Generación Mejorada de Especies Reactivas de Oxígeno por Nanopartículas GdVO₄:Eu³⁺ y Complejos con Azul de Metileno bajo Irradiación UV-Vis y Rayos X

Resumen

Este estudio investiga la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) en soluciones acuosas que contienen nanopartículas de ortovanadato de gadolinio GdVO₄:Eu³⁺ (VNPs) y sus complejos con azul de metileno (MB). Usando formación de dieno conjugado, detección de radical hidroxilo con cumarina y monitoreo de oxígeno singlete vía ADPA, comparamos la producción de ROS bajo irradiación UV-Vis y rayos X. Los complejos VNPs-MB produjeron altos niveles de radicales hidroxilo y oxígeno singlete cuando se iluminaron con luz UV-Vis, debido a transferencia de energía no radiativa eficiente de VNPs a MB. En contraste, bajo exposición a rayos X, las VNPs capturaron radicales hidroxilo, una observación novedosa para esta clase de material. Estos hallazgos sugieren que los complejos VNPs-MB podrían servir como agentes efectivos para terapia fotodinámica inducida por rayos X.

Antecedentes

La radioterapia (RT) trata aproximadamente la mitad de todos los pacientes con cáncer, basándose largely en daño indirecto al ADN mediado por ROS generados durante la radiólisis del agua. Nanopartículas de alto número atómico (Au, Ag, Hf, Gd, Ti) y nanopartículas semiconductoras (TiO₂, ZnO, CuO, CeO₂, Al₂O₃, ZnS) mejoran la RT amplificando la producción de ROS a través de interacciones fotoeléctricas y Compton. Similarmente, nanopartículas semiconductoras generan ROS bajo irradiación UV mediante separación de portadores de carga: huecos oxidan agua para producir radicales hidroxilo, mientras electrones reducen oxígeno a superóxido, que puede formar oxígeno singlete. Nanopartículas centelleantes también pueden transferir energía inducida por rayos X a fotosensibilizadores, permitiendo terapia fotodinámica (PDT) de tejido profundo. Trabajos previos demostraron que nanopartículas GdVO₄:Eu³⁺ (VNPs) pueden transferir energía de excitación a azul de metileno, sugiriendo potencial como agentes PDT activados por rayos X.

Experimental

Químicos

Todos los reactivos fueron grado analítico; GdCl₃·6H₂O, EuCl₃·6H₂O, NaVO₃ y azul de metileno (PM = 373,90 g mol⁻¹) se usaron sin purificación adicional.

Síntesis de Nanopartículas GdVO₄:Eu³⁺

Coloides Gd₀.₉Eu₀.₁VO₄ se prepararon por co-precipitación de GdCl₃, EuCl₃, EDTA y Na₃VO₄ bajo reflujo (100 °C, 24 h). La dispersión resultante se dializó (PMCO 12 kDa) durante 24 h para eliminar iones en exceso.

Caracterización

Microscopía electrónica de transmisión (TEM) reveló VNPs en forma de huso (8 × 25 ± 5 nm). Dispersión dinámica de luz dio un diámetro hidrodinámico promedio de 44 ± 0,3 nm. Potencial zeta fue –18,75 ± 0,15 mV a pH 7,8, reflejando recubrimiento superficial de EDTA. Absorción UV-Vis mostró banda ancha (250–350 nm) por transferencia de carga O→V y banda de emisión Eu³⁺ desplazada al rojo. Análisis Tauc produjo una banda prohibida de 4,13 eV, mayor que la reportada para polvos de partícula mayor, indicando efectos de tamaño cuántico.

Preparación de Complejos VNPs-MB

MB (10 µM) se mezcló con VNPs (0,1–10 mg mL⁻¹) en solución acuosa, se agitó 1 h, y el complejo resultante tuvo una concentración de MB unido a superficie de 10 µM.

Métodos de Detección de ROS

Test de Dieno Conjugado: Liposomas PC (1,2 mmol L⁻¹) fueron oxidados por ROS, monitoreados a 234 nm tras 30 min de irradiación UV (310–400 nm, 43 W cm⁻²).

Ensayo de Radical Hidroxilo: Cumarina (0,1 mmol L⁻¹) se irradiaron con láser 325 nm (1 h) o rayos X 30 kV (30 min). Fluorescencia de 7-hidroxicumarina (λₘₐₓ ≈ 460 nm) cuantificó OH•.

Ensayo de Oxígeno Singlete: Fluorescencia de ADPA (10 µM) (excitación 378 nm) fue apagada por oxígeno singlete generado bajo irradiación láser 457 nm (50 mW, 30 min).

Resultados y Discusión

Caracterización de VNPs

VNPs en forma de huso exhiben estructura tetragonal zircon (XRD). Su pequeño tamaño conduce a un borde de absorción desplazado al azul, explicando la banda prohibida medida de 4,13 eV.

Generación de ROS bajo UV-Vis

La formación de dieno conjugado fue mayor en complejos VNPs-MB, seguida por VNPs solos, MB solo y control. Esta jerarquía refleja: (1) producción de radical hidroxilo y oxígeno singlete impulsada por VNP; (2) generación de oxígeno singlete mediada por MB; y (3) transferencia de energía sinérgica de VNPs a MB en el complejo. Ensayos de radical hidroxilo confirmaron que VNPs solos generan OH• significativo bajo UV, mientras que complejos VNPs-MB producen aproximadamente la mitad de esa cantidad, probablemente debido a la adsorción de MB blindando agua superficial y desviando recombinación electrón-hueco hacia excitación de MB. Ensayos de oxígeno singlete mostraron un aumento doble en apagado de ADPA para complejos VNPs-MB versus MB o VNPs solos, confirmando transferencia de energía eficiente.

Generación de ROS bajo Irradiación de Rayos X

Contrario a UV, la exposición a rayos X resultó en fluorescencia reducida de 7-hidroxicumarina para soluciones de VNP, indicando captura de OH• por VNPs. Este efecto se intensificó con concentraciones más altas de VNP y representa el primer reporte de nanopartículas GdVO₄:Eu³⁺ actuando como quencher de ROS bajo condiciones de rayos X. El mecanismo subyacente puede involucrar captura de electrones por VNPs o neutralización de radicales mediada por superficie, similar al comportamiento conocido de nanopartículas CeO₂.

Conclusiones

Nanopartículas GdVO₄:Eu³⁺ y sus complejos con azul de metileno exhiben producción pronunciada de ROS bajo irradiación UV-Vis, combinando vías de radical hidroxilo y oxígeno singlete. Bajo exposición a rayos X, las VNPs únicamente capturan radicales hidroxilo. Estas capacidades duales posicionan a los complejos VNPs-MB como candidatos prometedores para terapia fotodinámica activada por rayos X.

Abreviaturas

• MB – Azul de Metileno
• PS – Fotosensibilizador
• ROS – Especies Reactivas de Oxígeno
• VNPs – Nanopartículas GdVO₄:Eu³⁺