Del jabón al drug delivery: la magia química del surfactante

Vía

Los lípidos son una biomolécula interesante desde el punto de vista funcional: los fosfolípidos forman las membranas celulares, también pueden ser usados como fuente de energía alternativa a los azúcares o hidratos de carbono; pueden transportar pequeñas moléculas en su interior;o actuar como reguladores, mensajeros u hormonas. Desde el punto de vista químico, resultan fascinantes porque poseen una parte hidrofóbica (que repele el agua) formada por la estructura hdrocarbonada en forma de cadena; y una parte hidrofílica que suele ser un grupo ácido carboxilo o bien un alcohol.  Parece algo rebuscadísimo y sin embargo, lo usamos cada día en forma de jabón. Y es que gracias al agua, existe la vida tal como la conocemos, pero si queremos usarla para lavar necesitamos una ayudita contra su tensión superficial. Esta singular característica que tienen los lípidos de jugar con el agua, ¡y vencerla!, no la ha inventado el ser humano con el jabón, tenemos tensioactivos en los pulmones y hay insectos que los emplean para ‘andar sobre las aguas’.

Fuente

Pero hoy no quería enrollarme con la tensión superficial, sino con el hecho de que los lípidos tienden a agregarse todos de la misma manera: sus cadenas hidrocarbonadas hacia el interior dejando en contacto con el agua (o con otro medio polar) sus cabecitas ácidas. En dos dimensiones nos formarían un círculo, pero en tres dimensiones nos da lugar a una esfera. Se conoce que los surfactantes tienen capacidad de autoensamblarse en varias estructuras morfológicas, como micelas, micelas reversas, vesículas, cristales líquidos.

Fuente

    Una micela es un agregado de moléculas anfifílicas (el surfactante), con las parte no polar hacia el interior y las parte polar en la superficie exterior. La micelización de moléculas anfifílicas la podemos conseguir aumentando la concentración de surfactante para sobrepasar la concentración micelar crítica (cmc), ajustando la temperatura, o añadiendo aditivos que cambien el cmc.

Porque si controlamos la cmc,  podríamos meter dentro de esa esfera (o micela, o vesícula, o...) un medicamento, y así entramos en el campo de la nanomedicina y lo que se conoce como el drug delivery: conseguir administrar un fármaco a un órgano o tejido en concreto del cuerpo, haciendo los medicamentos más efectivos y más específicos.

Podemos comprobar que se nos están formando micelas de varias maneras: mediante dispersión de la luz (las micelas dispersarán más la luz porque son más grandes, que una muestra sin agregación), midiendo el ángulo de dispersión, o introduciendo una molécula fluorescente que sea soluble en medio orgánico pero no en agua: de esta manera mientras no se formen micelas, no observaremos fluorescencia, pero en cuanto lleguemos a cmc sí que la observaremos.

Fuente

Los liposomas no son otra cosa que vesículas esféricas con una estructura de doble capa lipídica y que pueden encapsular agentes hidrofílicos e hidrofóbicos, protegiéndolos durante su circulación por el cuerpo animal.

Los liposomas y los conjugados polímero-fármaco han puesto las bases para el drug delivery basado en nanotecnología, aunque quedan barreras clave que superar: saber qué mecanismos actúan en la interacción de nanopartículas con células (relacionado con la química de superficies), y conseguir métodos efectivos de encapsulación y que liberen nuestro fármaco cuándo y dónde queremos.

 Una tecnología emergente para preparar los liposomas o los conjugados de polímero-fármaco es usar CO₂ comprimido, que es bastante soluble en muchos líquidos y además permite controlar su solubilidad ajustando la presión y la temperatura. Y estas características únicas del CO₂ hacen posible ajustar las propiedades de los conjuntos de surfactantes a través de rutas efectivas, controlables, económicas y medioambientalmente benignas. Con el CO₂ podemos investigar:

1. Cambio de micelización de surfactante en agua.

2. Ajustar las propiedades de micelas reversas.

3. Mejora de la estabilidad de vesículas

4. Cambio de transición entre conjuntos de diferentes surfactantes

5. Ajustar las propiedades de emulsiones

6. Construir microemulsiones nuevas.

Zhang y Han, 2012, Accounts of chemical research

El CO₂ se ha encontrado que es eficiente en activar la micelización de Pluronics (PEO PPO PEO; copolímeros tribloque en los cuales PEO representa óxido de polipropileno en agua). En ausencia de CO₂, la relación I1/I3 es alta debido al ambiente predominantemente acuoso alrededor del pireno. En este estado, las moléculas de Pluronic disueltas en agua no agregan considerablemente y existen en formas de monómeros individuales. Con la adición de CO₂, la relación I1/I3 decrece de repente en un cierto intervalo de presión y finalmente se nivela, indicando que las micelas se forman a esta temperatura. Curiosamente, incluso cuando la concentración de surfactante es tan baja como un 0,01% en peso, ¡cientos de veces más baja que la cmc!, el CO₂ sigue siendo eficiente en inducir la micelización de Pluronic. La razón principal para que el CO₂ induzca la micelización se atribuye al efecto hidrofóbico aumentado en el sistema con la adición de CO₂ que promueve la auto-estructuración de las moléculas de surfactante.

Este post participa en la XXII edición del Carnaval de Biología, que hospeda @CEAmbiental en su blog Consultoría y Educación Ambiental  y en el XXIII Carnaval de la Química alojado en el blog molesybits y también en la XL edición del Carnaval de la Fisica, alojado en esta ocasión por Cuantos y cuerdasos y Cuerdas

Referencia

 Zhang, J., & Han, B. (2013). Supercritical or Compressed CO as a Stimulus for Tuning Surfactant Aggregations Accounts of Chemical Research, 46 (2), 425-433 DOI: 10.1021/ar300194j