Síntesis de nanopartículas de hidróxidos dobles laminares para la adsorción de una proteína modelo como prototipo de nanovacuna

Abstract

La exploración de alternativas en el campo de materiales nanoestructurados, incluyendo nanoarcillas, es de interés como una opción hacia aplicaciones biológicas, incluyendo vacunas, para revolucionar el área médica y las limitaciones que presentan los bioconjugados actuales. En este trabajo se sintetizaron arcillas sintéticas tipo hidróxidos dobles laminares (HDL) como nanoacarreadores alternativos, con potencial como adyuvantes de biomoléculas específicas en aplicaciones médicas. En particular, como prototipo de nanovacuna considerando la adsorción pasiva de albumina de suero bovino (BSA) como proteína antígeno modelo. Mediante la coprecipitación de nitrato de magnesio y de aluminio con hidróxido de sodio seguida de una hidrolisis térmica (1, 2, 4, 8, 16 y 32 h) resultaron nanopartículas (NP) hexagonales con tamaños menores a 100 nm, estables y reproducibles, para relaciones de precursores 3:1 y 2:1 Mg+2/Al+3. Adicionalmente, la coprecipitación en metanol (MetOH) con 1 h de hidrolisis térmica, permitió producir NP HDL menores a las obtenidas sin el uso de este solvente. En el mejor de los casos el tamaño obtenido para una relación de 75:25 % v/v MetOH/H2O fue de 66.1 ± 3 nm. En el primer estudio de conjugación por adsorción pasiva con tres tamaños de NP HDL (92.5, 124.5 y 169.1 nm) y diferentes tiempos de adsorción (0.5, 4 y 24 h) las NP más grandes adsorbieron una menor cantidad de BSA. El empleo de HDL de 169.1 nm y una relación másica 5:1 de BSA/HDL resultó en conjugados BSA-HDL con un tamaño final de 280.6 ± 61.7 nm y un potencial ζ de −23.8 ± 2.97 mV como propiedades deseables para futuras aplicaciones. En el segundo estudio con NP HDL con un tamaño de 89.5 nm para la bioconjugación de BSA se obtuvieron capacidades máximas de adsorción con valores de Qmax de 0.236 ± 0.06, 0.273 ± 0.02 y 0.290 ± 0.24 mg BSA/ mg HDL (medición directa), y 0.353 ± 0.04, 0.406 ± 0.02, 0.506 ± 0.09 mg BSA/ mg HDL (medición indirecta) después de 0.5, 4 y 24 h, respectivamente, después de ajustar los datos experimentales a isotermas de adsorción de Langmuir. Finalmente, los prototipos de nanovacuna BSA-HDL obtenidos en este proyecto para ambos casos de estudio de bioconjugación (efecto del tamaño de NP HDL y tiempo de adsorción), resultaron en tamaños nanométricos, con baja polidispersidad, estables y con la capacidad de proporcionar una dosis mínima de BSA (≥ 5 μg de antígeno) para una posible inmunización en un modelo murino en etapas posteriores del proyecto.

The exploration of alternatives in the field of nanostructured materials, including nanoclays, is of interest as an option toward biological applications, including vaccines, to revolutionize medical areas and the limitations that current bioconjugates present nowadays. In this work, we synthesized synthetic clays, specifically layered double hydroxides (LDH) as an alternative nanocarriers, with potential as adjuvants of specific biomolecules in medical applications. In particular, as a nanovaccine prototype considering the passive adsorption of bovine serum albumin (BSA) as a model protein antigen. After the coprecipitation of magnesium nitrate and aluminum nitrate with sodium hydroxide followed by a thermal hydrolysis (1, 2, 4, 8, 16 and 32 h) we obtained hexagonal nanoparticles (NP) with sizes less than 100 nm, stable and reproducible, using precursor ratios of 3:1 and 2:1 Mg+2/Al+3. Additionally, the coprecipitation in methanol (MeOH) with 1 h of thermal hydrolysis allowed to produce NP LDH with lower sizes than those obtained without the use of this solvent. In the best case the size obtained with 75:25 % v/v MeOH/H2O was 66.1 ± 3 nm. In a first conjugation study exploring passive adsorption with three sizes of LDH NP (92.5, 124.5, and 169.1 nm) and different adsorption times (0.5, 4, and 24 h), the larger NP adsorbed a lesser amount of BSA. The use of LDH of 169.1 nm and a 5:1 BSA/HDL mass ratio resulted in BSA-LDH conjugates with a final size of 280.6 ± 61.7 nm and a ζ potential of −23.8 ± 2.97 mV as desirable properties for future applications. In a second study with LDH NP of 89.5 nm for the bioconjugation of BSA we obtained maximum adsorption capacities with values for Qmax of 0.236 ± 0.06, 0.273 ± 0.02, and 0.290 ± 0.24 mg BSA/ mg LDH (direct measurement), and 0.353 ± 0.04, 0.406 ± 0.02, 0.506 ± 0.09 mg BSA/ mg LDH (indirect measurement) for 0.5, 4, and 24 h, respectively, after adjusting the experimental data to Langmuir adsorption isotherms. Finally, the BSA-LDH nanovaccine prototypes obtained in this project for both study cases on bioconjugation (effect of the LDH particle size and adsorption time), resulted in conjugates of nanometric sizes, with low polydispersity, stable, and with a capacity to provide more than a minimum dose of BSA (≥ 5 μg antigen) for a possible immunization in murine models in future stages of this project.