Nanopartículas de hemin en forma de renacuajo y esféricas obtenidas por diálisis: aumento de 308 veces en la solubilidad para la biodisponibilidad del hierro

Resumen

El hemin, una fuente de hierro de alta biodisponibilidad, se ve limitado por su solubilidad acuosa insignificante. Presentamos un enfoque sencillo basado en diálisis que produce dos morfologías distintas de nanopartículas de hemin: en forma de renacuajo (cabeza ≈200 nm, cola 100 nm) y esféricas (50–100 nm). Ambas formas muestran una mejora drástica en la solubilidad, alcanzando las partículas esféricas un aumento de 308 veces a 25 °C respecto al hemin libre. Las nanopartículas permanecen estables en pH ácido, alta temperatura y fuerza iónica, y exhiben una fuerte absorción en el infrarrojo cercano, posicionándolas como candidatos prometedores para la fortificación de alimentos, administración biomédica y terapias fototérmicas.

Introducción

La deficiencia de hierro afecta a casi el 20 % de la población mundial, causando anemia y reduciendo la calidad de vida. Si bien el hierro no hemo de fuentes vegetales está ampliamente disponible, su absorción suele ser subóptima. El hemin —derivado de la hemoglobina y la mioglobina— ofrece una absorción superior (50–87 %) pero sufre de hidrofobicidad y baja solubilidad, lo que dificulta su uso práctico. Estrategias convencionales como la complejación con proteínas, la co-cristalización con arginina y la inclusión en ciclodestrinas han mejorado la solubilidad, pero implican procedimientos complejos que limitan la escalabilidad.

La nanotecnología brinda una ruta atractiva para mejorar las propiedades fisicoquímicas de bioactivos hidrofóbicos sin alterar atributos sensoriales. Las nanopartículas pueden aumentar la solubilidad aparente, mejorar la biodisponibilidad y permitir administración dirigida. Aquí desarrollamos un método de diálisis sencillo para producir nanopartículas hemin distintas, evaluamos su morfología, estabilidad fisicoquímica y solubilidad, y destacamos sus aplicaciones potenciales.

Materiales y Métodos

Materiales

El hemin y membranas de diálisis de 8–12 kDa se obtuvieron de Beijing Solarbio. Acetona (≥ 99,5 %) de Kant Chemical. Los demás reactivos fueron de grado analítico.

Preparación de nanopartículas de hemin

El hemin (0,1 o 0,5 mg mL⁻¹) se disolvió en acetona acidificada con 0,1 mL HCl. La solución se dializó contra agua desionizada, con cambios diarios de agua, hasta que la liofilización produjo nanopartículas. Se variaron parámetros como la relación hemin/agua (1:3, 1:5, 1:10, 1:50), temperatura (4 °C o 25 °C) y duración de diálisis (1–5 días).

Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM)

Las imágenes se capturaron en un TEM Hitachi 7700 a 80 kV. Las muestras se depositaron en rejillas recubiertas de carbono y se liofilizaron.

Dispersión Dinámica de Luz (DLS)

Tamaño, potencial ζ y PDI se midieron con un Malvern Zetasizer Nano (dilución 0,05 % en agua MilliQ, 25 °C).

Espectroscopía UV-Vis

Los espectros de absorción (200–800 nm) se registraron en un espectrofotómetro TU-1810. Las concentraciones se determinaron a 640 nm.

Ensayo de solubilidad

Soluciones sobresaturadas de hemin libre y nanopartículas se agitaron a 25, 37, 60 y 80 °C (500 rpm, 30 min). Los sobrenadantes se centrifugaron, diluyeron y analizaron por UV-Vis.

Pruebas de estabilidad

Suspensiones de nanopartículas (0,5 mg mL⁻¹) se expusieron a pH 2–11, temperaturas 25–80 °C y NaCl (0–500 mM). Tamaño, potencial ζ, PDI y turbidez se monitorearon durante la noche a 25 °C.

FTIR, Fluorescencia y XRD

Espectros FTIR (400–4000 cm⁻¹) se recogieron con un Jasco Tensor 27. Fluorescencia (excitación 402 nm, emisión 300–600 nm) en un Hitachi F-7000. Patrones XRD (2θ 4–40°) con un Bruker AXS D8 ADVANCE.

Resultados y Discusión

Formación y morfología

A 0,5 mg mL⁻¹ de hemin, nanopartículas esféricas (50–100 nm) surgieron a relación hemin/agua 1:10 tras 3 días de diálisis. Relaciones mayores (1:50) produjeron agregados tipo varilla. En cambio, 0,1 mg mL⁻¹ de hemin generó partículas en forma de renacuajo (≈200 nm cabeza, 100 nm cola) bajo mismas condiciones. TEM confirmó estructuras monodispersas; DLS mostró diámetros hidrodinámicos de 218 ± 6 nm (esferas) y 300 ± 8 nm (renacuajos). Potenciales ζ de -21 mV (esferas) y -11 mV (renacuajos), indicando buena estabilidad coloidal. Valores PDI (0,35–0,40) reflejaron distribuciones de tamaño estrechas.

Propiedades ópticas

Los espectros UV-Vis revelaron un desplazamiento de la banda Soret de 344 nm (hemin libre) a 265 nm (nanopartículas), indicando conjugación π-π mejorada. Ambas formas mostraron fuerte absorción en infrarrojo cercano (≈660–770 nm), ventajosa para aplicaciones fototérmicas y fotoacústicas. La emisión de fluorescencia pico a 500 nm, superior al hemin libre, probablemente por mayor solubilidad.

Mejora de la solubilidad

La solubilidad del hemin libre a 25 °C fue 0,009 mg mL⁻¹. Nanopartículas esféricas alcanzaron 1,33 mg mL⁻¹, aumento de 308 veces. Partículas renacuajo solubilizaron hasta 1,00 mg mL⁻¹. La solubilidad aumentó con la temperatura en todas las muestras, confirmando disolución activada térmicamente.

Confirmación estructural

Los espectros FTIR mostraron bandas N-H/O-H ensanchadas (3470 cm⁻¹) en nanopartículas, indicando enlaces de hidrógeno más fuertes. Los patrones XRD de esferas retuvieron picos cristalinos del hemin libre, mientras renacuajos mostraron cristalinidad reducida (35,7 % vs 56,7 % hemin libre), sugiriendo amorfización parcial.

Estabilidad

Las nanopartículas permanecieron estables en pH ácido (≤7) con cambios mínimos en tamaño y PDI. En pH alcalino (≥9), la agregación aumentó (>400 nm). Exposición térmica hasta 80 °C causó ligero crecimiento de tamaño pero preservó integridad coloidal. Alta fuerza iónica (≥250 mM NaCl) provocó desestabilización de la dispersión.

Conclusiones

Hemos diseñado exitosamente nanopartículas de hemin en forma de renacuajo y esféricas mediante un método de diálisis simple, logrando un aumento de 308 veces en la solubilidad a 25 °C. Las partículas demuestran excelente estabilidad ácida y térmica y fuerte absorción en infrarrojo cercano, posicionándolas como plataformas versátiles para fortificación de hierro, administración de fármacos y terapias fototérmicas. Investigaciones futuras se centrarán en carga de terapéuticos y optimización de respuestas optotérmicas.