Philosophical love

Como ya hay sequía
no me quedan lágrimas
para llorarte.



Dueles tan dentro:
no sé si necesito
tiempo o eternidad.

Mirando las series policíacas con lupa química

Se puede aprender química en cualquier parte (para algo es la ciencia que estudia la materia y sus propiedades), así que incluso cuando uno descansa y se dedica a sus hobbies más frívolos, personales y frikis se está acompañado inevitablemente de la química. Por ejemplo, a mí me relaja ver series policíacas como ya ha dejado claro mi amigo Cianoacrilato y un filón inagotable se abre con la causa de la muerte de las víctimas por envenenamiento. Para ello, os recomiendo la estupenda serie de @Quimitube que se me ha adelantado con uno de los venenos más curiosos (el polonio-210), pero he encontrado otro bastante original.

Vía

Cuando el equipo de federales procede al levantamiento del cadáver de un supuesto suicidio con monóxido de carbono, el cuerpo emite una serie de crujidos inexplicables como si se estuviera descoyuntando a pedazos. Tras que el médico forense consiga abrirle la boca, descubre que tiene la lengua ¡congelada! Y su ayudante sugiere que es porque ha ingerido nieve carbónica o hielo seco, aunque su jefe remacha que probablemente sea más bien nitrógeno líquido (del que ya hablamos en otra ocasión).

Algo que no le queda muy claro al periodista que redactó esta noticia: porque una cosa es el dióxido de carbono (CO₂) en estado sólido; y otra cosa distinta es el nitrógeno (N₂) líquido. Como podemos ver, ambos tienen elementos distintos: el dióxido de carbono como su mismo nombre indica está compuesto por dos átomos de oxígeno y uno de carbono; mientras que el nitrógeno suele encontrarse en forma bimolecular: es decir, dos átomos de nitrógeno. La guía de todo químico es la tabla periódica, y allí podemos comprobar que son elementos distintos, y que además pertenecen a grupos distintos, aunque posean características comunes. Carbono, oxígeno y nitrógeno son gases en condiciones normales, y la molécula de CO₂ que seguro que a todos nos suena por el efecto invernadero también es un gas. En cambio, el hielo seco y el nitrógeno líquido están en estados de la materia distintos. El hielo seco es CO₂ en estado sólido con una temperatura de -78ºC (para que te hagas una idea, un congelador doméstico tiene temperaturas de -4ºC a -30ºC en casos extremos). Cuando el hielo seco se extrae del recipiente, a presión ambiente pasa directamente al estado gaseoso lo que se conoce como sublimación. Para conocerlo todo acerca del hielo seco, he encontrado una página que quizás te guste visitar. El nitrógeno líquido se obtiene a partir del nitrógeno gaseoso del aire y se condensa a estado líquido, y alcanza temperaturas de -196ºC, ¡un desaFRÍO total! como nos muestra Mariaje Ferrández.

A tan bajas temperaturas, la congelación de las células vivas es muy rápida (por eso, se emplea en investigación para la conservación de muestras), así que uno de los riesgos en su manejo son las quemaduras que puede producir (de ahí los guantes y el tanque específico de almacenamiento), pero el que causó la muerte de nuestro hombre fue la asfixia. Como la profesora Ferrández explica en el vídeo, el nitrógeno líquido es más denso que el aire, desplazándolo y apagando las velas; y eso fue la causa de la muerte: el nitrógeno desplazó el aire de los pulmones produciendo la asfixia. Las quemaduras y congelación del hombre fue, digamos, un efecto post-mortem. Pero, dado que nuestra víctima tenía a lengua y la garganta totalmente congeladas, ¿cómo es que ingirió nitrógeno líquido? ¿Le forzaron a beberlo? No presenta heridas defensivas, y como se encontraron (si la memoria no me falla) restos de comida y café, se sospechó que alguien le puso nitrógeno líquido en su termo de café... Ahora bien, ¿puede guardarse nitrógeno líquido en dicho recipiente? Pues para un almacenamiento prolongado, se requieren tanques especiales que mantengan el nitrógeno refrigerado y que estén a prueba de sobrepresiones, pero para llevarlo al escenario del crimen, sí que podría servir.

Así que, ya sabes, ten cuidado con las bebidas exóticas cuando bebas en las fiestas y con quién te ofrece un termo de café..., lo que nos ha servido para descubrir a la química detrás de la cocina de Ferran Adrià, y de un caso policial.

Esta entrada participa en el XXV Carnaval de la Química alojado en el blog “ISQCH – Moléculas a reacción y  en la V Edición delCarnaval de Humanidades acogido en Pero eso es otra historia

¡Ay!

Tengo el pasado
de afiladas espinas
y duele al pisar.

Para jugar a los Lego en nanomateriales

Uno de los tipos de nanomateriales que se usan en drug delivery son las vesículas (lipídicas o poliméricas), así que a los químicos nos interesa conocer todo acerca de su formación, y para eso necesitamos la ayuda de las matemáticas.

La formación de vesículas se puede ver como proceso de autoensamblaje en dos etapas:  1)  la molécula anfifílica forma una bicapa, que luego, 2) se cierra sobre sí misma para dar una vesícula.

En la descripción clásica, el factor determinante de la forma de estructuras autoensambladas anfifílicas es el tamaño de la fracción hidrofóbica que determina la curvatura de la interfase hidrofóbica-hidrofílica descrita como la curvatura media H y su curvatura gaussiana K, que están dadas según los radios de curvatura R1 y R2, como se muestra en la figura 1. La curvatura está relacionada con el parámetro de empaquetamiento superficial por:

Figura 1

donde v es el volumen hidrofóbico de la molécula, a el área interfacial, y l la longitud de cadena normal a la interfase. 

Las formas más sencillas que se suelen producir son esferas, cilindros y bicapas que se caracterizan por ciertos valores de empaquetamiento (tabla 1).

Tabla 1

Para obtener bicapas en un bloque de volumen v y longitud l se necesita ajustar el área de interfase hasta que el parámetro de empaquetamiento se aproxime a la unidad. Un ejemplo se muestra en la figura 2 para el copolímero de poli(butadieno)-óxido de polietileno, PB-PEO, donde una disminución de la relación hidrofóbico/hidrofílico (ya que el área de interfase aumenta en proporción a la longitud del bloque hidrofílico) produce cambios en la forma de las micelas de esféricas pasan a ser cilíndricas, que forman vesículas. 

Figura 2

La descripción hasta ahora ha sido puramente geométrica, porque la forma geométrica de las vesículas está relacionada con la termodinámica del proceso porque es una condición límite en los cálculos de energía libre. Para las moléculas anfifílicas, las dos principales contribuciones a la energía libre son la energía de interfase hidrofóbica/hidrofílica y la pérdida de entropía cuando las cadenas flexibles de polímero y surfactante son forzadas a ajustarse a los microdominios de la vesícula.

Los polímeros o bloques con baja entropía conformacional suelen tener cadenas rígidas con pocos grados de libertad, y bajo estas condiciones las moléculas anfifílicas se asocian en estructuras que minimizan el área superficial por unidad de volumen, que viene dada por

                                                                          A_v=dΦ/l, 

donde Φ es la fracción volumétrica del dominio hidrofóbico y d es la dimensionalidad. La dimensionalidad toma su valor más bajo (d=1) en superficies planas, siendo para dominios cilíndricos (d=2) y esféricos (d=3). 

Otra cuestión interesante surge cuando los bloques tienden a formar preferencialmente una estructura determinada debido a enlaces químicos secundarios o a su funcionalidad. Además de la anisotropía de forma (excluyendo las interacciones de volumen), se conoce que dichos estados ordenados están ajustados por valencias secundarias como la interacción culómbica, interacciones π-π, enlaces de hidrógeno, e interacciones dipolares. 

El borde circular del disco bicapa proporciona una energía lineal E_disk, donde γ es la tensión lineal. Flexionar la bicapa a vesículas cerradas requiere una energía de flexión E_bend, donde κ es el módulo de flexión. Como, para un área dada, el radio de disco es el doble que el área de la vesícula, el balance entre la tensión lineal y la energía de flexión define un número de “tamaño mínimo de vesícula” tal que 

                                                                     R_v=2κ/γ.

En otras palabras: las vesículas se forman cuando la elasticidad de flexión de la bicapa es baja y la tensión superficial es alta.

Los lípidos estándar y estructuras poliméricas similares tienen una solubilidad molecular tan baja que la conformación y el tamaño normalmente no es un producto de los procesos de intercambio y equilibrio sino que está determinada por las condiciones de preparación (formando las llamadas “vesículas de no equilibrio”). El tamaño de la vesícula depende, entonces, menos de la termodinámica que de los aspectos de no-equilibrio del proceso de formación. Así que el diámetro de vesícula depende del método de preparación  (rehidratación, electro-absorción, disolución directa en agua y fluidoscomprimidos en mi caso). Su tamaño puede reducirse por extrusión a través de membranas de policarbonato con un tamaño de poro de 50 y 800 nm. Por lo tanto, el intervalo de tamaño va desde las vesículas gigantes unilamelares (GUVs por sus siglas en inglés) de muchas decenas de micrómetros a las pequeñas unilamelares (SUVs) (<50 nm) siempre que se tenga un tamaño mínimo de vesícula como el definido anteriormente.

Las vesículas hechas de lípidos o liposomas, son objetos perfectamente cerrados y-cuando se perforan- tienden a cerrarse sobre sí mismas otra vez, porque la pérdida de energía debida a su apertura es mucho mayor a la energía térmica. De aquí se puede deducir que la tensión superficial suficientemente alta debió  ser un pre-requisito para la evolución y función de las células vivas.

La forma final de una vesícula será aquella que minimice la energía de flexión para un número determinado de moléculas anfifílicas en las monocapas interior y exterior. Es decir, que depende del proceso de preparación de la vesícula se pueden obtener formas esféricas, tubulares, achatadas por los polos, estrelladas, que pueden asignarse dentro de un diagrama de fase. 

El diagrama de fase está parametrizado en términos de relación volumen-área adimensional v=6π^1/2VA^-3/2 y la diferencia de área ∆A=Ain- Aout. La relación v se define como aquella para la que las vesículas esféricas tienen un valor máximo de v=1. ∆A es la diferencia de área entre las partes interior y exterior de la bicapa. Una diferencia grande de área ∆A>1 tiende a curvar la membrana externa (la parte superior del diagrama de fase), mientras que un valor más pequeño o negativo de ∆A<1 produce formas curvadas hacia el interior (parte de abajo del diagrama de fase).

Sin embargo, las vesículas poliméricas pueden tener formas que no existen en las lipídicas. El género es una cantidad que en geometría diferencial representa el número de orificios en una partícula. Así, una esfera tiene género 0, una rosquilla, toroide o una taza tienen de género la unidad; botones con dos agujeros tienen g=2. Los bloques de copolímero pueden tener fácilmente una g>100. 

1) Esta entrada participa en la Edición 4.1231 del Carnaval de Matemáticas cuyo anfitrión es el blog Matemáticas interactivas y manipulativas 

2) y  también participa en el XXV Carnaval de la Química alojado en el blog “ISQCH – Moléculas a reacción

3) Si algún matemático detecta alguna barbaridad, ¡por favor corríjanme!

Referencias bibliográficas

Antonietti, M., & Förster, S. (2003). Vesicles and Liposomes: A Self-Assembly Principle Beyond Lipids Advanced Materials, 15 (16), 1323-1333 DOI: 10.1002/adma.200300010

Teatro para repetir

Ha sido Raquel la que me ha hecho cambiar mi punto de vista. Y es que no hace falta más que convivir estrechamente con gente distinta a ti misma para empezar a valorar siquiera un poquito lo que los demás valoran. Mi agradecimiento va para todas aquellas personas que de una manera u otra ampliaron mis horizontes universitarios y que ahora me hacen se como soy: totalmente científica pero consumidora voraz de cultura en todas sus vertientes: experiencial, conciertos de música clásica, bailes latinos, teatro y ópera,... 

Probablemente no haya estado dentro de una 'performance' (tal cual como creo haberlo entendido del blog de Raquel), pero al menos tengo algo teórico en mi mente para comparar la obra de teatro a la que tuve el privilegio de asistir el sábado. La verdad es que como novata en el campo, no me atrevo a solicitar obras contemporáneas por miedo a equivocarme y pagar por una bazofia que no merece el nombre que lleva. Al fin y al cabo, lo bueno de los clásicos es que no fallan: puede que me haya leído sus libros, puede que estemos ante un genio como Shakespeare, o puede que traiga a cuestras una gran tradición. Cierto es que la mejor manera de aprender es equivocándose, pero aunque peque de tacaña, cuando afecta a mi bolsillo duele más el golpe. También se da la curiosa circunstancia de que no sé si por mi falta de experiencia, por mi recién estrenado criterio o porque tengo una suerte morrocotuda, de momento he acertado (si quitamos la decepción de Tierra prometida en el cine).

No sé muy bien a qué viene este rollo ególatra, cuando simplemente quería contar que me lo pasé estupendamente, y eso que me dolían los pies (como parte de la performance adaptada a mi entender). Eché en falta la compañía, porque si bien uno puede ocultarse en el asiento cuando asiste en soledad a dichos eventos, en este caso me encontré en una supuesta fiesta de despedida: carteles, globos, sangría, cervezas, ganchitos y música: y la gente conversaba entre ellos, hasta a uno se le cayó la botella de cerveza y organizó un estropicio, y había parejas que se echaron un baile. Y yo me sentía como la única pieza que no acaba de encajar...

Hasta que se apagaron las luces, y empezó la función. Pero se volvieron a encender, y nos encontramos de nuevo en una fiesta. A la segunda intervención, ya no tenía muy claro quién estaba de qué bando: quiénes eran realmente público o actores camuflados. Sin darte cuenta, estabas metido en la historia, evaluando la calidad interpretativa de los tres actores (finalmente "solo" eran tres), y de alguna manera interactuando: como cuando se me abrazó uno de los actores y me preguntó que si lo estaba pasando bien. La acción de la obra dejó de desarrollarse en un extremo de la sala para empezar justo en el medio del corrillo de público e invitados a la fiesta de despedida, que nos íbamos acercando o apartando según la acción lo requería.

Puede que el guión no sea excepcional, puede que se trataran muchos tópicos de nuestra sociedad (aborto, educación, residencias de ancianos, homosexualidad) de una manera un tanto tópica. Pero al menos desde mi opinión de espectadora, al estar metidos e hilvanados en la conversación y en la fiesta, cobraban realidad y peso y volumen, y te hacías a la idea de los sufrimientos internos de cada personaje. Y al final, quedaba lo más importante: que puedes elegir a tus amigos, pero los hermanos que tienes te vienen ya dados, por lo que es normal que no te lleves bien con ellos, pero siempre serán más que amigos precisamente porque no les has elegido.

Conclusión: volveré pronto al teatro (I wish).

El mundo al revés

He soñado que reconocían lo que hicieron mal con tanta delicadeza que satisfacían a todos, menos a mí, que seguía enfadada y rabiosa, como una niña pequeña que se emperra en un pasado. Pero me he despertado, y la vida sigue igual. Ya me gustaría que hubiéramos intercambiado papeles, otra noche será. Quizá si sueño tan fuerte, lo gro cambiar el mundo. Hmmm..., habrá que pensarlo.

Nanomundo de la nanomedicina

La plata es un agente antimicrobiano tópico usado para ayudar a la cicatrización de heridas, y que se está investigando para tratar la dermatitis atópica. Hay muchos apósitos comerciales que presumen de contener plata nanocristalina y, por ello, que tienen actividad bactericida en un amplio espectro, pero actualmente se intuye que la plata es esencial para el organismo Staphylococcus aureus, que sería el verdadero responsable de la curación de la herida. Aunque también se están empezando a usar nanopartículas de plata para tratar enfermedades del tracto gastrointestinal con inflamación.

Vía

Las nanopartículas de plata entrarían dentro de la clasificación de partículas nanoscópicas inorgánicas, frente a otras formulaciones basadas en el carbono (fullerenos y nanotubos de carbono), y los conjugados poliméricos, dendrímeros y liposomas u otras composiciones lipídicas. Las nanopartículas inorgánicas más habituales en nanomedicina son las de oro, plata, los óxidos de hierro, las nanopartículas de sílice, y los quantum dots.

Al final estos nanotransportadores son materiales nanométricos (diámetro 1-100 nm) que pueden llevar múltiples fármacos y/o agentes de imagen; y que se investigan para aplicaciones como drug delivery, imagen, ablación fototérmica de tumores, detección de apoptosis, etc.

Las nanopartículas de oro se conjugan con proteínas y pueden ser reconocidas por los receptores celulares, siendo una forma de cuantificar la endocitosis en zonas tumorales (por el efecto EPR). Además hay algunas de estas que además de acumularse en tumores, se pueden activar por medio de un láser NIR (infrarrojo cercano) y así permiten la fotoablación del tejido tumoral sin dañar apenas el tejido sano circundante.

Las nanopartículas de óxido de hierro (SPIONs) están formados por un núcleo con partículas magnéticas (suele ser magnetita, o Fe₃O₄) recubierta con polímeros como el dextrano; y se emplean como agentes de imagen en la resonancia magnética. Al igual que el oro, también se pueden usar para ablación de tumores.

La introducción de las nanopartículas en nanomedicina plantea varios retos: se sabe que la toxicidad de los elementos o compuestos cambia con el tamaño y la forma; y más o menos se cumple que las partículas más pequeñas suelen ser más bioactivas pero también puede aumentar su toxicidad.

Las técnicas de imagen clínica han avanzado dramáticamente con la introducción de las técnicas SPECT/CT y PET. Los isótopos son importantes herramientas para diagnóstico y para monitorizar la terapia en enfermedades neurodegenerativas, inflamación y cáncer. Con el desarrollo de la nanotecnología, se ha abierto un nuevo campo que se conoce como “theranostics” o teranóstica y que consiste en fundir el método de diagnóstico con el tratamiento administrando un único medicamento. El campo “theranostic” está creciendo espectacularmente con el desarrollo de sistemas de distribución como liposomas, micelas, dendrímeros, nanotubos de carbono, que se pueden combinar con agentes de imagen (oro, plata, óxido de hierro y quantum dots).

Fuente

Los nanocristales semiconductores conocidos como quantum dots (QD) son nanopartículas fluorescentes, que ofrecen ventajas espectrofluorimétricas sobre las tradicionales moléculas orgánicas. Los QD tienen características de fluorescencia, 1020 veces más brillantes que las tintas orgánicas convencionales y además tienen una mejor fotoestabilidad. Esto les convierte en potenciales agentes de imagen en aplicaciones de diagnóstico basadas en fluorescencia. La mayoría de los tipos de QD se preparan originalmente en disolventes orgánicos; así que son insolubles en medios acuosos y por tanto en medios biológicos. Se ha conseguido funcionalizar los QD con ligandos más polares, pero que también reducen la fluorescencia y fotoestabilidad. Así que se planteó como alternativa transportar el QD en el interior de liposomas.

Los liposomas son, a día de hoy, la mejor forma establecida clínicamente de sistemas a escala nanométrica que se han usado para distribuir fármacos citotóxicos y antifúngicos, genes, vacunas, y también agentes de imagen.

Las vesículas liposoma consisten en bicapas lipídicas únicas o múltiples concéntricas (llamadas lamelas) que encapsulan un compartimiento acuoso. La biocompatibilidad, biodegradabilidad, toxicidad reducida, y la capacidad de manipular su tamaño y superficie comprenden el perfil excepcional que ofrecen los liposomas en comparación con otros sistemas de distribución. Como inconvenientes, cabe señalar el alto coste de producción, oxidación rápida de algunos fosfolípidos, y la falta de propiedades de liberación controlada de los fármacos encapsulados.

Las vesículas lipídicas bicapa se usaron primero como mímesis y modelo de membranas biológicas. La demostración de sus propiedades de encapsulación, y la notable semejanza estructural entre liposomas y membranas celulares en micrografías electrónicas, llevan a la conclusión de que los lípidos forman parte de las barreras de permeabilidad de membranas biológicas. La flexibilidad en la manipulación de tamaño y de composición de las vesículas lipídicas ha permitido su uso como modelo de membranas de plasma, y después como modelo de células vivas y para entender muchos fenómenos fisiológicos, como la difusión a través de membranas y las respuestas a varios agentes farmacológicos. Además, la posibilidad de reconstruir proteínas en la membrana lipídica que han sido estudiadas para el diseño de biosensores y así detectar y estudiar la interacción entre pequeñas moléculas y ligandos con los receptores de membrana plasmática. Los liposomas sirven como “contenedores químicos”: recipientes de reacción a nanoescala. Las dimensiones ultra-pequeñas del volumen de reacción puede conducir a la mezcla difusional rápida permitiendo el estudio de la cinética química rápida.

Fuente

Y ya existen medicamentos comerciales de formulaciones liposómicas como el Doxil ® que contiene doxorubicina que es un potente anticancerígeno. Después de localizar el lugar del tumor a través del efecto EPR, la capa de fosfolípidos exteriores liberan un agente anti-angiogénico, y la nanopartícula polimérica interior libera un agente de quimioterapia en respuesta a la hipoxia local (escasez de oxígeno).

Esta entrada participa en el XXV Carnaval de la Química alojado en el blog “ISQCH – Moléculas a reacción

Bibliografía

Duncan, R., & Gaspar, R. (2011). Nanomedicine(s) under the Microscope Molecular Pharmaceutics, 8 (6), 2101-2141 DOI: 10.1021/mp200394t

Peer D, Karp JM, Hong S, Farokhzad OC, Margalit R, & Langer R (2007). Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy. Nature nanotechnology, 2 (12), 751-60 PMID: 18654426

Davis, M., Chen, Z., & Shin, D. (2008). Nanoparticle therapeutics: an emerging treatment modality for cancer Nature Reviews Drug Discovery, 7 (9), 771-782 DOI: 10.1038/nrd2614