Investigadores de las universidades Autónoma de Madrid y de Alcalá, junto a colegas de EE UU, han encontrado un factor clave causante de la toxicidad producida por nanopartículas de óxidos de cerio: el porcentaje de iones Ce3+ superficial, utilizando como modelo una microalga de especial relevancia ecológica. El conocimiento de las propiedades físicoquímicas de las nanopartículas posibilitará el diseño de nanomateriales más seguros.
El potencial de la nanotecnología es indudable en multitud de campos, pero las nanapartículas pueden tener repercusiones tanto en la salud humana como en el medio ambiente. Resulta de vital importancia evaluar, a todos los niveles, los riesgos que comportan estos nuevos materiales, lo que hoy en día se denomina 'nanoseguridad'.
Ahora investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (liderado por la doctora Francisca Fernández Piñas), en colaboración con científicos de la Universidad de Alcalá y la University of Central Florida han estudiado el efecto de cinco nanopartículas de óxido de cerio (Ce) con diferentes características en un organismo modelo: la microalga Pseudokirchneriella subcapitata.
Este elemento, en forma de nanopartículas de óxido de cerio, está siendo utilizado actualmente en numerosas aplicaciones: agente activo para procesos de catálisis, producto para el pulido de cristales y lentes ópticas, así como modulador del estrés oxidativo en organismos vivos en biomedicina, entre otros.
En la literatura científica se han publicado diversos artículos con resultados contradictorios en cuanto a su toxicidad. Unos señalan que estas nanopartículas tienen efectos antioxidantes en diferentes líneas celulares, puesto que imitan la actividad de importantes enzimas como la superóxido dismutasa (SOD) o la catalasa (CAT), que inactivan Especies Reactivas de Oxígeno (ROS, por sus siglas en inglés: Reactive Oxygen Species).
Otros, por su parte, han descubierto que estas nanopartículas actúan como agentes oxidantes, provocando estrés oxidativo en diferentes organismos. El estrés oxidativo ocurre cuando hay un desequilibrio en las células debido a un aumento de ROS y/o a una disminución en los sistemas de defensa antioxidante celulares. Con el tiempo, este desajuste en el equilibrio entre las ROS y los antioxidantes, puede producir daños, incluso irreversibles, a la propia célula.
Con el objetivo de arrojar luz en esta materia, los autores de este trabajo utilizaron nanopartículas de óxido de cerio con diferentes porcentajes de iones Ce3+ superficiales (estas nanopartículas presentan un ciclo redox Ce3+ ↔ Ce4+), distinta morfología (esferas, bastones y cubos), tamaño nominal dispar y métodos de síntesis variados.
Tras realizar un extenso análisis, los resultados indican que “el factor clave para que estas nanopartículas generen toxicidad es el porcentaje de Ce3+ superficial. Únicamente aquellas con los valores más altos, generan toxicidad en el organismo utilizado: P. subcapitata”, explican los investigadores.
Asimismo, la toxicidad se debe a la formación, mediante procesos físico-químicos o a través de una formación abiótica, de ROS en la superficie de las nanopartículas adheridas sobre la pared celular. La consecuencia es un estrés oxidativo que afecta a la viabilidad y, en definitiva, a la ultraestructura celular.
Además, para demostrar la implicación del Ce3+, los autores bloquearon los sitios Ce3+ en la superficie de las nanopartículas y, con ello, la capacidad de las nanopartículas para generar especies oxidantes; comprobando que la toxicidad se revertía por completo. Los detalles se publican en la revista Scientific Reports.
Según sus autores, este estudio aporta información relevante para esclarecer los efectos biológicos de estas nanopartículas. Además, conociendo en profundidad sus propiedades físicoquímicas, se podrán diseñar nanopartículas biológicamente seguras, evitando, de esta manera, un perjuicio para el ser humano y/o el medio ambiente.
Referencia bibliográfica:
Pulido-Reyes, G.; Rodea-Palomares, I.; Das, S.; Sakthivel, T. S.; Leganes, F.; Rosal, R.; Seal, S. & Fernández-Piñas, F. "Untangling the biological effects of cerium oxide nanoparticles: the role of surface valence states". Scientific Reports, 2015, 5: 15613. doi: 10.1038/srep15613
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