que pueden encapsular pequeños colorantes y otras moléculas reporteras. [ 7 ]

Un ejemplo de nanogeles sensibles al pH para aumentar la sensibilidad de la resonancia magnética. [ 32 ]

Imágenes por resonancia magnética

Los agentes de contraste típicos para resonancia magnética que contienen gadolinio y manganeso se excretan rápidamente del cuerpo y conllevan riesgos de mayor toxicidad. [ 33 ] [ 34 ] Los nanogeles buscan sortear estas limitaciones encapsulando estos agentes y aumentando su relajación o sensibilidad. [ 7 ] [ 35 ] Un estudio encapsuló gadolinio-III dentro de un nanogel y observó una mejora significativa en la relajación en comparación con una formulación de gadolinio-III disponible clínicamente. [ 36 ] Otro grupo desarrolló nanogeles sensibles al pH que contenían óxido de manganeso y nanopartículas de óxido de hierro superparamagnéticas que lograron obtener imágenes de tumores pequeños, donde el pH era más ácido en comparación con los tejidos sanos circundantes. [ 32 ] Los nanogeles que contienen flúor también pueden usarse como trazadores para resonancia magnética de 19F , porque su agregación y unión a los tejidos tienen solo un efecto menor en su señal de resonancia magnética de 19F. Además, pueden transportar fármacos y sus propiedades fisicoquímicas de los polímeros pueden modularse en gran medida. [ 18 ] [ 37 ] [ 38 ]

Imágenes PET

De forma similar a las imágenes de resonancia magnética (RM), los radionúclidos metálicos pueden cargarse en nanogeles y reticularse para obtener radiotrazadores PET para imágenes. [ 7 ] [ 39 ] Los nanogeles que contienen isótopos de cobre comúnmente utilizados para imágenes PET demostraron estabilidad general y acumulación en tumores, lo que produjo una señal más alta en comparación con el tejido cercano. [ 39 ] Otros estudios han explorado tecnologías similares con nanogeles sensibles a la oxidación-reducción cargados con un isótopo de galio y otros metales trivalentes para imágenes PET. [ 40 ] También se han desarrollado nanogeles compuestos de dextrano para obtener imágenes de macrófagos asociados a tumores con radionúclidos y dirigirlos al hueso. [ 41 ] [ 42 ]

Otras imágenes ópticas

For in vivo fluorescence-based optical imaging, dyes that emit near infrared (NIR) wavelengths >700 nm are most effective, such as indocyanine green, but encounter limitations with reduced circulation time and nonspecific interactions with other biological factors that affect the fluorescence.[7] pH-sensitive nanogels with functionalized surface receptors to target cancer cells were loaded with a fluorescent dye that was only released upon endocytosis.[43] These nanogels successfully generated a fluorescent signal from within the cancer cells and many other groups have developed similar technologies.[7][43]

Regenerative medicine

Various applications of nanogels in regenerative medicine contexts including as injectable delivery vehicles and as components of implantable polymeric scaffolds.

Wound healing

Nanogels are a promising technology being explored to aid in the wound healing process.[44] Given their ability to encapsulate various types of cargo, nanogels can strategically deliver anti-inflammatory agents, antimicrobial drugs, and necessary growth factors to facilitate new tissue growth and blood vessel formation.[44] Chitosan-based nanogels have demonstrated an improved wound healing effect in previous studies.[44][45][46] Chitosan-based nanogels encapsulating interleukin-2 were successfully used to stimulate the immune system and advance the wound healing process.[45] Additionally, chitosan-based nanogels carrying an antibiotic, silver sulfadiazine, were found to decrease the size of second-degree burns in one in vivo study.[46] In another study, silver-loaded nanogels were synthesized in a natural polymer-based solution containing aloe vera, and the presence of aloe vera led to increased healing and a decrease in wound size.[47] With the goal of preventing infection and accelerating the healing process, one group has also published a new nanogel design consisting of an encapsulating core and a functionalized outer surface capable of targeting bacteria present in wounds.[48]

Tissue regeneration

To repair and regenerate damaged tissue, nanogels have been explored to not only encapsulate drugs and growth factors for local administration, but also to serve as porous scaffolds at a tissue implantation site.[44] Boron-containing temperature-responsive nanogels formed a solid scaffold upon injection into a critical bone defect and continued to induce the production of new osteoblast cells.[49] To treat the effects of myocardial infarction, one in vivo study loaded temperature-responsive nanogels with cardiac stem cells and observed improved cardiac function through an increase in left ventricular ejection.[50] Blood vessels have been successfully regenerated in an in vivo model of ischemia using nanogels to encapsulate vascular endothelial growth factors.[51] Heparin-based nanogels loaded with growth factors have also been tested in the regeneration of the urethral muscle that causes urinary incontinence.[52]

Other applications

Sensors

A fluorescent nanogel thermometer was developed to measure temperatures to within 0.5 °C (0.90 °F) in living cells. The cell absorbs water when colder and squeezes the water out as its internal temperature rises; the relative quantity of water masks or exposes the fluorescence of the nanogel.[53]

References

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