Application of interfacial properties of polymeric surfactants in physiological processes for biomedical and nutraceutic purposes

Resumen

En los últimos años, los campos de investigación pertenecientes a la medicina y farmacia, y aquellos otros concernientes a la nutrición y alimentación, se han acercado a otras áreas de investigación más bien relacionadas con la química y la física, como por ejemplo la ciencia coloidal e interfacial. Como fruto de este avance, se están desarrollando nuevos sistemas coloidales transportadores de sustancias que solucionen las complicaciones que surgen cuando los fármacos o compuestos biológicamente activos son administrados en el organismo. La mayor parte de estos inconvenientes están asociados a la poca solubilidad que dichos compuestos presentan en fase acuosa. Por ello, se diseñan transportadores con núcleo hidrófobo que permitan disolver y proteger las sustancias que van a ser administradas. Sin embargo, surgen también otros obstáculos relacionados con su compatibilidad biológica con el sistema inmune, cuando la vía de administración es la intravenosa, o con su digestibilidad si la administración es vía oral. Todos estos problemas se originan en las interfases de los transportadores coloidales. A pesar de la importancia que representan las propiedades interfaciales en el diseño de estos sistemas terapéuticos o liberadores de sustancias, se han llevado a cabo muy pocos trabajos relacionados específicamente con las interfases de estos sistemas. Por lo tanto, el principal objetivo de esta tesis es el estudio en profundidad de interfases líquido-fluido bajo condiciones fisiológicas simuladas, muy importante para su aplicación en sistemas transportadores coloidales. También se persigue la correlación entre la ciencia de materiales e interfacial y el rendimiento de sistemas biotecnológicos complejos. La memoria de esta tesis se presenta como una agrupación de artículos de investigación que se han publicado en (o enviado para su publicación a) revistas científicas indexadas pertenecientes al primer cuartil. Estos artículos están relacionados entre sí proporcionando consistencia a la sección de Resultados, que se divide en cuatro partes: 1ª Parte. Caracterización interfacial de interfases modelo aire-agua recubiertas de Pluronic F68, y correlación con el comportamiento de nanopartículas recubiertas de Pluronic F68 bajo condiciones intravenosas. El objetivo de este trabajo es comprender por qué los nanotransportadores de fármacos recubiertos de surfactantes poliméricos de la familia de los Pluronics mejoran sus propiedades de larga circulación en el torrente sanguíneo, a diferencia de las nanopartículas sin recubrir. La caracterización interfacial se llevó a cabo con estudios de tensión interfacial y reología dilatacional interfacial en los que interfases aire-agua recubiertas de Pluronic F68 son sometidas a un medio fisiológico que contiene un anticuerpo modelo, inmunoglobulina G (IgG). Para ello, usamos una balanza de gota pendiente que permite realizar estudios de penetración mediante la técnica del intercambio de la subfase, y que ha sido diseñada y ensamblada en la Universidad de Granada (UGR). La comparación con la adsorción de IgG sobre la interfase aire-agua sin recubrir permite interpretar los resultados, concluyendo que el Pluronic F68 afecta a la adsorción de IgG en el sentido de que altera su conformación original sobre la interfase aire-agua. Esta modificación en la conformación de la IgG adsorbida desencadena la disminución de actividad inmune en las nanopartículas recubiertas de Pluronic F68. Esto se corrobora con la desnaturalización parcial que sugiere la pérdida de inmunoreactividad en partículas recubiertas secuencialmente de Pluronic e IgG. El uso de la tensión interfacial para obtener información mecánica y estructural sobre el comportamiento del recubrimiento es un enfoque novedoso con el que se pueden comprender las características genéricas de la biocompatibilidad de sistemas coloidales. Este estudio da validez a la metodología empleada que servirá como base para los siguientes trabajos y se encuentra descrito en la siguiente publicación: Torcello-Gómez, A., Santander-Ortega, M. J., Peula-García, J. M., Maldonado-Valderrama, J., Gálvez-Ruiz, M. J., Ortega-Vinuesa, J. L., & Martín-Rodríguez, A. (2011). Adsorption of antibody onto Pluronic F68-covered nanoparticles: link with surface properties. Soft Matter, 7, 8450-8461. 2ª Parte. Propiedades físico-químicas y características interfaciales de Pluronic F68 en condiciones intestinales simuladas. El objetivo de esta parte consiste en evaluar las ventajas que presenta la estabilización de emulsiones de aceite en agua con Pluronic F68 para controlar la digestión de lípidos, en comparación con los fosfolípidos tradicionales. El uso de técnicas de tensión interfacial para abordar este tema, como en la primera parte, es original y proporciona resultados novedosos con respecto a las diferencias observadas cuando se comparan surfactantes tradicionales con surfactantes estéricos más innovadores en este campo, como los Pluronics. Se sometieron interfases aceite-agua recubiertas de Pluronic F68 o fosfolípidos a un medio fisiológico simulando las condiciones del duodeno, que contenía una enzima lipasa y/o sales biliares, mediante la técnica del intercambio de la subfase. Se mostró que la presencia de Pluronic F68 inhibe la adsorción de la lipasa pancreática, en ausencia o presencia de las sales biliares, limitando por tanto, la velocidad con la que se digieren los lípidos para el caso de emulsiones de aceite en agua estabilizadas con Pluronic, a diferencia de la presencia de fosfolípidos. Específicamente, los componentes duodenales disminuyen la tensión interfacial de una interfase aceite-agua recubierta de Pluronic en menor medida que aquélla recubierta por fosfolípidos. La caracterización interfacial que se llevó a cabo en la UGR se complementó en gran medida con los experimentos desarrollados en el Biopolymers and Colloids Research Laboratory, en la Universidad de Massachusetts (Amherst, Massachusetts, EEUU) bajo la supervisión del Catedrático D. J. McClements, como parte de una estancia pre-doctoral. Se hicieron medidas de tamaño de gota, carga superficial de gota, micro-estructura y valoración de pH, para complementar el estudio de tensión interfacial. Finalmente demostramos que las emulsiones estabilizadas con Pluronic F68 son más resistentes a la digestión de lípidos que las estabilizadas por fosfolípidos. Estos resultados justifican que las propiedades de la capa interfacial que estabiliza las gotas de aceite se pueden diseñar a medida para modular el proceso de digestión de lípidos. Este trabajo se explica en detalle en los siguientes artículos publicados: Torcello-Gómez, A., Maldonado-Valderrama, J., de Vicente, J., Cabrerizo-Vílchez, M. A., Gálvez-Ruiz, M. J., & Martín-Rodríguez, A. (2011). Investigating the effect of surfactants on lipase interfacial behaviour in the presence of bile salts. Food Hydrocolloids, 25, 809-816. Torcello-Gómez, A., Maldonado-Valderrama, J., Martín-Rodríguez, A., & McClements, D. J. (2011). Physicochemical properties and digestibility of emulsified lipids in simulated intestinal fluids: influence of interfacial characteristics. Soft Matter, 7, 6167-6177. 3ª Parte. Caracterización de Pluronic F68, fosfolípidos y una sal biliar modelo en la interfase aceite-agua: correlación de interfases recubiertas de Pluronic o fosfolípidos con la estabilidad de emulsiones de aceite en agua estabilizadas con Pluronic o fosfolípidos bajo la acción de sales biliares. Las sales biliares desempeñan un papel muy importante en la digestión de lípidos porque desplazan el emulsionante original de las interfases de las emulsiones. Por lo tanto, esta parte está dedicada a estudiar estos sistemas con más detalle. Los emulsionantes y un tipo de sal biliar son caracterizados exhaustivamente en la interfase aceite-agua mediante experimentos de tensión interfacial y reología dilatacional, así como la aplicación de modelos teóricos. Las predicciones teóricas y los experimentos concuerdan satisfactoriamente, proporcionando una explicación estructural a las interacciones que tienen lugar en la interfase entre los surfactantes en estudio con las sales biliares. Concretamente, el Pluronic F68 resiste mejor la inclusión de la sal biliar en la interfase aceite-agua debido a su conformación interfacial que confiere una barrera estérica, a diferencia de los fosfolípidos. Estos resultados se complementan de nuevo con el comportamiento de emulsiones estabilizadas con los mismos surfactantes en presencia de la misma sal biliar. Este estudio interfacial se correlaciona con la mayor estabilidad que presentan las emulsiones estabilizadas con Pluronic en presencia de la sal biliar, en comparación con las estabilizadas con fosfolípidos. La discusión detallada de este trabajo se encuentra en los siguientes artículos de investigación: Torcello-Gómez, A., Jódar-Reyes, A. B., Maldonado-Valderrama, J., & Martín-Rodríguez, A. (2012). Effect of emulsifier type against the action of bile salts at oil¿water interfaces. Food Research International, 48, 140-147. Jódar-Reyes, A. B., Torcello-Gómez, A., Wulff-Pérez, M., Gálvez-Ruiz, M. J., & Martín-Rodríguez, A. (2010). Different stability regimes of oil-in-water emulsions in the presence of bile salts. Food Research International, 43, 1634-1641. 4ª Parte. Cómo influyen las propiedades interfaciales y en disolución del Pluronic F68 y F127 en las interacciones con las sales biliares y cómo afectan a la digestión de lípidos. Después de haber probado la eficiencia del Pluronic F68 para frenar la digestión de lípidos, en contraste con los fosfolípidos, en este capítulo se compara la eficacia de dos Pluronics. En particular evaluamos el efecto del tamaño estudiando el Pluronic F127, que es una molécula más grande que la de F68. Noscentraremos en estudiar cómo influyen las diferencias que existen en la estructura de estos surfactantes poliméricos en la velocidad de digestión de lípidos en emulsiones. Para ello se usó una combinación muy completa de técnicas de última generación, como micro-calorimetría y microscopía electrónica, además de las mencionadas técnicas interfaciales. Este estudio se desarrolló durante una estancia pre-doctoral en The School of Biosciences, en la Universidad de Nottingham (Sutton Bonington, UK) dirigida por Dr. T. J. Foster. Como resultado, el Pluronic F127 mostró ser más resistente que el F68 a ser desplazado por las sales biliares sobre la interfase aceite-agua, debido a la barrera estérica más grande y al mayor recubrimiento interfacial que proporciona. Además, el Pluronic F127 parece interaccionar con más moléculas de sal biliar, evitando su adsorción sobre la interfase aceite-agua. Por lo tanto, el Pluronic F127 afecta en mayor medida la capacidad de la sal biliar de potenciar la activación de lipólisis en presencia de lipasa. Una vez más, esta caracterización coloidal se complementa con estudios de tensión interfacial. En esta parte usamos un nuevo dispositivo diseñado en la UGR para simular la digestión in vitro en una sola gota, mejorando la técnica del intercambio de la subfase con un dispositivo que permite realizar múltiple intercambio de la subfase (The OCTOPUS). Este estudio correlaciona el tamaño molecular del Pluronic en la interfase con la velocidad de digestión de lípidos y complementa también el comportamiento de emulsiones. El trabajo de investigación presentado en esta parte ha dado lugar a la preparación de dos manuscritos que han sido enviados para su publicación: Interactions between Pluronics and bile salts in aqueous phase, at interfaces and in emulsions. Pluronic-covered oil-water interfaces under simulated duodenal conditions. Por consiguiente, los resultados que se obtienen de esta tesis demuestran que el nuevo enfoque de estudio de interfases líquido-fluido permite comprender la aplicación de las propiedades interfaciales de los Pluronics para controlar la biodegradación de los transportadores coloidales. Este enfoque es innovador y atraerá la atención de científicos procedentes de diversas áreas de investigación como la farmacológica y la alimentaria.