APLICACIONES BIOLÓGICAS

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Thymosin β4 coated nanofiber scaffolds for the

repair of damaged cardiac tissue

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Materiales

Células Progenitoras Thymosin β4 Dichloromethane; DCM N-dimethylformamide; DMF Poly(ε-caprolactone); PCL

Solución PCL/DMF/DCM PCL 1.5g Solución DCM:DMF (1:4)

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Electrohilado

1.5 ml solución de PCL/DMF/DCM

0.5 mL/h 12 kV 3 h 105 mm 630 rpm

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Caracterización Microscópica

Se encontró que los nanoscaffolds tienen una estructura lineal. El bulto de fibras mide aprox. 2μm de ancho y se constituye de 4-8 fibras

(400±100nm)

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Caracterización FTIR 6

Revestimiento de Nanofibras 7

Cultivo Celular Se incubaron a 36.5°C y

3% CO2

Se implantaron 1x106 células/mL

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Propagación de Células 9

Nanotubos de carbono: funcionalización y aplicaciones

biológicas

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Introducción

Los nanotubos de carbono (NTC´s) son alótropos del carbono, como el diamante, el grafito o los fulerenos, fueron descubiertos accidentalmente por S. Iijima.

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Existen diferentes tipos de NTC’s ,estos pueden ser nanotubos de carbono de pared sencilla (SWCNT´s) y nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT´s).

Estos nanomateriales presentan buenas propiedades físicas como son su densidad, resistencia y conductividad térmica.

Algunas aplicaciones para los NTC’s es su uso como biosensores, como transportadores de fármacos y agentes con propiedades antibacterianas.

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Funcionalización química de NTC’s

La funcionalización se define como la modificación de propiedades por la adsorción de átomos o moléculas en las paredes exteriores de los nanotubos de carbono.

Se pueden obtener cambios en las propiedades físicas de la superficie de estas nanopartículas, como lo son la solubilidad y dispersión, las cuales son importantes en las propiedades biológicas de los NTC’s, ya que les permite tener una mejor interacción con moléculas biológicas.

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Por medio de la oxidación química de SWCNT´s se pueden agregar diversos grupos funcionales como ácidos carboxílicos, aminas y amidas.

Los SWCNT´s se pueden oxidar al reaccionar con una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico con lo cual se introducen grupos carboxílicos en sus extremos. Mediante la química del grupo carboxílico y en muchos casos su activación a cloruros de acilo, permite el acoplamiento de moléculas por medio de unión covalente.

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Hay dos tipos de funcionalizaciones:

las covalentes en la cuales se introducen grupos funcionales creando enlace a los NTC, ejemplo de ello es la funcionalización con ácidos carboxílicos y aminas.

Las funcionalizaciones no covalentes se basan en la adsorción de moléculas como surfactantes, compuestos aromáticos y polímeros como poliacrilamida, poliestireno, entre otros, que no alteran las propiedades de los NTC´s.

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Aplicaciones biológicas de los NTC’s

Los NTC´s son nanomateriales que muestran una diversidad de aplicaciones potenciales que incluyen:

La terapia fototérmica

Imagen fotoacústica

Administración de fármacos

Otras aplicaciones biomédicas.

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Se han desarrollado filtros que tienen como propósito la inactivación de microorganismos.

La estructura de éstos filtros esta compuesta por SWCNT´s-MWCNT´s y otros solo de MWCNT´s. De acuerdo a los resultados, se demuestra la inactivación de ciertas bacterias como E. coli y Staphylococcus epidermis, en donde los mejores resultados lo muestra el filtro con mezcla de ambos NTC´s.

Se ha desarrollado un filtro electroquímico a base de MWCNT´s, en el cual se aplica una corriente de 2 a 3 volts por 30 segundos, removiendo e inactivando tanto virus como bacterias.

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Una molécula que se ha unido covalentemente a MWCNT’s y SWCNT’s es la porfirina formando un nanocompuesto con actividad antibacteriana en contra de S. aureus, el estudio bacteriológico se desarrolló sobre placas de agar con el nanocompuesto, en las cuales se colocó la bacteria, se incubaron las placas a 37 ºC y se contaron las colonias después de la incubación.

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Biosensores biológicos a base de NTC’s

Una de las aplicaciones de mayor importancia en el ámbito de los nanomateriales dentro del área de la medicina y biotecnología es la creación de biosensores para la detección de diferentes metabolitos.

Los NTC´s debido a las propiedades eléctricas que presentan y a su tamaño nanométrico se consideran los biosensores ideales.

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A través de interacciones supramoleculares y unión de tipo covalente de las biomoléculas en los NTC´s, se han logrado inmovilizar ADN, proteínas y enzimas. Se han desarrollado biosensores electroquímicos basados en combinar enzimas que ayudan al diagnóstico clínico; las enzimas son inmovilizadas por NTC´s y retienen su actividad de biocatálisis

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Aplicaciones farmacéuticas

Las características fisicoquímicas de los NTC’s como su tamaño nanométrico, composición química, superficie de funcionalización y dispersión ayudan a la administración y transporte de fármacos.

Los NTC´s tienen el potencial de llevar los fármacos en el organismo ya que son más pequeños que las células sanguíneas. Algunos de los métodos desarrollados ha sido el unir moléculas como el ADN, péptidos y proteínas dentro y fuera de los NTC´s. Esto le da la capacidad de detectar y destruir células individuales que pueden ser cancerosas o infectadas por virus.

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Los MWCNT’s en un principio fueron funcionalizados con ácido policítrico (PCA) para aumentar su naturaleza hidrofílica y funcionalidad con grupos carboxílicos. Después el paclitaxel (PTX) un agente anticancerígeno, es unido vía covalente en los sitios carboxilo del PCA, obteniendo el sistema MWCNT’s-PCA-PTX con un 38% en peso de contenido de fármaco. El PTX puede ser fácilmente liberado del sistema a un pH de 6.8 y 5.0, lo cual es compatible con la liberación en células y tejidos de tipo tumoral.

Los SWCNT’s muestran particulares propiedades electrónicas, lo que se observa en sus señales en el infrarrojo, fluorescencia, fotoacústica y espectroscopia Raman, lo cual resulta en una detección no invasiva y de alta sensibilidad. Así los SWCNT’s se han estudiando como agentes de imagen para la evaluación y localización de tumores tanto in vivo como in vitro

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Algunos fármacos a base de proteínas necesitan ser administrados vía intravenosa ya que por vía oral el pH del estómago no es favorable. Este problema, ha servido de base en investigaciones donde los NTC’s transportan este tipo de fármacos dentro de las células.

Algunos estudios platean que los SWCNT’s presentan mayor toxicidad en mamíferos mientras que los MWCNT’s muestran un bajo nivel de toxicidad.

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En algunos reportes se indica que muchos NTC´s pueden entrar a las células humanas y acumularse en el citoplasma y causar muerte celular, penetrar en estructuras de tejidos, migrar y causar lesiones en áreas remotas, induciendo inflamación, granulomas epiteliales, y fibrosis intersticial o pleural en los pulmones de roedores.

El diámetro de los NTC’s es un parámetro importante para ser considerado en su toxicología. Los MWCNT’s con menor diámetro (9.4 a 70nm) resultaron ser más tóxicos tanto in vivo como in vitro.

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Conclusiones

Los nanotubos de carbono son nanomateriales con excelentes propiedades que pueden ser modificadas mediante la funcionalización química.

Los NTC son nanomateriales que pueden resultar tóxicos para el ser humano ya que debido a su tamaño se pueden alojar en pulmones y se necesitan más estudios en esta área ya que los que hasta ahora han resultado muy eficientes son el transporte de fármacos.

Además, la estructura del grafito de los SWCNT’s pueden ser degradados, lo que abre la posibilidad de que los nanomateriales puedan biodegradarse cuando son introducidos en los diferentes sistemas biológicos.

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Development of method for evaluating cell hardness and correlation between bacterial spore hardness and durability

Koichi Nakanishi1*, Akinori Kogure2, Takenao Fujii3, Ryohei Kokawa3 and Keiji Deuchi1

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Resumen

En base a la medición de su módulo de Young, medido por medio de deformaciones producidas con un cantiléver de AFM, se determina la dureza mecánica de las siguientes bacterias, en forma de espora y célula vegetativa: Geobacillus stearothermophilus, Bacillus coagulans, Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Bacillus megaterium. Se correlaciona esta dureza con el nivel de resistencia de las bacterias a la radiación ultravioleta y al calor.

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Introducción

La propiedad de dureza es particularmente informativa de las características de una célula, y mucho se puede saber acerca de la célula por medio de la determinación de este parámetro.

Se cree que la dureza de la célula está relacionada con la resistencia de las esporas y células bacterianas al calor y UV. En los ámbitos de la alimentación y la fabricación de productos farmacéuticos, los métodos actuales para la determinación de resistencia al calor y a los rayos UV requieren recuentos de células considerablemente altos que implican realizar cultivos. Esto puede tardar desde unos pocos días a 2 semanas o más en completarse. Hay una necesidad de un método no-cultivo que pueda producir resultados rápidamente.

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El cantiléver que se utiliza en un AFM es un tipo de resorte. Hemos desarrollado un método que utiliza la sonda cantiléver de un AFM para determinar la dureza de una célula, un organelo, o de otras muestras microscópicas. El estrés físico inducido por el contacto de la sonda con la muestra se utiliza para determinar el módulo de Young como un parámetro de dureza.

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Definición de dureza y posiciones de medición.

Si la dureza se expresa como la cantidad de trabajo hecha para una deformación dada, la cantidad de trabajo corresponde a un movimiento complejo tridimensional que sería difícil de medir con precisión. Sin embargo, los factores de error se reducen si limitamos este movimiento a la dirección vertical a lo largo del eje z, de esta manera, la célula puede ser considerada como un cuerpo elástico lineal.

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Principle for measuring cell and spore hardness using the cantilever of the AFM.

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Representative measurement positions for G. stearothermophilusspore and determined Young’s modulus.

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La determinación del módulo de Young cada 40 nm a lo largo de los ejes ‘x’ y ‘y’ muestra que se obtienen los valores más representativos para el módulo de Young en el punto de mayor altura a lo largo del eje z. Las mediciones realizadas en puntos distintos de la altura máxima es probable que incluyan distribuciones de estrés físico adicionales a los del eje z y no reflejar con precisión el módulo de Young a lo largo de este. Además, si las mediciones se realizan cerca del borde de la muestra, es más probable que la medición del módulo de Young refleje la dureza de sustrato más que la dureza de la muestra.

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Correlation between hardness (Young’s modulus) and indirect measurements of heat and UV resistance.

□, Geobacillus stearothermophilus; Δ, Bacillus coagulans; ○, Bacillus subtilis; ▴, Bacillus licheniformis; ●, Bacillus megaterium.

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Conclusiones

Se desarrollaron métodos para medir directamente las propiedades físicas de una sola célula usando las esporas bacterianas y un AFM. La dureza de una sola célula se describe en términos de su módulo de Young. Usando esta técnica, la dureza de las células bacterianas se pudo medir por primera vez. Se utilizó esta técnica para medir la dureza de esporas individuales de cepas de bacterias formadoras de esporas y observó una alta correlación entre la dureza de las esporas y resistencia al calor ya los rayos UV, que son medidas convencionales de la durabilidad física. La presente técnica se permite la medición rápida de la durabilidad de las esporas y será una herramienta de gran alcance para la aclaración de sus mecanismos.

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