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TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XVII (4): e 1293 ( 2023)
https://vocero.uach.mx/index.php/tecnociencia
ISSN-e: 2683-3360
Artículo de Revisión
Nanopartículas basadas en Quitosano con
potenciales aplicaciones en biomedicina
Chitosan Based Nanoparticles with Promising Applications in
Biomedicine
*Correspondencia: josue.juarez@unison.mx (Josué Juárez)
DOI: https://doi.org/10.54167/tch.v17i4.1293
Recibido: 29 de julio de 2023; Aceptado: 13 de octubre de 2023
Publicado por la Universidad Autónoma de Chihuahua, a través de la Dirección de Investigación y Posgrado.
Editor de Sección: Dr. David Morales-Morales
Resumen
La nanotecnología es una herramienta emergente utilizada en el desarrollo de novedosos
biomateriales de escala nanométrica. Lípidos, proteínas y polisacáridos son algunos de los materiales
de origen natural más utilizados para la fabricación de nanomateriales para la entrega controlada de
fármacos. De estos, los polisacáridos, como quitosano, almidón, pectina, alginato, entre otros, han
sido ampliamente utilizados con estos propósitos. En esta breve revisión, se mostrarán algunos
reportes sobre la fabricación de nanopartículas basadas en quitosano, para el transporte y liberación
de componentes bioactivos.
Palabras clave: nanotecnología, biomateriales, quitosano, nanopartículas
Mario Almada1, Mariangel Luna2, Marisol Gastelum-Cabrera2, Osvaldo Beltrán2, Patricia D.
Martínez-Flores2, Joselyn A. García-Mar2, Antonio Topete3, Marco A. López-Mata4, Viviana
Reyes-Marquez5, María G. Burboa6, Miguel A. Valdés7, Josué Juárez7*
1Departamento de Ciencias Químico-Biológicas y Agropecuarias, Universidad de Sonora, Campus Caborca,
C.P. 83000 Hermosillo, Sonora, México
2Departamento de Física, Posgrado en Nanotecnología, Universidad de Sonora, Unidad Centro, C.P. 83000
Hermosillo, Sonora, México;
3Departamento de Fisiología, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara,
Sierra Mojada 950, Apdo. Postal 44340, Guadalajara, Jalisco, México
4Departamento de Ciencias de la Salud, Universidad de Sonora, Campus Cajeme, Blvd. Bordo Nuevo s/n,
Antiguo Providencia, C.P. 85040, Cd. Obregón, Sonora, México.
5Departamento de Ciencias Químico-Biológicas, Universidad de Sonora, Luis Encinas y Rosales S/N,
Hermosillo C.P. 83000, Sonora, México
6Departamento de Investigaciones Científicas y Tecnológicas de la Universidad de Sonora, C.P. 83000,
Hermosillo, Sonora México
7Departamento de Física, Universidad de Sonora, Unidad Centro, C.P. 83000 Hermosillo, Sonora, México
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Almada et.al
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Abstract
Nanotechnology is a novel tool used to develop novelty biomaterials at the nanoscale. Lipids,
proteins, and polysaccharides are natural materials widely used to synthesize controlled drug-
delivery nanoparticles. From these raw materials, polysaccharides, such as chitosan, starch, pectin,
alginate, among others, have been used for this purpose. In this brief manuscript, several reports
about chitosan-based nanoparticles as transport and delivery system of bioactive transport will be
shown.
Keywords: nanotechnology, biomaterials, chitosan, nanoparticles
1. Introducción
La nanotecnología, a través de la manipulación y ensamblaje de átomos y moléculas, ha
permitido diseñar y producir materiales de escala nanométrica y dispositivos funcionales
(nanopartículas, nanoplataformas, nanosistemas, nanodispositivos, nanomateriales) los cuales
cuentan con características físicas y químicas atractivas que pueden explotarse en áreas de la biología,
medicina y tecnología farmacéutica, por mencionar algunas. Tantos materiales de naturaleza
inorgánica, orgánica o una combinación de estos, son comúnmente utilizados en el diseño y
fabricación de nanomateriales. La Fig. 1 muestra algunos componentes moleculares (fosfolípidos,
proteínas, polisacáridos y copolímeros de bloque) y elementos inorgánicos (sales inorgánicas y
átomos metálicos) usados en el diseño, síntesis y fabricación de nanomateriales funcionales de interés
para diferentes áreas de la industria, ciencia y tecnología (Modi et al., 2022). Por ejemplo, en la síntesis
de nanopartículas inorgánicas (metálicas y óxidos metálicos), se promueve la agregación controlada
de los precursores metálicos, que por lo general son sales metálicas o alcóxidos, siguiendo diferentes
estrategias químicas y físicas, tales como reacciones de óxido-reducción, coprecipitación,
descomposición térmica, procesos de sol-gel, electroquímica, plasma, deposición química de vapor,
entre otros, para obtener una nanopartícula de tamaño y forma determinada (Jamkhande et al., 2019).
Para la fabricación de nanopartículas basadas en materiales orgánicos comúnmente se utilizan
moléculas de peso molecular bajo (fosfolípidos, lípidos, y tensioactivos) (Tenchov et al., 2021) y/o alto
(polímeros sintéticos y naturales) (Gagliardi et al., 2021); de carácter anfipático, zwitteriónico, iónico
(aniónico y catiónico); moléculas que bajo condiciones controladas de disolución se asocian a través
de interacciones intra y/o intermoleculares, obteniéndose sistemas nanoestructurados tales como
micelas, vesículas, nanopartículas sólidas, nanocápsulas, por mencionar algunos ejemplos. Así,
cuando moléculas anfipáticas, por ejemplo, fosfolípidos o copolímeros de bloque, son colocadas en
un medio acuoso, éstas tienden a auto-asociarse formando diferentes tipos de estructuras (micelas,
vesículas, bicapas, etc.), en donde las secciones hidrofóbicas de estas moléculas se agrupan para evitar
el contacto con las moléculas del agua, mientras que la parte hidrofílica de las molécula queda
orientada hacia la fase acuosa, generándose así las llamadas estructuras auto-asociadas, mediante un
sutil balance entre fuerzas atractivas y repulsivas.
Los materiales poliméricos son ampliamente utilizados en la fabricación de nanopartículas
funcionales, debido a su bajo costo de producción, bajo costo de purificación y gran abundancia en
la naturaleza. Además, estos materiales pueden sintetizarse en un laboratorio (polímeros sintéticos)
o bien obtenerse a partir de fuentes naturales (polímeros naturales), destacando la gran cantidad de
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grupos funcionales, intrínsecos a su estructura química de polímero, los cuales están relacionados
con las propiedades fisicoquímicas en disolución (Begines et al., 2020; Gagliardi et al., 2021). De estos
materiales, los polímeros de origen natural o biopolímeros son ampliamente utilizados como materia
prima para el desarrollo de nanomateriales con prometedoras aplicaciones biomédicas, debido a que
suelen ser materiales biocompatibles, biodegradables y no tóxicos, en particular las proteínas y los
polisacáridos (Vodyashkin et al., 2022). Las unidades monoméricas que constituyen a estos
biopolímeros proporcionan una gran cantidad de grupos químicos funcionales que influyen de
manera directa en la estructura y conformación que estos materiales pueden adoptar en disoluciones
acuosas, así como influir en su reactividad química (Muir y Burdick, 2021).
Figura 1. Materiales utilizados en el desarrollo de nanodispositivos de interés para diferentes campos de la
ciencia, tecnología e industria.
Figure 1. Materials used in the development of nanodevices of interest for different fields of science, technology
and industry.
2. Polisacáridos
Son los biopolímeros más abundantes en la naturaleza y están constituidos por monosacáridos
unidos por enlaces glicosídicos. Debido a la gran variedad de monosacáridos que existen en la
naturaleza y a los diferentes enlaces glicosídicos mediante los cuales se pueden unir lo largo de la
cadena principal del biopolímero existe una diversidad de diferentes polisacáridos (Mohammed et
al., 2021; Lebrilla et al., 2022). Por ejemplo, las unidades monoméricas de la celulosa y quitina están
unidas por enlaces glucosídicos β(14), sin embargo la celulosa es un homopolímero lineal
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constituido por una solo tipo de monosacárido, la glucosa, mientras que la quitina es un
heteropolímero lineal constituido por monosacáridos de N-acetilglucosamina y glucosamina (Sharifi-
Rad et al., 2021).
En particular, la quitina (Fig. 2a) se obtiene principalmente del exoesqueleto de artrópodos, tales
como insectos, de crustáceos, cangrejos y camarones, así como de las paredes celulares de hongos. A
pesar de que la quitina se ha catalogado como un material biocompatible, sus aplicaciones en el área
biomédica se ven limitadas debido al alto contenido de N-acetilglucosamina (>90 %) que hacen de
este biopolímero un material duro, no elástico, e insoluble en agua y en la mayoría de los disolventes
orgánicos. Estos inconvenientes son superados una vez que se elimina el grupo acetilo de la
estructura química de la quitina, por un proceso de desacetilación química o enzimática,
obteniéndose como producto al quitosano (Fig. 2b) (Sharifi-Rad et al., 2021).
Figura 2. Estructura química de la quitina (a) y del quitosano (b) obtenido después de la desacetilación de la
quitina.
Figure 2. Chemical structure of chitin (a) and chitosan (b) obtained after deacetylation of chitin.
El quitosano está constituido principalmente por unidades de N-glucosamina (>50 %), es un
polielectrolito catiónico, soluble en soluciones acuosas ácidas (Sharifi-Rad et al., 2021). Es importante
mencionar que el quitosano se usa ampliamente como materia prima en la construcción de materiales
y dispositivos con aplicaciones prometedoras en el área biomédica, debido a sus propiedades de
biocompatibilidad, biodegradabilidad, hemostáticas, antimicrobianas. Además, es un biopolímero
accesible, debido a su alta tasa de producción (aproximadamente se producen 1011 – 1014 toneladas de
quitosano a nivel mundial) (Crognale et al., 2022; Pellis et al., 2022) y a su bajo costo económico
(MX$151.02-216.00) (Riofrio et al., 2021). Por estas razones, el quitosano es uno de los polímeros más
utilizados para el desarrollo de materiales funcionales a escala macro, micro y nanométrica. Algunos
ejemplos de esto es la fabricación de nanopartículas, nanofibras, andamios, hidrogeles, membranas,
películas, por mencionar algunos biomateriales funcionales, los cuales se emplean de manera
específica en la regeneración de tejido, liberación de fármacos, administración de vacunas, etc. Los
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métodos más comunes para su fabricación son la gelificación iónica, entrecruzamiento físico o
químico, evaporación de solvente, autoasociación, tamizado, secado por aspersión y secado por
liofilización (Ribeiro et al., 2017; Tian et al., 2022; Kim et al., 2023).
A pesar de que el quitosano es un biopolímero versátil, presenta algunas limitaciones relacionadas
con su estructura química, como una baja solubilidad en pH fisiológico, afectando de manera
negativa las funciones para las cuales se diseña el biomaterial. Estas limitaciones pueden solventarse
modificando químicamente la estructura del quitosano o bien combinándolo con otros polímeros
naturales o sintéticos (Seidi et al., 2021; Chen et al., 2022). La modificación química del quitosano es
una estrategia ampliamente utilizada para modular el balance hidrofílico/hidrofóbico, la carga y
funcionalidad de este biopolímero (Aibani et al., 2021). Los grupos funcionales -OH y -NH2 presentes
en el quitosano facilitan la unión covalente de residuos moleculares en el esqueleto del quitosano a
través de reacciones de eterificación, esterificación, alquilación, aminación reductiva y amidación,
principalmente (Di Martino y Sedlarik, 2014; Ribeiro et al., 2017; Tian et al., 2022). La Fig. 3 es un
esquema resumido de este tipo de reacciones químicas que permite cambiar la estructura y
funcionalidad del este polisacárido. A continuación, se presentarán el uso del quitosano nativo y
modificado para la fabricación de nanopartículas para el transporte de componentes bioactivos, o
como agente de recubrimiento de la superficie de nanovarillas de oro.
Figura 3. Principales reacciones químicas utilizadas para unir estructuras moleculares de bajo peso molecular a
la estructura del quitosano.
Figure 3. Main chemical reactions used to attach low molecular weight molecular structures to the chitosan
structure.
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En este reporte se discutirá de manera breve el uso de polisacáridos, en particular el quitosano, para
el desarrollo de nanomateriales, así como el método de obtención más utilizado para la obtención de
nanopartículas basadas en quitosano para la carga, transporte y liberación de compuestos bioactivos,
tales como proteínas y compuestos de bajo peso molecular, o como agentes de estabilización de
superficies de nanovarillas de oro.
3. Síntesis de nanopartículas basadas en quitosano nativo y
modificado químicamente
La construcción de nanopartículas basadas en quitosano puede llevarse a cabo por diversos
procesos tales como el entrecruzamiento iónico (gelificación iónica), nanoprecipitación,
microemulsión, coacervación y electroaspersión. El método más utilizado es el entrecruzamiento
iónico, usando tripolifosfato de sodio (TPF) como agente reticulante, debido a que es un proceso
amigable con el medio ambiente, económico, reproducible y fácil de desarrollar. Además, la
fabricación de estos sistemas nanoparticulados se realiza bajo condiciones suaves de
entrecruzamiento, por lo que los componentes bioactivos no pierden actividad biológica (Yanat y
Schroën, 2021; Vodyashkin et al., 2022). La fig. 4 muestra un esquema general del proceso de
entrecruzamiento iónico para la obtención de nanopartículas de quitosano usando TPF. El quitosano
previamente se disuelve en medio acuoso ligeramente acidificado (HCl o CH3COOH). El pH de la
disolución se ajusta con NaOH a un valor determinado, manteniendo la disolución en agitación
constante a temperatura del laboratorio. Finalmente se adiciona gota a gota TPF, previamente
disuelto en agua, manteniendo la agitación de la mezcla quitosano-TPP (Calvo et al., 1997). La
formación de nanopartículas resulta de las interacciones electrostáticas entre los grupos amino
protonados del quitosano y los grupos aniónicos del TPF. El proceso se ha modificado con el fin de
optimizar el proceso de obtención de nanopartículas, por ejemplo, se puede variar el pH de la
disolución del quitosano en un rango de 4.5 a 5.5, la concentración de quitosano (1 a 3 mg/mL), la
relación en peso del quitosano:TPF, en un rango de 3:1 a 5:1 y la temperatura de las disoluciones de
quitosano y TPP al momento de realizar el entrecruzamiento, ya sea a temperatura ambiente (25 °C)
(Calvo et al., 1997), o bien, calentando la disolución de quitosano a 60 °C y posterior transferencia a
un baño de agua fría a 4 °C (Luna et al., 2022).
Calvo y colaboradores (1997) fueron los primeros investigadores en utilizar el método de
entrecruzamiento iónico, usando TPF como agente reticulante, para obtener nanopartículas de
quitosano, usando una relación en peso de quitosano:TPF (5:1). El tamaño de las partículas de
quitosano varió entre 263 y 408 nm, con una capacidad de carga de 51 mg de proteína por cada 100
mg de nanopartículas de quitosano. En un reporte más reciente, Almada y colaboradores (2014)
obtuvieron nanopartículas de quitosano nativo y quitosanos parcialmente hidrofobizados (uniendo
residuos de octilaldehído a la estructura del quitosano con grados de modificación de 10 y 30 %,
mediante una reacción de aminación reductiva) modificando algunas condiciones del protocolo de
entrecruzamiento iónico reportado por Calvo. La síntesis se realizó a un pH de 4.2, usando una
relación en peso de quitosano:TPF (2.5:1) y se reportaron tamaños de nanopartículas de 159 nm y 260
nm cuando las nanopartículas de quitosano fueron resuspendidas en agua y en buffer fosfato,
respectivamente. Por otra parte, el tamaño de nanopartículas con quitosanos hidrofóbicos fue mayor
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cuando éstas se resuspendieron en agua desionizada, siendo de 190 nm para el quitosano
hidrofobizado al 10 % y 200 nm para el quitosano modificado al 30 %, mientras que en buffer de
fosfato el tamaño fue menor, comparado con las partículas obtenidas con quitosano nativo (227 nm
y 253 nm para quitosano hidrofóbico al 10 y 30 %, respectivamente. Este resultado sugiere que la
hidrofobización del quitosano desempeña un papel importante en la conformación del polisacárido,
modulando el tamaño de la nanopartícula según el disolvente utilizado.
Figura 4. Esquema general del proceso de fabricación de nanopartículas por entrecruzamiento iónico.
Figure 4. General scheme of the nanoparticle fabrication process by ionic crosslinking.
4. Nanopartículas de quitosano para carga-transporte-liberación
de compuesto bioactivos
El quitosano es un biopolímero atractivo para el desarrollo de nanopartículas que sirvan como
matriz de carga-transporte-liberación de compuestos biológicamente activos, tales como proteínas,
ADN, ARN, fármacos, aceites esenciales, extractos naturales, por mencionar algunos ejemplos. Esta
capacidad está relacionada con el carácter catiónico y solubilidad en medio acuoso del quitosano
nativo, así como de los quitosanos modificados (Di Martino y Sedlarik, 2014; Ribeiro et al., 2017; Tian
et al., 2022).
4.1 Nanopartículas de quitosano para carga-transporte-liberación
de proteínas
Las nanopartículas de quitosano se han propuesto para cargar y transportar proteínas de uso
terapéutico. Con este propósito, la albúmina de suero bovino ha sido utilizada como proteína modelo
en la fabricación de nanopartículas de carga y transporte de proteínas (Calvo et al., 1997; Fernández-
Urrusuno et al., 1999; Mattu et al., 2013; Yadav y Yadav, 2021). Por ejemplo, Calvo y colaboradores
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evaluaron la capacidad de una nanomatriz de quitosano para atrapar albúmina, logrando eficiencias
de encapsulamiento del 80 %, lo cual sugiere que el quitosano nativo es una matriz excelente para el
soporte de proteínas. Posteriormente, Fernández-Urrusuno y colaboradores (1999) desarrollaron un
sistema de liberación de insulina por vía nasal utilizando nanopartículas de quitosano sintetizadas
por el método de entrecruzamiento iónico, demostrando que las nanopartículas funcionan como
vehículos que transportan insulina a través de la mucosa nasal de manera eficiente. En trabajos
similares Juárez y colaboradores utilizaron quitosanos tiolados para la fabricación de nanopartículas
con la finalidad de mejorar la eficiencia de encapsulación de proteínas, en particular albúmina de
suero bovino e insulina (Hechavarria y Juárez 2018, Nevárez y Juárez 2018, Piri y Juárez, 2019). Los
quitosanos se funcionalizaron uniendo químicamente ácido mercaptopropanoico y
mercaptoundecanoico mediante una reacción de amidación. La Fig. 5 muestra el protocolo de la
reacción química la cual consiste en dos etapas. En la primera etapa, se obtiene un éster activado
mediante la reacción del ácido tiólico (3-mercaptopropanoico u 11-mercaptoundecanoico) con
clorhidrato de N-(e-dimetilaminopropil)-N’-etil-carbodiimida (EDAC), seguido de una transferencia
del mercaptano activado a N-hidroxisuccinimida (NHS), el cual es más estable en medio acuoso que
el primer éster activado con EDAC. En la segunda etapa, el éster activado con NHS se adiciona a la
disolución de quitosano, ajustando la disolución a un pH de 5.0 para facilitar la reacción de amidación
(Luna et al., 2022).
Figura 5. Esquema del protocolo de modificación del quitosano con mercaptanos ácidos.
Figure 5. Schematic of the chitosan modification protocol with acid mercaptans.
Las nanopartículas se obtuvieron por entrecruzamiento iónico, ajustando el pH a 5.5 para facilitar la
agregación y formación de nanopartículas de quitosano tiolado. Los resultados mostraron que las
nanopartículas obtenidas con quitosano tiolado presentaron una mejor eficiencia de encapsulación
de albúmina de suero bovino (89 % para el quitosano modificado con ácido mercaptopropanoico y
97 % para las nanopartículas de quitosano modificado con ácido mercaptoundecanoico), en
comparación con la eficiencia de encapsulación reportada para las nanopartículas obtenidas con
quitosano nativo. Por otra parte, estas nanopartículas también encapsulan insulina de manera
eficiente, mostrando eficiencias de encapsulación de 73 y 75 % para las nanopartículas de quitosano
modificado con ácido mercaptopropanoico y mercaptoundecanoico, respectivamente. Los ensayos in
vitro de la liberación de la lisozima capturada en las nanopartículas de quitosano modificado con
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Almada et.al
ácido mercaptoundecanoico mostraron una liberación constante y controlada, mientras que la
lisozima encapsulada en la matriz polimérica del sistema de nanopartículas de quitosano modificado
con ácido mercaptopropanoico no se liberó.
Con base a este resultado, las nanopartículas de quitosano modificadas con ácido
mercaptoundecanoico fueron consideradas para evaluar su potencial terapéutico (capacidad
hipoglucemiante) mediante ensayos in vivo usando ratas Wistar diabéticas como modelos. Los
resultados demostraron que estas nanopartículas presentan una actividad hipoglucemiante media,
puesto que los niveles de glucosa en sangre disminuyen aproximadamente hasta un 50 % después de
dos horas de ser administrada vía oral y el efecto permanece por 4 horas, lo cual sugiere que la
lisozima se libera de manera controlada y constante (Nevárez y Juárez 2018, Piri y Juárez, 2019). Con
base en estos resultados, las nanopartículas basadas en quitosanos tiolados y cargadas con insulina
son de interés biomédico puesto que representan un biomaterial con prometedoras aplicaciones en
el tratamiento de la diabetes.
4.2 Nanopartículas de quitosano para carga de compuestos de bajo
peso molecular (fármacos y aceites esenciales)
El proceso de fabricación de nanopartículas basadas en quitosano es fácil de adaptar de acuerdo
con las propiedades de las especies que se pretenden encapsular e incluso es posible adicionar un
paso para facilitar la encapsulación de compuestos bioactivos de bajo peso molecular, tales como
fármacos (hidrofílicos neutros, catiónicos, aniónicos, o hidrofóbicos), extractos de plantas y aceites
esenciales. Por ejemplo, el agente antineoplásico doxorrubicina es uno de los primeros fármacos que
fueron encapsulados en nanopartículas de quitosano. Janes y colaboradores (2001) prepararon
nanopartículas de quitosano cargadas con doxorrubicina a un pH de 4.7, consiguiendo una eficiencia
de encapsulación de la doxorrubicina realmente baja (9.1 %) debido a que el fármaco se encontraba
cargado positivamente (pKa de la doxorrubicina = 8.2 al pH de preparación de nanopartículas) y por
lo tanto pudo haberse presentado una repulsión entre los grupos amino del quitosano y del fármaco.
En un trabajo reciente, Zare y colaboradores (2018) se logró aumentar la eficiencia de encapsulación
de doxorrubicina ajustando las condiciones experimentales del proceso de fabricación de
nanopartículas basadas en quitosano nativo. A pesar de alcanzar eficiencias de encapsulación del 23
% el porcentaje es bajo si se compara con nanopartículas obtenidas con quitosanos modificados (Di
Martino y Sedlarik, 2014) o cuando se usa en combinación con otros materiales poliméricos (Yang et
al., 2021).
Por otra parte, los aceites esenciales poseen excepcionales propiedades antisépticas,
antiinflamatorias, repelentes de insectos, entre otras, por lo que suelen utilizarse como paliativo
contra ciertas enfermedades, tales como el cáncer o enfermedades causadas por microorganismos
(Encinas-Basurto et al., 2017; Hadidi et al., 2020; Luna et al., 2022; Mondéjar-López et al., 2022). Sin
embargo, los aceites esenciales no pueden aplicarse directamente debido a que son compuestos
hidrofóbicos, volátiles, lábiles al aire, luz y temperatura, además de ser irritantes si se aplican
directamente en la piel u otros tejidos. Estos inconvenientes se solventan utilizando nanopartículas
de quitosano como matriz de transporte. Debido a la naturaleza hidrofóbica de los aceites esenciales
es necesario incluir un paso adicional al protocolo de obtención de nanopartículas basadas en
quitosano por entrecruzamiento iónico. Este paso consiste en preparar una emulsión mezclando el
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aceite esencial con un surfactante en medio acuoso, en donde las estructuras micelares de la emulsión
quedan atrapadas en la red de la matriz polimérica del quitosano, permitiendo así encapsular al aceite
esencial en grandes proporciones, alcanzando valores de eficiencia de encapsulación superiores al 50
% (Hadidi et al., 2020; Luna et al., 2022; Mondéjar-López et al., 2022). Es importante mencionar que los
sistemas preparados a base de quitosano y cargados con aceites esenciales mostraron excelentes
propiedades antibacterianas. Por ejemplo, las nanopartículas de quitosano cargadas con aceite
esencial de clavo, preparadas por Hadidi y colaboradores (2020) afectaron la viabilidad tanto de
bacterias Gram positivas como Gram negativas, concluyendo que estos nanosistemas pueden ser
utilizados para prevenir la contaminación de alimentos y propagación de infecciones bacterianas.
Por otra parte, Luna y colaboradores (2022), fabricaron nanopartículas de quitosano cargadas con
carvacrol como agente bactericida. Como es de esperar, la eficiencia de encapsulación de carvacrol
en nanopartículas de quitosano obtenidas por el protocolo tradicional de entrecruzamiento iónico es
baja debido a la hidrofobicidad del aceite esencial. Para aumentar la cantidad de carvacrol en la
nanomatriz de quitosano, Luna y colaboradores modificaron primeramente la estructura del
quitosano uniendo cadenas hidrocarbonadas de ocho carbonos mediante una reacción de amidación,
resultando en un quitosano hidrofóbico. Después prepararon una emulsión de carvacrol la cual se
incorporó a la disolución de quitosano modificado y, finalmente, se agregó la disolución de TPF. Con
esta estrategia, se alcanzó una eficiencia de encapsulación de carvacrol del 56 %. Interesantemente,
estos nanosistemas basados en quitosano presentaron una fuerte actividad antibacteriana,
disminuyendo la viabilidad bacteriana por debajo de 30 % a concentraciones de 0.38 mg/ml de
carvacrol. Con base en estos resultados, las nanopartículas cargadas con carvacrol pueden
considerarse como un biomaterial potencialmente útil en la prevención de infecciones bacterianas.
4.3 Quitosano como agente estabilizante de nanopartículas
poliméricas y metálicas
Además de la encapsulación de agentes bioactivos, el quitosano se ha utilizado para recubrir y
funcionalizar la superficie de nanodispositivos (nanopartículas, lipídicas, proteicas, poliméricas y
metálicas) de transporte-entrega de fármacos mediante el aprovechamiento de su carácter
policatiónico y de la gran cantidad de grupos funcionales intrínsecos a su estructura, sumado esta
funcionalidad a sus propiedades de biocompatibilidad, biodegradabilidad y mucoadhesividad
(Frank et al., 2020). De acuerdo con los ensayos desarrollados tanto in vitro como in vivo, los
dispositivos funcionales estabilizados con quitosano presentan ciertas ventajas, mejorando la
estabilidad en disolución y la liberación controlada de fármacos, además de promover la
mucoadhesividad, penetración tisular y la modulación de las interacciones con las células, mejorando
así la función terapéutica del nanosistema.
Por otra parte, cuando se recubre con quitosano la superficie de nanopartículas metálicas, tales como
las nanopartículas de oro y plata, las propiedades plasmónicas de estas nanopartículas prácticamente
no se afectan (Katas et al., 2018; Ibrahim et al., 2019; Verma et al., 2021). Este hecho es de gran
relevancia, puesto que estas propiedades ópticas representan una alternativa terapéutica contra
enfermedades como el cáncer, o aquellas provocadas por microorganismos, a través del incremento
de temperatura (terapia fototérmica) debido a la disipación de energía electromagnética absorbida
(propiedad fototérmica) (Ibrahim et al., 2019; Zheng et al., 2021). Un ejemplo ilustrativo de esto son
las nanovarillas de oro, que presentan dos bandas de absorción (plasmón de resonancia transversal
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Almada et.al
y plasmón de resonancia longitudinal) características en la región visible del espectro
electromagnético, como resultado de la oscilación colectiva de los electrones presentes en la superficie
de la nanovarilla con el campo eléctrico de la radiación electromagnética. Las nanovarillas de oro se
sintetizan por el método de crecimiento mediado por semillas, en el cual se usa bromuro de
hexadeciltrimetil amonio (CTAB) como agente estabilizante (Zheng et al., 2021). La presencia de este
surfactante es esencial para proporcionar estabilidad a la barra de oro, pues cuando éste se elimina,
a través de un proceso de diálisis o por centrifugación, las nanovarillas de oro se destruyen,
perdiendo sus propiedades plasmónicas y su potencial terapéutico (Duan et al., 2014; Almada et al.,
2017). Por otra parte, la presencia de CTAB limita el uso biológico de estos sistemas debido a que este
surfactante es altamente tóxico para las células. Por lo anterior, es necesario buscar materiales que
confieran estabilidad a las nanovarillas, que sean biocompatibles y que no afecten las propiedades
plasmónicas del nanomaterial.
En este sentido, Duan y colaboradores (2014) desarrollaron un sistema nanoparticulado basado en
nanovarillas de oro para la destrucción de células cancerígenas por quimioterapia y ablación térmica.
El nanosistema consta de un núcleo de oro en forma de varilla, estabilizado con quitosano, el cual se
conjuga químicamente con doxorrubicina. Los ensayos de la viabilidad in vitro se realizaron
utilizando células HeLa, MCF-7 y A549 como células modelo de cáncer cervical, cáncer de mama y
cáncer pulmonar, respectivamente. La viabilidad de las células cancerígenas se vio afectada por la
presencia de estos nanosistemas; sin embargo, el efecto citotóxico se incrementó cuando las células
fueron sometidas a un proceso de irradiación, debido al proceso de absorción de la radiación
electromagnética y posterior conversión a calor por parte de las nanovarillas de oro.
Almada y colaboradores (2017) propusieron el uso de quitosano para reemplazar el CTAB de la
superficie de las nanovarillas de oro. Para lograr este objetivo, el quitosano se modificó con ácido
mercaptopropanoico, proporcionando grupos -SH, los cuales se caracterizan por su alta afinidad a la
superficie de oro. Almada y colaboradores reportaron que las nanovarillas de oro estabilizadas con
quitosano ácido mercapto propanoico son estables en medio acuoso y no afectan las propiedades
fototérmicas del nanomaterial. Con base en estos resultados, los autores sugieren que las nanovarillas
de oro estabilizadas con el quitosano tiolado pueden ser consideradas como biomateriales con
aplicaciones sumamente prometedoras en el campo de la biomedicina. Además, es posible
implementar una terapia dual, en donde el efecto quimioterapéutico puede aumentarse a través de
la sensibilización de las células como consecuencia del incremento de temperatura en el medio
circundante.
5. Conclusiones
El quitosano es un biopolímero atractivo para el desarrollo de nanomateriales útiles para la
carga, transporte y liberación localizada y controlada de fármacos, ya que es un biopolímero
biocompatible y biodegradable. A pesar de que existen diversas metodologías para la fabricación de
nanopartículas basadas en quitosano, el método de entrecruzamiento iónico, usando TPP como
agente reticulante, es el más utilizado ya que es versátil, fácil de desarrollar y los resultados son
reproducibles; además es un proceso de bajo costo y amigable con el medio ambiente. Por otra parte,
la adición covalente de pequeñas moléculas a la estructura química del quitosano modifica las
características fisicoquímicas de este biopolímero, permitiendo modular el comportamiento del
quitosano en agua, optimizar la fabricación de las nanopartículas basadas en quitosano, mejorar las
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propiedades de carga-transporte-liberación de fármacos de nanomateriales basados en quitosano y,
de esta manera, ampliar el uso potencial del quitosano como agente de recubrimiento y estabilizador
de la superficie de nanomateriales, aumentar la eficiencia terapéutica del componente bioactivo, o
para el caso de materiales fototérmicos, aumentar el daño como consecuencia del incremento de
temperatura (efecto fototérmico) en el tejido blanco de interés. Los resultados de los trabajos
presentados demuestran que las nanopartículas o dispositivos desarrollados a base de quitosano
tienen prometedoras aplicaciones en el área de la biomedicina, por lo menos en ensayos in vitro.
Ahora es importante dar un paso más adelante en la investigación sobre el posible uso de estos
nanomateriales en ensayos in vivo, con el fin de elucidar el potencial de estos nanosistemas.
Agradecimientos
A la Universidad de Sonora por su apoyo a través del proyecto interno USO315008537.
Conflicto de interés
Los Autores declaran que no existen conflictos de intereses.
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