Nanopartículas de FePO₄: Portadores biocompatibles para administración de doxorrubicina, estabilización de RNA y actividad anticancerígena mejorada

Resumen

Las nanopartículas de FePO₄ combinan biocompatibilidad, alta biodisponibilidad, responsividad magnética y propiedades sensoriales superiores, haciéndolas ideales para fortificación de alimentos, imagen biomédica y administración de fármacos. En este estudio, diseñamos FePO₄ como portador del agente anticancerígeno doxorrubicina (DOX), logrando una carga óptima de fármaco de 26,81 ± 1,0 %. Las partículas FePO₄-DOX resultantes exhibieron distribución de tamaño uniforme, biocompatibilidad dependiente de concentración (>70 % viabilidad hasta 80 µg/mL) y un aumento dramático de 10 veces en citotoxicidad comparado con DOX libre, con selectividad mejorada para células cancerosas. Además, las nanopartículas de FePO₄ estabilizaron RNA y preservaron la actividad de traducción de mRNA, subrayando su potencial como plataformas de entrega multifuncionales para ácidos nucleicos terapéuticos. Estos hallazgos destacan la versatilidad de las partículas de FePO₄ para administración segura de fármacos y RNA, y su promesa en aplicaciones de fortificación de alimentos.

Introducción

Entre nanomateriales inorgánicos, las nanopartículas basadas en hierro (Fe-NPs) destacan por sus propiedades magnéticas, metabolismo endógeno y aplicaciones aprobadas por FDA en imagen de contraste, administración de fármacos e hipertermia. Las nanopartículas de FePO₄, en particular, exhiben excelente biocompatibilidad, alta biodisponibilidad oral y mínimo impacto organoléptico, haciéndolas atractivas para prevención de anemia por deficiencia de hierro mediante fortificación de alimentos. Su captación en células intestinales ocurre principalmente vía transportador de metal divalente-1 (DMT-1), asegurando absorción eficiente. Más allá de imagen, FePO₄ ofrece una ruta de síntesis químicamente simple y escalable que produce partículas monodispersas con carga superficial controlada, permitiendo carga robusta de fármacos y estabilización de ácidos nucleicos. Este trabajo explora FePO₄ como vehículo de administración de fármacos para DOX y como estabilizador de RNA, con el objetivo de demostrar una única plataforma que aborde tanto necesidades terapéuticas como nutricionales.

Resultados y Discusión

Síntesis, Caracterización y Biocompatibilidad de Nanopartículas de FePO₄

FePO₄ se sintetizó vía co-precipitación directa de fosfato amónico y nitrato de hierro(III), seguido de dispersión en DSPE-PEG-COOH para prevenir agregación. La dispersión dinámica de luz reveló diámetro hidrodinámico de 175 ± 5 nm con índice de polidispersidad de 0,15 ± 0,01, indicando excelente homogeneidad de tamaño. Medidas de potencial zeta mostraron carga superficial negativa de −19,1 ± 8 mV, que reduce opsonización proteica y prolonga tiempo de circulación. Espectros FTIR confirmaron presencia de grupos PO₄³⁻ y ausencia de residuos de precursores, verificando pureza del producto. Ensayos MTT en células de osteosarcoma murino K7M2 y fibroblastos NIH/3T3 demostraron viabilidad dependiente de concentración, con >70 % supervivencia celular hasta 80 µg/mL, confirmando biocompatibilidad de NPs de FePO₄ dentro de una ventana terapéuticamente relevante.

Caracterización de nanopartículas de FePO₄: a Distribución de tamaño; b Potencial zeta; c Espectros FTIR; d Biocompatibilidad en líneas celulares (media ± DE; n = 3–6).

Carga de Doxorrubicina y Citotoxicidad Mejorada de FePO₄-DOX

DOX se incorporó vía co-incubación con Fe(NO₃)₃ seguido de precipitación con (NH₄)₃PO₄, produciendo eficiencia de carga de 26,81 ± 1,0 %. El complejo Fe³⁺-DOX se forma durante este paso, confirmado por cambio de color de amarillo a marrón y emisión de fluorescencia inalterada (590 nm). El tamaño hidrodinámico permaneció 187 ± 7 nm, mientras la carga superficial cambió a −8,89 ± 5 mV, reflejando la naturaleza catiónica del DOX unido. Ensayos de citotoxicidad revelaron reducción de 10 veces en valores IC₅₀ comparado con DOX libre (NIH/3T3: 0,248 µM vs 2,61 µM; K7M2: 0,107 µM vs 1,01 µM). Importante, las nanopartículas FePO₄-DOX mantuvieron >70 % viabilidad a concentraciones equivalentes de FePO₄, indicando que la citotoxicidad mejorada surge de la complejación Fe³⁺-DOX en lugar de toxicidad de nanopartículas. La muerte selectiva de células cancerosas sobre fibroblastos también se amplificó, con diferencia de 19 % en viabilidad a 0,1 µM equivalente de DOX.

Eficiencia de carga de doxorrubicina y cambios fisicoquímicos en FePO₄-DOX: a Eficiencia de carga entre formulaciones; b Transición de color; c Espectros de emisión; d Distribución de tamaño; e Potencial zeta (media ± DE; n = 3).

Citotoxicidad de FePO₄-DOX vs DOX libre en NIH/3T3 y K7M2: a,b Viabilidad celular tras 48 h; c,d Comparación IC₅₀ (media ± DE; n = 6).

Internalización Celular de Nanopartículas FePO₄-DOX

Microscopía confocal de células K7M2 reveló captación despreciable a 0,5–1 h, seguida de fluorescencia intracelular pronunciada a 3 h, comparable a DOX libre. El perfil de internalización dependiente del tiempo demuestra que las nanopartículas FePO₄-DOX pueden entregar efectivamente DOX en células cancerosas dentro de un plazo clínicamente relevante, mientras las propiedades magnéticas de FePO₄ permiten aplicaciones teranósticas potenciales.

Internalización en curso de tiempo de FePO₄-DOX vs DOX libre en células K7M2 (0,5, 1, 3 h). Fluorescencia roja indica captación exitosa de nanopartículas.

Estabilización de RNA y Expresión Funcional

Las nanopartículas de FePO₄ protegen RNA modelo de hidrólisis y nucleasas, evidenciado por bandas intactas en electroforesis en gel de agarosa de RNA (RAGE) tras incubación en agua y suero. En contraste, nanopartículas de cobre y nanotubos de carbono aceleraron degradación. Ensayos funcionales usando mRNA codificante de luciferasa demostraron que FePO₄ preservó eficiencia de traducción, entregando aumento de dos veces en luminiscencia relativo a control, mientras nanopartículas de cobre redujeron expresión. Estos resultados subrayan a FePO₄ como estabilizador robusto de RNA que mantiene actividad biológica, posicionándolo como candidato para terapéuticos y vacunas basados en mRNA.

Estabilización y traducción de RNA: a Ensayo de degradación en agua; b Estabilidad en suero; c Expresión de luciferasa con FePO₄ vs nanopartículas de cobre.

Conclusiones

Las nanopartículas de FePO₄, sintetizadas via co-precipitación simple y estrategia de PEGilación, forman partículas monodispersas (~175 nm) con carga superficial negativa estable. Exhiben alta biocompatibilidad (>70 % viabilidad hasta 80 µg/mL) y carga eficiente de DOX (26,8 %). Las nanopartículas FePO₄-DOX entregan citotoxicidad mejorada (reducción 10 veces IC₅₀) y selectividad aumentada para células cancerosas. Las partículas también estabilizan RNA contra hidrólisis y preservan actividad de traducción de mRNA, validando su doble rol como portadores de fármacos y ácidos nucleicos. Estos atributos hacen de las nanopartículas de FePO₄ una plataforma convincente para administración terapéutica y para fortificar alimentos con hierro y compuestos bioactivos.

Métodos

Síntesis y Caracterización de Nanopartículas de FePO₄

Las nanopartículas de FePO₄ se produjeron mezclando soluciones equimolares de fosfato amónico (16 mg/mL) y nitrato de hierro(III) (8 mg/mL) bajo agitación constante, seguido de centrifugación y lavado para eliminar precursores residuales. El precipitado resultante se dispersó en DSPE-PEG-COOH (10 % p/p) para generar nanopartículas estables. Tamaño y potencial zeta se midieron por DLS; identidad química se confirmó por FTIR.

Carga de Doxorrubicina

DOX (100 µg) se añadió a soluciones de Fe(NO₃)₃ o (NH₄)₃PO₄ antes de precipitación para lograr complejación con Fe³⁺. Las partículas FePO₄-DOX resultantes se lavaron tres veces y cuantificaron por espectroscopía de fluorescencia (excitación 490 nm, emisión 595 nm). La eficiencia de carga se calculó como ((DOX en NPs – DOX en sobrenadante)/DOX inicial) × 100.

Ensayo de Biocompatibilidad y Citotoxicidad

Células de osteosarcoma murino K7M2 y fibroblastos NIH/3T3 se sembraron a 10.000 células/pozo en placas de 96 pozos, tratadas con FePO₄ o FePO₄-DOX (20–600 µg/mL) por 48 h, y viabilidad evaluada por MTT (550 nm). Líneas celulares también se expusieron a DOX libre (0,05–5 µM) para citotoxicidad comparativa.

Internalización Celular

Para imagen confocal, células K7M2 (12.000 células/pozo) se trataron con 5 µg/mL DOX o FePO₄-DOX por 0,5, 1 y 3 h, fijadas, teñidas con DAPI, e imagenadas en Zeiss LSM-700. Fluorescencia de DOX (560 nm) se usó para rastrear captación intracelular.

Estabilidad y Expresión de RNA

RNA de levadura Torula (1 mg/mL) se incubó con 20 µg/mL de NPs de Cu, FePO₄, Ag, CNT o ZnO a 37 °C y se monitorizó en el tiempo por RAGE. Para estabilidad en suero, RNA se incubó en 10 % FBS/DMEM. mRNA codificante de luciferasa se tradujo en lisado de reticulocitos de conejo con o sin 20 µg/mL FePO₄ o NPs de Cu, y luminiscencia se midió con lector Biotek Synergy H1.

Análisis Estadístico

Los datos representan al menos tres experimentos independientes, expresados como media ± DE. Datos de viabilidad derivados de seis réplicas técnicas.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Los conjuntos de datos que respaldan este estudio están disponibles del autor correspondiente bajo solicitud razonable.