Artículo basado en el siguiente estudio de 2016 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5086276/ y otros.
Las nanopartículas de plata protegen las células de la piel contra el daño al ADN y la muerte celular inducidos por la radiación UVB, previniendo el cáncer de piel.
Según el “Informe mundial sobre el cáncer”, el cáncer de piel constituye casi el 30% de los casos de cáncer recientemente diagnosticados en el mundo, es decir, que es el tipo de cáncer más común. Cada año se diagnostican más de 13 millones de casos y 65.000 personas mueren por ello. Como consecuencia, se pone un énfasis significativo en su prevención con la necesidad de desarrollar enfoques más nuevos y efectivos para reducir la incidencia general y / o detener su progresión.
La radiación solar ultravioleta (UV) – en particular su componente UVB – es una causa establecida de carcinogénesis cutánea debido a su capacidad para dañar el ADN de las células de la piel. Si no se repara, el daño al ADN puede conducir finalmente a la acumulación de mutaciones cancerígenas que conducen a la transformación maligna de las células de la piel.
Para proteger el ADN, se han desarrollado varias formulaciones de protectores solares tópicos que se están utilizando para la protección contra la carcinogénesis y las lesiones cutáneas inducidas por la radiación UV. Estas formulaciones incluyen mayormente nanopartículas de óxido de zinc o dióxido de titanio que reflejan, dispersan o absorben las radiaciones UV y así limitan la exposición de las células de la piel. El nivel de protección de los productos de protección solar contra la irradiación UVB se refleja en un factor de protección solar (FPS), que se define como la relación entre la cantidad mínima de energía ultravioleta necesaria para producir un eritema mínimo en la piel protegida con protección solar y la cantidad de energía necesaria para producir el mismo eritema en la piel desprotegida. Pero, aunque los protectores solares disponibles en el mercado reclaman un alto valor de SPF, la incidencia de cáncer de piel inducido por rayos UV ha seguido aumentando a un ritmo alarmante, cuestionando así su verdadera eficacia en el uso humano práctico.
Por otro lado, los datos de varios estudios también han demostrado que el óxido de zinc o el dióxido de titanio pueden causar efectos inflamatorios y/o tóxicos en las células de la piel. Por lo tanto, es importante si pudiéramos cambiar estas formulaciones por una opción segura y eficaz para reducir la incidencia de carcinomas y frenar la morbilidad y mortalidad asociadas con ellos.
La plata ha sido utilizada durante siglos para prevenir y tratar una variedad de enfermedades, así como para la cicatrización de heridas de la piel debido a sus excelentes propiedades antimicrobianas y antiinflamatorias, captadoras de radicales libres. En la década de 1990, la plata se introdujo en forma coloidal (es decir, nanopartículas de plata, AgNP) en ungüentos que podían aplicarse sobre heridas abiertas para matar bacterias y promover la curación. Las AgNP se utilizan actualmente en diversos dispositivos médicos, productos de consumo y productos farmacéuticos, incluidos vendajes, apósitos para heridas y ungüentos. De hecho, las AgNP ahora conforman más de una cuarta parte de la lista de productos basados en nanotecnología disponibles comercialmente, lo que sugiere su amplia aplicabilidad y seguridad en aplicaciones humanas.
En las investigaciones científicas que sirvieron de bibliografía para este artículo, se explora la eficacia de las AgNP como agente quimiopreventivo contra la carcinogénesis cutánea inducida por radiación UVB.
Los investigadores compararon los efectos protectores de las células de las nanopartículas de plata con los de las nanopartículas de óxido de zinc y las nanopartículas de óxido de titanio, las cuales se utilizan ampliamente en los protectores solares convencionales.
Si bien las tres sustancias proporcionaron un valor de SPF comparable, solo las nanopartículas de plata protegieron las células de la piel del daño del ADN que puede provocar cáncer de piel.
Es más, las NP de ZnO y TiO2 promovieron el daño del ADN inducido por UVB probablemente a través de la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), mientras que las nanopartículas de plata (AgNP) no solo protegieron las células de la piel reparando cualquier daño al ADN causado por la exposición a la luz ultravioleta, sino que también estimularon la protección antioxidante de las células.
Es decir, que los investigadores descubrieron que la plata es claramente superior tanto al zinc como al titanio para proteger las células de la piel humana contra el daño ultravioleta que puede resultar en cáncer de piel.
Por lo tanto, estos resultados sugieren que las AgNP bien pueden servir de reemplazo para los principales ingredientes activos actuales, es decir, las NP de ZnO y TiO2 de las cremas de protección solar disponibles comercialmente.
En resumen, los investigadores afirman que las nanopartículas de plata son mucho más eficaces y seguras para proteger la piel contra los efectos dañinos y potencialmente cancerígenos de la luz solar que los dos ingredientes más utilizados en los protectores solares en la actualidad.
Eficacia fotoprotectora de nanopartículas de óxido de zinc, dióxido de titanio y plata
Dado que se sabe que las nanopartículas (NP) de ZnO y TiO2 actúan como filtros UV y, por lo tanto, brindan protección física indirecta contra el daño al ADN inducido por UVB, se compararon sus valores de FPS (Factor de Protección Solar) con los de las AgNP. Los valores de FPS para los tres tipos de nanopartículas aumentaron de forma proporcional a la concentración, con las TiO2-NP exhibiendo la curva más alta, seguidas por las AgNP y las ZnO-NPs (Figura 1A).
A continuación, las células fueron expuestas a radiación UVB (20 mJ/cm2) y se examinó la viabilidad celular después de 48 h. Como se esperaba, las células irradiadas con UVB exhibieron una muerte celular extensa (40-45%). En cambio, las células cuya superficie estaba cubierta con crema conteniendo un 10% de ZnO-, TiO2- o Ag-NP, mostraron una protección significativa y comparable (1,41 veces en el caso de las ZnO-NP; 3,05 veces en las TiO2-NP; y 2,11 veces en las AgNP) contra la muerte celular inducida por UVB (Figura 1B).
Figura 1
Eficacia fotoprotectora de NP de Ag, ZnO y TiO2
Solo las AgNP protegen y reparan el ADN del daño inducido por UVB
El fotodaño al ADN epidérmico inducido por radiación UVB es considerado una de las causas más importantes de su impacto cancerígeno en las células de la piel.
En este mismo estudio, también se demostró que solo las nanopartículas de plata brindan protección biológica contra el daño al ADN inducido por UVB, esencialmente a través del mecanismo de reparación por escisión de nucleótidos (REN).
Por el contrario, en las células irradiadas con UVB que fueron pretratadas con NP de ZnO o TiO2, se observa una protección mínima o nula contra el daño al ADN. (Figuras 2A y 2B).
Figura 2
Efecto de las NP de Ag, ZnO y TiO2 contra el daño directo al ADN inducido por UVB
(A) El mecanismo de reparación por escisión de nucleótidos (NER) es el principal responsable de reparar las lesiones del ADN inducidas por UVB. Por lo tanto, examinamos la expresión de genes NER claves en células de piel tratadas con UVB y las diferentes nanopartículas. La irradiación con UVB provocó un ligero aumento en los niveles de genes NER en las células, probablemente como mecanismo de contradefensa, pero sin embargo, su expresión fue significativamente elevada en las células pretratadas con AgNP e irradiadas con UVB. No se observó ningún cambio significativo en la expresión de los genes NER en las células pretratadas con ZnO o TiO2-NP.
Estos resultados sugieren que solo los AgNP son capaces de proteger las células del daño al ADN inducido por UVB reparando lesiones a través del mecanismo NER.
Las nanopartículas de óxido de zinc y dióxido de titanio promueven, mientras que las nanopartículas de plata suprimen la generación de especies reactivas de oxígeno.
La generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) inducida por UVB actúa como un potente oxidante que da como resultado daños oxidativos en el ADN. Por lo tanto, se examinó el efecto de las ZnO-, TiO2- y Ag-NP sobre los niveles de ROS en células con y sin irradiación UVB. Como era de esperar, la irradiación con UVB aumentó significativamente los niveles de ROS (~ 8,28 veces) en las células sin tratar, mientras que las pretratadas con AgNP experimentaron solo una inducción mínima en los niveles de ROS (~ 2,84 veces), lo que sugiere su eficacia antioxidante (Figura 3A). Por el otro lado, las células tratadas con ZnO- o TiO2-NP no solo mostraron un aumento en el contenido de ROS (~ 2,1 y 1,8 veces, respectivamente), sino que también tuvieron una inducción de ROS muy pronunciada en las células tras la irradiación con UVB (~ 13,8 y 13,0 veces, respectivamente).
Estos hallazgos sugieren que las AgNP también son eficaces para proteger las células del daño oxidativo al ADN inducido por UVB, mientras que las NP de ZnO o TiO2 aumentan este daño al aumentar la producción de ROS.
Figura 3
Efecto de nanopartículas de Ag, ZnO y TiO2 sobre la generación de especies reactivas de oxígeno
Las nanopartículas de plata mejoran la actividad de enzimática para contrarrestar el estrés oxidativo generado por la irradiación UVB en las células
Teniendo en cuenta las diferencias observadas en los niveles de ROS en las células pretratadas con Ag-, ZnO- o TiO2-NP, examinamos a continuación su actividad antioxidante total comparativa (TAC), que es una medida de las actividades antioxidantes de los sistemas enzimáticos (GSH reductasa, catalasa, peroxidasa, etc.), moléculas pequeñas (ascorbato, ácido úrico, GSH, vitamina E, etc.) y proteínas (albúmina, transferrina, etc.).
El pretratamiento con AgNP restauró con éxito el TAC de las células irradiadas con UVB. Sin embargo, el tratamiento con ZnO- y TiO2-NPs no solo redujo el TAC basal (~ 1,38 y 1,34 veces, respectivamente) de las células, sino que provocó una disminución más pronunciada tras la irradiación con UVB (~ 6,0 y 6,1 veces, respectivamente) (Figura 4A).
A continuación, se determinó el efecto del pretratamiento con las diferentes nanopartículas sobre la expresión de genes que codifican las enzimas del principal sistema de defensa antioxidante [SOD (superóxido dismutasa), CAT (catalasa) y GPx (glutatión peroxidasa)]. La irradiación con UVB mejoró ligeramente el nivel de expresión génica de estas enzimas antioxidantes en comparación con las células no tratadas. Sin embargo, las células pretratadas con Ag-NP mostraron una expresión ligeramente aumentada de CAT y GPx junto con un aumento notable en la expresión de SOD. Por el contrario, las células pretratadas con ZnO- y TiO2-NPs no mostraron ningún efecto significativo sobre el nivel de expresión de estas enzimas (Figura 4B). Curiosamente, cuando examinamos la actividad enzimática de SOD, CAT y GPx, ésta se redujo (1,37, 1,21 y 1,76 veces, respectivamente) en las células irradiadas con UVB, mientras que aumentó (1,85, 2,33 y 1,44 veces) en las células pretratadas con Ag-NP. Por el contrario, el pretratamiento con ZnO- y TiO2-Ns condujo a una mayor disminución de la actividad de estas enzimas (Figura 4C).
Efecto del pretratamiento de NP sobre el estrés oxidativo generado por UVB en células cutáneas
(A) Capacidad antioxidante total
(B) Nivel de enzimas antioxidantes
(C) Actividad enzimática de SOD, CAT y GPx.
Evaluación de la toxicidad de nanopartículas de plata, óxido de zinc y dióxido de titanio en células de la piel
La toxicidad es siempre un problema importante para las aplicaciones humanas de nanopartículas metálicas. Entonces, a continuación este mismo estudio evaluó la toxicidad de las NP de Ag, ZnO y TiO2. Se monitorizó la viabilidad de las células tratadas con diversas concentraciones (0,5 a 40 µg / ml) de NP de Ag, ZnO o TiO2. El tratamiento con AgNP durante 12 h no causó ninguna toxicidad en las células, mientras que las tratadas durante 24 h y 48 h mostraron cierta toxicidad (87% y 73% de viabilidad celular, respectivamente) a la concentración más alta (40 μg / mL) probada en este experimento (Figura 5A).
Por el contrario, el tratamiento con ZnO- y TiO2-NP redujo significativamente la viabilidad celular y menos del 45% de las células fueron viables después de 24 h y 48 h de tratamiento a la concentración más alta (40 μg / mL).
Además, se trataron células con estas NP durante períodos de tiempo relativamente cortos (3, 6 y 12 h) y se evaluó la toxicidad después de 72 h para imitar el escenario práctico de las aplicaciones de protección solar. Sorprendentemente, no se observó toxicidad alguna en las células tratadas con AgNP después de 72 h, mientras que el tratamiento con TiO2- y ZnO-NP resultó en una viabilidad celular reducida (Figura 5B).
En conjunto, estos datos sugieren que las AgNP son en gran parte no tóxicas para las células de la piel humana, mientras que las NP de ZnO y TiO2 son significativamente tóxicas en comparación con las NP de Ag.
Examinando la toxicidad celular de las nanopartículas
La muerte celular inducida por UVB es inhibida por las nanopartículas de plata
Si bien la apoptosis (muerte celular) sirve como un mecanismo de eliminación de las células fotodañadas, también conduce a lesiones en la piel. Por eso se investigaron las propiedades antiapoptóticas de las AgNP.
Las células cutáneas fueron incubadas con diferentes dosis de AgNP (0,5-2,0 µg / ml) antes de ser irradiadas con UVB (40 mJ/cm2), y luego se examinó el efecto sobre la morfología (su forma) mediante microscopía de contraste de fase. Las células irradiadas con UVB mostraron una morfología celular redondeada, encogimiento celular y desprendimiento del sustrato. Estos cambios en la morfología celular son rasgos característicos de las células que experimentan muerte celular por apoptosis. Las células pretratadas con AgNP conservaron en gran parte su forma (Fig. 6A).
A continuación, se examinó el papel protector de las AgNP en la muerte celular inducida por UVB mediante el método de tinción de azul de tripano. Los datos muestran que la muestra irradiada con UVB y sin tratamiento con AgNP resultó en un número de células viables notablemente bajo (alrededor de un 63%), mientras que la viabilidad de las células pretratadas con AgNP (0,5-2 μg / ml) fue significativamente mayor e incrementó en concordancia con la dosis, desde un 82,6 a un 94,5% (Fig. 6B).
Esta observación fue adicionalmente confirmada mediante tinción con Anexina V seguida de citometría de flujo – un método que sirve para determinar número de células, porcentaje de células vivas, y otras características como el tamaño y la forma. Se observó que la irradiación con UVB provoca una muerte celular significativamente mayor (41,6%) en comparación con las células no irradiadas (7,4%), mientras que sólo se observó un 10,7% de células muertas tras el pretratamiento con AgNP (Fig. 6C). Juntos, estos hallazgos sugieren un papel quimiopreventivo de las AgNP contra la lesión de las células de la piel inducida por UVB.
Figura 6
El pretratamiento con nanopartículas de plata reduce la muerte celular inducida por UVB
El tratamiento con nanopartículas de plata conduce a la detención del ciclo celular en fase G1 / S de las células de la piel irradiadas con UVB
La progresión del ciclo celular es un proceso estrictamente controlado. Para proteger la integridad de las células, el daño al ADN conduce a la detención del ciclo celular y la activación de vías de reparación.
Se descubrió que el tratamiento con AgNP antes de la irradiación con UVB causó una acumulación significativa de células en la fase G1 / S (6 veces más en comparación con las células sin tratar).
Estos datos sugieren que las AgNP detienen las células en el primer punto de control (antes de la duplicación del ADN) para facilitar la reparación del daño al ADN inducido por UVB.
Las AgNP ingresan en mayor proporción a las células tras la exposición a UVB y son biológicamente activas
La detención del ciclo celular en la fase G1 / S de las células pretratadas con AgNP tras la irradiación con UVB indica que las AgNP podrían tener alguna actividad biológica.
Los análisis llevados a cabo en este estudio indicaron una mayor concentración de AgNP dentro de las células pretratadas que fueron posteriormente expuestas a radiación UVB, principalmente en la zona del núcleo. Es decir que la exposición a los UVB está directamente vinculada con el ingreso de las AgNP a las células.
Para obtener más evidencia de que el efecto quimiopreventivo de las AgNP se debe de hecho a su actividad biológica, se trataron células cutáneas con AgNP después de la exposición a UVB. Se observó que el postratamiento con AgNP también fue significativamente eficaz en la reparación del daño al ADN inducido por UVB.
El tamaño es un parámetro esencial en la eficacia protectora de las nanopartículas de plata
También se buscó investigar si el tamaño controlaba la eficacia quimiopreventiva de las AgNP contra el daño al ADN y la muerte celular inducidos por la radiación UVB.
Los datos muestran que el pretratamiento de las células cutáneas con AgNP en el rango de tamaño menor a 40 nm fue eficaz para proteger las células de la piel del daño al ADN inducido por UVB, mientras que no se observó protección alguna con AgNP de tamaños mayores (60 y 100 nm).
De manera similar, solo las AgNP de menor tamaño (<40 nm) fueron efectivas para proteger las células de la piel de la muerte celular inducida por la radiación UV.
A nivel molecular, la irradiación con UVB de las células condujo a un marcado aumento en la expresión de la proteína proapoptótica Bax (que conduce a la muerte celular) y a la disminución de las proteínas antiapoptóticas Bcl-2 y Bcl-xL (que previenen la muerte celular), mientras que estos aspectos permanecieron prácticamente inalterados en las células pretratadas con AgNP de menor tamaño (<40 nm).
En conjunto, estos hallazgos sugieren que el tamaño es un determinante crítico de la eficacia protectora de las AgNP en las células de la piel humana.
CONCLUSIONES
El cáncer de piel es un problema de salud importante. La radiación solar UVB es una causa bien conocida de más del 90% de los cánceres de piel. Por lo tanto, es vital minimizar el efecto de los rayos UV, ya sea limitando la exposición de las células de la piel mediante el uso de formulaciones de protección solar o interfiriendo con los pasos posteriores involucrados en la carcinogénesis de la piel y su progresión.
Los filtros solares tópicos, disponibles principalmente como agentes protectores UVB de venta libre, no solo no han logrado limitar la incidencia del cáncer de piel, sino que también son motivo de preocupación por sus efectos nocivos no deseados. Este estudio comparó la eficacia protectora de las nanopartículas (NP) de dióxido de titanio (TiO2) y óxido de zinc (ZnO), que son los bloqueadores solares físicos más comunes en los protectores solares comerciales, con la de las nanopartículas de plata (AgNP), agentes protectores UVB recientemente descubiertos.
Se probó la eficacia de las AgNP para prevenir y reparar el daño al ADN inducido por UVB, como así también para prevenir la acumulación de especies reactivas de oxígeno, contrarrestar el estrés oxidativo, y prevenir la muerte celular. Esto deja en claro su potencial como protector solar y agente quimiopreventivo eficaz contra el cáncer de piel inducido por UVB.
