Nanopartículas núcleo-capa de polidopamina con capas poliméricas redox-responsivas para administración dirigida de fármacos y terapia quimio-fototérmica sinérgica

Resumen

La terapia fototérmica (TTF) en infrarrojo cercano (NIR) ofrece alta selectividad tumoral y efectos secundarios mínimos, sin embargo su impacto clínico está limitado por entrega de calor insuficiente. Reportamos una nanopartícula núcleo-capa que combina núcleo de polidopamina (PDA) con capa de poli(ácido metacrílico) (PMAA) entrecruzada con disulfuro. El núcleo PDA entrega conversión fototérmica NIR eficiente, mientras la capa PMAA redox-lábil encapsula doxorrubicina (DOX) y la libera selectivamente en microambiente reductor y ácido de células cancerosas. In vitro, nanopartículas PDA@PMAA cargadas con DOX muestran inhibición sinérgica de células A549 combinadas con irradiación láser de baja dosis, logrando >85% muerte celular a dosis total fármaco 5 µg mL⁻¹. Esta plataforma demuestra liberación precisa de fármaco desencadenada y eficacia quimio-fototérmica mejorada.

Introducción

La TTF usa agentes absorbentes NIR para convertir luz en calor; temperaturas de ablación (>55 °C) son requeridas para necrosis tumoral preservando tejido normal. La polidopamina (PDA) es polímero inspirado en mejillón que absorbe fuertemente en NIR, exhibe 40% eficiencia conversión fototérmica, y es biocompatible y biodegradable. Sin embargo, TTF monomodal no logra temperatura suficiente en núcleo tumoral sin dañar tejido circundante. Combinar hipertermia con quimioterapia ha surgido como estrategia poderosa: calor mejora captación fármaco y aumenta citotoxicidad fármaco, mientras quimioterapia mata células que sobreviven calentamiento. Para realizar esta sinergia, diseñamos sistema núcleo-capa inteligente donde núcleo PDA proporciona conversión fototérmica y capa PMAA entrecruzada con disulfuro actúa como reservorio fármaco que degrada en ambiente reductor del tumor (concentraciones glutatión 2-10 mM vs 20-40 µM en plasma) y pH ligeramente ácido.

Materiales y Métodos

Materiales

Todos reactivos grado analítico. Clorhidrato dopamina, cloruro metacriloil, glutatión, ácido metacrílico (MAA), N,N'-bis(acriloil)cistamina (BAC), 2,2'-azobisisobutironitrilo (AIBN), y doxorrubicina (DOX·HCl) comprados de proveedores estándar. Reactivos cultivo celular de Invitrogen y Sigma-Aldrich.

Caracterización

Microscopía electrónica transmisión (MET) (Tecnai G2 20 TWIN) visualizó morfología. Dispersión luz dinámica (DLS, Malvern Nano-ZS90) midió tamaño hidrodinámico y potencial ζ. Espectros UV-vis en Perkin-Elmer Lambda 750. Espectros infrarrojo transformada Fourier (FT-IR) (Nicolet 6700) confirmaron entrecruzamiento. Rendimiento fototérmico evaluado irradiando dispersiones acuosas (100 µg mL⁻¹) con láser 808 nm (5 W cm⁻²) 300 s y registrando cambios temperatura con termopar (±0.1 °C). Captación y localización celular imageadas por microscopía confocal barrido láser (CLSM, Leica TCS SP8 STED 3X).

Síntesis Nanopartículas PDA@PMAA

Esferas PDA formadas oxidando 0.5 g dopamina en 90 mL H₂O/40 mL EtOH/3 mL NH₃·H₂O a 30 °C por 24 h. Capa PMAA crecida vía polimerización precipitación-destilación: 100 mg MAA, 10 mg BAC, 3 mg AIBN disueltos en 25 mL acetonitrilo, seguido adición 50 mg esferas PDA. Mezcla calentada a 100 °C, agitada 2 h, luego centrifugada y lavada. Variando relación masa PDA/MAA (0.5-6) ajustamos espesor capa (120-200 nm).

Carga y Liberación Fármaco

DOX (1 mg mL⁻¹, pH 8.0) mezclado con 10 mg PDA@PMAA-1 por 24 h, luego centrifugado y lavado. Contenido carga (LC) y eficiencia encapsulación (EE) calculados de absorbancia UV-vis a 480 nm. Liberación in vitro monitoreada en tampones fosfato (pH 7.4, 5.5) con/sin 10 mM GSH a 37 °C, muestreo cada 2 h. Bolsa diálisis (14 kDa MWCO) retuvo nanopartículas; medio liberación renovado al muestrear. Porcentaje liberación calculado como fármaco liberado acumulativo dividido por fármaco total cargado.

Estudios Celulares

Células renales embrionarias humanas (HEK-293T) y adenocarcinoma pulmonar (A549) cultivadas en DMEM + 10% FBS. Captación celular DOX-cargado PDA@PMAA observada tras 1 h y 4 h incubación. Citotoxicidad evaluada por ensayo MTT: células tratadas con DOX libre, PDA@PMAA blanco, o DOX-cargado PDA@PMAA (10-100 µg mL⁻¹) 24 h, con/sin irradiación láser 808 nm (5 W cm⁻², 300 s). Viabilidad celular expresada relativa a controles no tratados. Tinción vivo/muerto (Calceína-AM) y CLSM confirmaron resultado terapéutico.

Resultados y Discusión

Morfología Nanopartículas y Propiedades Fisicoquímicas

Imágenes MET revelan núcleos PDA esféricos monodispersos (~100 nm) y partículas PDA@PMAA (120-200 nm) con capas uniformes. DLS muestra diámetros hidrodinámicos 176-349 nm, indicando capa polimérica hinchada en medio acuoso. Potenciales ζ cambian de -26.8 mV (PDA) a -30.2 a +33.2 mV (PDA@PMAA) al aumentar espesor capa, reflejando exposición carboxilato. FT-IR confirma presencia de bandas amida I/II (1650/1550 cm⁻¹) de BAC y estiramiento C=O a 1706 cm⁻¹ de PMAA, confirmando entrecruzamiento exitoso.

Rendimiento Fototérmico

Espectros UV-vis muestran absorción NIR amplia para todas muestras; PDA exhibe mayor absorbancia a 808 nm. Experimentos calentamiento fototérmico demuestran que dispersión 100 µg mL⁻¹ PDA eleva temperatura 41 °C, mientras PDA@PMAA-1 alcanza 56 °C, superando umbral 55 °C para ablación tumoral. El aumento temperatura correlaciona inversamente con espesor capa, confirmando que capa delgada preserva eficiencia fototérmica mientras permite carga fármaco.

Liberación Controlada Fármaco

Carga DOX rinde LC = 5.1% y EE = 53.7% para PDA@PMAA-1, superior a PDA solo (LC = 3.7%). En tampón fisiológico (pH 7.4) liberación es despreciable (<11% en 24 h). En 10 mM GSH, 72.8% DOX liberado en 24 h por escisión enlace disulfuro. Condiciones ácidas (pH 5.5) con GSH desencadenan liberación explosiva (≈87% en 24 h) al protonarse carboxilos y colapsar red polimérica. Irradiación fototérmica (5 W cm⁻², 300 s) no altera perfil liberación, indicando integridad estructural durante calentamiento.

Eficacia Antitumoral In Vitro

Imágenes confocales muestran captación celular rápida DOX-cargado PDA@PMAA; fluorescencia aparece citoplasma en 1 h y se extiende a núcleo 4 h, indicando endocitosis eficiente y liberación fármaco. Células HEK-293T exhiben >90% viabilidad tras 24 h exposición PDA@PMAA-1 blanco hasta 100 µg mL⁻¹, confirmando biocompatibilidad. Células A549 muestran citotoxicidad dependiente dosis: PDA@PMAA-1 blanco con láser reduce viabilidad ~54% a 100 µg mL⁻¹; DOX-cargado PDA@PMAA-1 sin láser reduce viabilidad ~38% misma dosis fármaco. Combinación DOX-cargado PDA@PMAA-1 y láser reduce viabilidad ~16% (IC₅₀ = 2 µg mL⁻¹), marcadamente mejor que cada modalidad sola (IC₅₀ = 5.6 µg mL⁻¹ DOX libre). Tinción vivo/muerto corrobora hallazgos. Datos confirman efecto sinérgico quimio-fototérmico, permitiendo menores dosis fármaco y daño mínimo tejido normal.

Conclusión

Hemos diseñado nanopartícula núcleo polidopamina-capa PMAA entrecruzada con disulfuro que simultáneamente ofrece conversión fototérmica NIR alta eficiencia, liberación fármaco redox-responsiva, y excelente biocompatibilidad. DOX-cargado PDA@PMAA-1 logra liberación rápida y dirigida en microambiente tumoral y, combinada con irradiación láser corta duración, produce muerte celular tumoral superior (>85%) a bajas concentraciones fármaco. Esta plataforma multifuncional promete fuertemente para traducción clínica de terapia combinada quimio-fototérmica contra cáncer.