Tècniques avançades per a l’estudi del tràfic intracel·lular de nanopartícules

La nanomedicina està transformant la manera de diagnosticar, tractar i gestionar les malalties. Comprendre el complex comportament de les nanoparticules (NPs) dins dels sistemes biològics és essencial per aconseguir tractaments molt més efectius, donat que ara molts d’ells fallen en el moment de lliurar la càrrega en les cèl·lules objectiu, per causa de l’obstacle produït per les barreres biològiques. Resulta, així, essencial visualitzar la dinàmica d’aquestes NPs de manera eficient, però actualment és un repte considerable, donades les limitacions que existeixen en les tècniques d’imatge.

Per tant, resulta necessari disposar de tècniques microscòpiques que permetin estudiar el comportament de les nanopartícules (NPs) en la seva interacció amb les cèl·lules, des del primer contacte amb la membrana cel·lular fins a l’alliberament del principi actiu que transporten.

Aquest és el repte que ha afrontat la Dra. María Navalón López a la seva tesi doctoral, realitzada a IQS sota el títol Desenvolupament de tècniques avançades per elucidar el tràfic intracel·lular de nanopartícules de pßAE, amb l’objectiu principal d’abordar aquesta bretxa tecnològica i desenvolupar i perfeccionar mètodes avançats de microscòpia que permetin comprendre el comportament de les NPs i ampliar així les fronteres de les investigacions de nanoformulacions per a aplicacions biomèdiques.  La tesi ha estat dirigida pel Dr. Salvador Borrós Gómez i la Dra. Cristina Fornaguera Puigvert, dins del Grup d’Enginyeria de Materials – GEMAT d’IQS, i per la Dra. Sílvia Pujals, de l’Institut de Química Avançada de Catalunya IQAC – CSIC.

Per realitzar aquests estudis, la Dra. Navalón va dur a terme, en primer lloc, la caracterització de nanopartícules d’OM-pßAE (Oligo Modified poly(β-amino ester)), uns polímers biodegradables i biocompatibles desenvolupats dins del grup GEMAT, en els quals va realitzar diverses modificacions i va estudiar com aquestes alteracions afecten les propietats fisicoquímiques i mecàniques de les NPs, així com les seves interaccions amb els entorns cel·lulars.      

Aquests estudis previs van posar de manifest que les tècniques d’imatge convencionals són insuficients per desxifrar completament les rutes intracel·lulars i el destí de les NPs. Per superar aquest repte, la Dra. Navalón va desenvolupar dues metodologies innovadores de súperresolució per poder estudiar el trànsit i la localització de les NPs: la Polyplex Expansion Microscopy (PExM) i la Correlative Light and Electron Microscopy (CLEM). Aquests mètodes de microscòpia – nanoscòpia van revelar com subtils variacions estructurals en les NPS influeixen en les rutes intracel·lulars, i quines faciliten l’alliberament del principi actiu transportat dins de les cèl·lules.

A partir d’aquests resultats obtinguts, la Dra. Navalón va estudiar el comportament de les NPs d’OM-pßAE en models cel·lulars 3D, per simular millor les condicions dels assajos in vivo. Es van utilitzar models 3D esferoides, pel fet que ofereixen models fisiològics més rellevants, però són difícils de seguir per tècniques microscòpiques convencionals.

Els estudis de la penetració de les NPs d’OM-pßAE en els esferoides es va dur a terme utilitzant Microscòpia Multifotónica (MPM), una tècnica que ofereix una capacitat d’observació de processos biològics complexos i dinàmics amb molta profunditat i mínima invasió. Aquestes observacions van corroborar els resultats obtinguts amb les tècniques prèvies de PExM i CLEM. Aquesta part de la tesi es va dur a terme en col·laboració amb el grup del Dr. Johan Hofkens i la Dra. Susana Rocha de la KU de Leuven.

Més enllà de considerar la necessitat d’estudiar i comprendre en profunditat els comportaments dels nanosistemes per millorar la seva eficàcia clínica, la tesi de la Dra. María Navalón aporta a la comunitat científica noves i potents eines d’estudi per fer més precisos els sistemes de distribució de fàrmacs, i obre el camí cap a una futura optimització del disseny i de l’aplicació de teràpies basades en nanopartícules.

Publicacions relacionades

• María Navalón Lopez et al, Unravelling the role of individual components in pBAE/polynucleotide polyplexes in the synthesis of tailored carriers for specific applications: on the road to rational formulations, Nanoscale Adv, 2023, 5, 1611-1623
• María Navalón Lopez et al, PExM: polyplex expansion microscopy for cell trafficking studies, Nanoscale, 2024, 16, 11969-11976. Aquest article forma part de la col·lecció The 2025 International Women’s Day Collection: celebrating Women in Nanoscience, de la Royal Society of Chemistry, publicat amb motiu del Dia Internacional de la Dona 2025.