Evaluación in vivo de la toxicidad de nanopartículas de cobre y óxido de zinc biosintetizadas administradas por vías intraperitoneal e intravenosa en ratas

Resumen

Las nanopartículas (NP) de cobre (Cu) y óxido de zinc (ZnO) se aplican ampliamente como agentes antimicrobianos en cosméticos, aditivos alimentarios y medicina. Sin embargo, su potencial toxicidad para humanos y ecosistemas sigue siendo una preocupación crítica. Este estudio investigó el destino in vivo y el perfil de seguridad de NP de Cu biosintetizadas (Bio-CuNP) y ZnO NP biosintetizadas (Bio-ZnONP) en ratas Wistar macho, administradas por vía intraperitoneal (i.p.) o intravenosa (i.v.). Las dosis oscilaron entre 6,1-19,82 µg kg⁻¹ para Bio-CuNP y 11,14-30,3 µg kg⁻¹ para Bio-ZnONP, reflejando concentraciones usadas en estudios antibacterianos. Durante 28 días, se monitorizaron mortalidad, peso corporal, comportamiento, hematología, bioquímica sérica (creatinina, ALT, AST, ALP), pesos de órganos e histopatología de hígado, riñón, bazo y cerebro. No hubo muertes en ningún grupo. Bio-ZnONP, independientemente de la vía, no alteró biomarcadores hepáticos o renales, y los cambios de peso corporal fueron mínimos. En cambio, Bio-CuNP a 9,5-11,7 µg kg⁻¹ (i.v.) produjeron elevaciones leves a moderadas en ALT, AST y ALP séricas que persistieron hasta el día 28, acompañadas de reducción de índices de bazo e hígado e evidencia histológica de vacuolización hepática y daño tubular renal. La vía i.p. atenuó estos efectos. En general, Bio-ZnONP exhibió un perfil de seguridad más favorable, sugiriendo su potencial idoneidad para aplicaciones biomédicas intravenosas.

Antecedentes

El cobre y el zinc son oligoelementos esenciales, sin embargo, la exposición excesiva a sus formas nanoparticuladas puede desencadenar hemólisis, irritación gastrointestinal y toxicidad orgánica. Con la rápida expansión de nanopartículas basadas en metales en productos de consumo y médicos, entender sus interacciones biológicas y peligros potenciales se ha vuelto fundamental. Estudios previos in vivo han examinado exposición intranasal, intratraqueal y oral a CuNP y ZnONP, pero los datos sobre vías sistémicas —intravenosa (i.v.) e intraperitoneal (i.p.)— siguen siendo escasos. Este trabajo aborda esa brecha evaluando la toxicocinética y efectos a nivel orgánico de CuNP y ZnONP biosintetizadas de 16-96 nm en ratas Wistar macho, usando rangos de dosis alineados con estudios de eficacia antibacteriana.

Métodos

Biosíntesis

CuNP y ZnONP se produjeron extracelularmente usando sobrenadante de Enterococcus faecalis no patogénico, generando partículas esféricas de 12-90 nm para CuNP y 16-96 nm para ZnONP (confirmación por FeSEM y TEM).

Diseño del estudio animal

Ratas Wistar macho de 16-17 semanas (160-200 g) se aclimataron una semana antes de dosificar. Las ratas se asignaron aleatoriamente a seis grupos por vía (i.p. e i.v.), cada uno con seis animales. Las dosis se prepararon en agua estéril (stock 50 mg mL⁻¹) y diluyeron a concentraciones finales de 6,1-19,82 µg kg⁻¹ (CuNP) y 11,14-30,3 µg kg⁻¹ (ZnONP). Los controles de vehículo recibieron agua destilada. Todos los procedimientos siguieron Buenas Prácticas de Laboratorio y fueron aprobados por el Comité de Ética Animal institucional (Aprobación no. 346/CPCSEA).

Observaciones

Los signos clínicos se registraron diariamente; ingesta de alimento y agua, peso corporal y comportamiento se monitorizaron cada dos días. Hematología (RBC, WBC, hemoglobina, plaquetas) y bioquímica sérica (creatinina, ALT, AST, ALP) se midieron en días 14 y 28. Los pesos de órganos se obtuvieron post-mortem, y los índices de órganos se calcularon como: O_X = (peso órgano/peso animal) / (peso órgano control/peso animal control). Secciones histológicas de hígado, riñón, bazo y cerebro se tiñeron con H&E y examinaron microscópicamente.

Análisis estadístico

Los datos se expresan como media ± DE (N = 6 por grupo). La significancia estadística se evaluó mediante ANOVA con pruebas post-hoc; p < 0,05 se consideró significativo.

Resultados y Discusión

Peso corporal y observaciones clínicas

Todas las ratas sobrevivieron el período de 28 días. Las reducciones de peso corporal fueron modestas (<5 %) y transitorias para ambos tipos de nanopartículas. Bio-ZnONP produjeron los menores cambios de peso, mientras que Bio-CuNP a la dosis i.v. más alta (11,7 µg kg⁻¹) mostraron disminución estadísticamente significativa al día 28 (p < 0,05).

Hematología

La hematología del día 14 reveló disminuciones leves, no significativas, en RBC, WBC y recuento de plaquetas para Bio-CuNP (i.v.) a IC₅₀ y TLC. Para el día 28, los parámetros hematológicos retornaron a la línea base, indicando ausencia de toxicidad hematopoyética persistente. Bio-ZnONP no alteraron ningún índice hematológico a ninguna dosis o vía.

Bioquímica sérica

Los niveles de creatinina permanecieron dentro de límites normales para todos los grupos. Bio-CuNP (i.v.) causaron elevaciones modestas en ALT (hasta 67,7 mg dL⁻¹), AST (70 UI L⁻¹) y ALP (128 UI L⁻¹) que persistieron al día 28, reflejando daño hepatocelular y colestásico. En contraste, Bio-ZnONP (tanto i.v. como i.p.) no alteraron significativamente ALT, AST o ALP a ninguna dosis. La vía i.p. atenuó las elevaciones de enzimas hepáticas para Bio-CuNP, subrayando la toxicidad dependiente de la vía.

Índices de órganos e histopatología

Los índices de hígado y bazo se redujeron significativamente en Bio-CuNP (i.v.) a IC₅₀ y TLC (p < 0,05), mientras que Bio-ZnONP no produjeron cambios detectables. La histología corroboró estos hallazgos: Bio-CuNP (i.v.) indujeron vacuolización citoplasmática hepática, congestión de vena central y necrosis tubular renal, mientras que Bio-ZnONP preservaron arquitectura normal. Cortes de bazo de Bio-CuNP (i.v.) mostraron celularidad reducida de pulpa roja, mientras que la estructura esplénica permaneció intacta tras exposición a Bio-ZnONP.

Toxicidad dependiente de la vía

La administración intravenosa consistentemente elicité mayores alteraciones bioquímicas e histológicas para Bio-CuNP comparada con la entrega intraperitoneal. Bio-ZnONP fueron bien toleradas por ambas vías, con solo cambios menores y reversibles de peso y sin daño orgánico.

Conclusión

Esta evaluación integral in vivo demuestra que ZnONP biosintetizadas exhiben un perfil de seguridad superior al de CuNP cuando se administran sistémicamente a ratas. Mientras que CuNP indujeron hepatotoxicidad y daño renal dependientes de dosis —especialmente por vía i.v.— ZnONP causaron efectos adversos insignificantes a concentraciones comparables. Estos resultados apoyan la exploración adicional de ZnONP intravenosas para aplicaciones biomédicas, requiriendo CuNP una cuidadosa optimización de dosis y vía para mitigar toxicidad orgánica.

Abreviaturas

ALT

Alanina aminotransferasa

AST

Aspartato aminotransferasa

ALP

Fosfatasa alcalina

Bio-CuNP

Nanopartículas de cobre biogénicas

Bio-ZnONP

Nanopartículas de óxido de zinc biogénicas

IC₅₀

Concentración inhibitoria 50%

NOAEC

Concentración sin efecto adverso observable

TLC

Concentración letal total

i.p.

Vía intraperitoneal

i.v.

Vía intravenosa