El cerio es un elemento que se encuentra dentro del grupo químico de las Tierras Raras  / Imagen: Ce,58 (Wikipedia)

Encuentran el factor clave causante de la toxicidad producida por nanopartículas de óxidos de cerio

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Utilizando como modelo un organismo de especial relevancia ecológica, investigadores de tres universidades han estudiado el efecto de cinco nanopartículas de óxido de cerio (Ce) con diferentes características en un organismo modelo: la microalga Pseudokirchneriella subcapitata (P. subcapitata).

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UAM Gazette / La nanotecnología es la ciencia que interviene en el diseño, la producción y el empleo de estructuras y objetos que cuentan con, al menos, una de sus dimensiones en la escala de millonésimas de milímetro.

Se constituye como un mercado emergente y se emplea actualmente en multitud de procesos y productos de consumo. En un futuro no tan lejano puede haber un cambio de paradigma de lo macro/micro a lo nano en casi todos los aspectos de la vida cotidiana.

En un futuro no tan lejano puede haber un cambio de paradigma de lo macro/micro a lo nano en casi todos los aspectos de la vida cotidiana

Este auge se debe a que las propiedades físico-químicas de estas partículas cambian enormemente a escalas nanométricas. No obstante, éstas pueden tener repercusiones tanto en la salud humana como en el medio ambiente, por lo que resulta de vital importancia evaluar, a todos los niveles, los riesgos que comportan estos nuevos materiales (lo que hoy en día se denomina Nanoseguridad o Nanosafety).

Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (grupo liderado por la Dra. Francisca Fernández Piñas), en colaboración con científicos de la Universidad de Alcalá (Dr. Roberto Rosal) y la University of Central Florida (Dr. Sudipta Seal), han estudiado el efecto de cinco nanopartículas de óxido de cerio (Ce) con diferentes características en un organismo modelo: la microalga Pseudokirchneriella subcapitata (P. subcapitata).

El cerio es un elemento que se encuentra dentro del grupo químico de las Tierras Raras. Este elemento, en forma de nanopartículas de óxido de cerio, está siendo utilizado actualmente en numerosas aplicaciones:(1) Como agente activo para procesos de catálisis, (2) Como producto para el pulido de cristales y lentes ópticas, (3) Como modulador del estrés oxidativo en organismos vivos (en biomedicina), (4) Etcétera.

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Porcentajes de Ce3+ superficial superiores al 40% generan toxicidad en organismos de relevancia ambiental

En la literatura científica se han publicado diversos artículos con resultados contradictorios en cuanto a su toxicidad. Unos, han encontrado 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.

(A) Célula intacta. (B) Gráfico ilustrativo: a mayor porcentaje de Ce3+ superficial en las nanopartículas, mayor toxicidad. (C) Célula con nanopartículas adheridas a su pared (flecha azul).

(A) Célula intacta. (B) Gráfico ilustrativo: a mayor porcentaje de Ce3+ superficial en las nanopartículas, mayor toxicidad. (C) Célula con nanopartículas adheridas a su pared (flecha azul).

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Con el objetivo de arrojar luz en esta materia, los autores de este trabajo utilizaron nanopartículas de óxido de cerio con diversas características: (a) Diferentes porcentajes de Ce3+ superficial (estas nanopartículas presentan un ciclo redox Ce3+ ↔ Ce4+), (b) Distinta morfología (esferas, bastones y cubos), (c) Tamaño nominal dispar y (d) 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.

Este estudio aporta información relevante para esclarecer los efectos biológicos de estas nanopartículas.

Asimismo, conociendo en profundidad sus propiedades físico-químicas, se podrán diseñar nanopartículas biológicamente seguras, evitando, de esta manera, un perjuicio para el ser humano y/o el medio ambiente.

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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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