Estudio por microscopía electrónica de transmisión de nanopartículas de ferritinas nativas, sintéticas y patológicas

  1. López Castro, Juan de Dios
Supervised by:
  1. Juan José Delgado Jaén Director
  2. José Manuel Domínguez Vera Director

Defence university: Universidad de Cádiz

Fecha de defensa: 19 September 2011

Committee:
  1. Laura Lechuga Gómez Chair
  2. José Juan Calvino Gámez Secretary
  3. Victor Franco Puntes Committee member
  4. Jordi Arbiol Cobos Committee member
  5. Rafael Miguel Cuesta Martos Committee member
Department:
  1. Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica y Química Inorgánica

Type: Thesis

Teseo: 311427 DIALNET

Abstract

El hierro es esencial para la vida, sin embargo es altamente tóxico en exceso. Esto ha hecho que los organismos hayan creado toda una maquinaria química capaz de almacenar este metal en forma no tóxica cuando la célula no lo requiere. La proteína encargada de almacenar el hierro es la ferritina. Esta proteína, esférica y hueca, está constituida por 24 subunidades polipeptídicas de tipo H (heavy) o L (light). El tamaño externo es de 12 nm mientras que la cavidad interior es de 8 nm. En su interior es capaz de almacenar hasta 4500 átomos de hierro, en forma de mineral, tradicionalmente descrito como ferrihidrita. La falta de incorporación del metal en la ferritina o una liberación descontrolada provoca un exceso de hierro libre (Fe2+), el cual genera radicales OH· que dan lugar a daños celulares e incluso muerte celular. Por tanto, el estudio de cómo esta proteína tan enigmática almacena y libera hierro resulta esencial para entender un proceso transcendental en la vida: el metabolismo de hierro. En esta Tesis Doctoral se aborda el estudio de la ferritina mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM). En particular, se han estudiado tres tipos de sistemas ferritínicos: I) ferritinas naturales, con la finalidad de poder comprender el mecanismo de formación del núcleo metálico en su cavidad, II) ferritinas sintéticas, donde se ha utilizado la cavidad de la proteína para la preparación de nuevas nanopartículas metálicas que puedan tener aplicaciones biomédicas y III) ferritinas patológicas, dónde se ha pretendido estudiar el papel que desempeña la ferritina en algunos procesos biológicos directamente relacionados con una patología. Ferritinas Naturales. En primer lugar, el estudio mediante HAADF (High Angle Annular Dark Field) sobre un conjunto de ferritinas reconstituidas nos ha permitido elaborar un nuevo modelo de formación del mineral de hierro en la ferritina. Este modelo propone que dicha formación se debe a la existencia de las subunidades L, puesto que éstas están directamente involucradas en la mineralizaciónl. De esta forma, la morfología final de la ferritina viene determinada por la expresión 24-n, donde n es el número de subunidades H. Con la ayuda de este modelo hemos podido explicar, no sólo la morfología de ferritinas de bazo de caballo (básicamente L) con cualquier contenido en hierro, sino también ferritinas de corazón humano (16 cadenas H y 8 cadenas L) y proteínas recombinantes extremas (24 subunidades H o 24 subunidades L). A consecuencia de este estudio hemos deducido que la morfología del núcleo ferritínico es una huella de la composición externa de la proteína (composición H-L). Ferritinas Sintéticas. En segundo lugar, la cavidad de la ferritina ha sido empleada como bioalmacén de partículas metálicas. En esta Tesis Doctoral se han sintetizado y estudiado por TEM nanopartículas metálicas y bimetálicas con importancia en el diagnóstico clínico. En particular, se han estudiado dos tipos de sistemas empleando las técnicas HREM (High Resolution Electron Microscopy), HAADF, X-EDS (X-Ray Energy Dispersive Spectroscopy) e EELS (electron energy loss spectroscopy). Las primeras partículas han consistido en un núcleo preformado de maghemita-magnetita encapsulado por la cápside ferritínica. El segundo tipo de partículas han sido ferritinas dopadas con Gd y Cu. Las partículas ferritinas-Gd pueden ser útiles como agentes de contrastes doble en MRI, mientras que las ferritinas-Cu representan una vía para la preparación de nanopartículas que pueden contener un radionúclido (64Cu) emisor de positrones y que se podría emplear en PET. Ferritinas Patológicas. En tercer lugar, se ha estudiado cómo el proceso de eliminación de hierro de la ferritina en condiciones de exceso de reductor, concretamente de homocisteína, conlleva a la formación de magnetita en el núcleo ferritínico. Esta transformación puede ser la causa de la presencia de nanopartículas de magnetita en cerebros de enfermos de Alzheimer. Por tanto, la ferritina podría ser utilizada como marcador para evaluar el desarrollo de esta perturbación neurológica. Finalmente, en esta Tesis Doctoral, se ha seguido en el tiempo, la biodegradación in vivo de nanopartículas sintéticas de maghemita a nivel de bazo. Concretamente se ha estudiado la biotransformación del producto P904® (Guerbet, Paris). Por primera vez se ha demostrado, mediante estudio HAADF, que las nanopartículas conocidas como USPIOs (ultrasmall superparamagnetic iron oxide) pueden transformarse en ferritina una vez que son fagocitadas por los macrófagos. Esta vía de biodegradación evalúa la toxicidad de dichos USPIOs, puesto que demostrar esta transformación USPIO-ferritina es poner de manifiesto que el proceso de biodegradación no genera hierro libre tóxico.