En la Ciencia e Ingeniería de Materiales existe un particular interés en desarrollar nuevos materiales que a su vez cuenten con propiedades inocuas a los organismos, con tamaño de partícula modulable y que tengan propiedades multifuncionales. En este sentido, recientemente se ha desarrollado una nueva clase de materiales híbridos (orgánicos-inorgánicos) denominados redes metal orgánicas o MOF por sus siglas en inglés Metal Organic Frameworks. Estos materiales están constituidos por al menos un centro metálico, que actúa como un ácido de Lewis, y un ligante orgánico, que actúa como base de Lewis, dando lugar a coordinaciones o interacciones entre el ligante y el centro metálico. El estado de oxidación, el número de coordinación del metal y el tipo de ligando utilizados en la síntesis, determinan la geometría de la red, la cual puede ser i) unidimensional, en forma de nodos de coordinación lineales, ii) bidimensional, formando láminas, hojas o laderas, o iii) tridimensional, formando estructuras con cavidades generalmente ocupadas por moléculas de solvente u otras moléculas de interés, tal cual revisaremos más adelante. Las aplicaciones de las MOF están determinadas por sus propiedades fisicoquímicas; entre las aplicaciones más estudiadas se encuentran: el almacenamiento de combustibles (hidrógeno, metano, entre otros), captura de dióxido de carbono, catálisis heterogénea, intercambio iónico, luminiscencia, óptica no lineal, conductividad eléctrica, magnetismo, y más recientemente como sistemas de liberación controlada de fármacos.
En particular, para que un material pueda ser utilizado como vehículo de fármacos, es necesario que cumpla con requisitos como: compatibilidad biológica, baja toxicidad, estabilidad en medios fisiológicos, tamaño de partícula adecuado y superficie modulable. En este sentido las MOF presentan ventajas comparadas con los materiales tradicionales (micelas, polímeros, sílice, entre otros), ya que pueden diseñarse (ver Figura):
- a) Con metales de baja toxicidad, además biocompatibles (por ejemplo Fe, Al, Mg, Ca, etcétera);
- b) de forma que sean estables o persistentes en el tiempo necesario o en las condiciones adecuadas para liberar la sustancia activa;
- c) utilizando ligandos orgánicos con actividad biológica, de tal forma que al ser liberados los componentes que conforman el material, éstos tengan acción directa en la cura o tratamiento de determinada enfermedad, o en el lugar de acción específico;
- d) con un tamaño de partícula controlado mediante la modificación de los parámetros o del tipo de síntesis;
- e) de manera que cuenten con sitios específicos de adsorción usando grupos funcionales particulares unidos a los ligandos orgánicos;
- f) con una estructura flexible, capaces de adsorber moléculas de mayor tamaño, comparadas con el tamaño de las cavidades.
Teniendo en cuenta todas estas posibilidades, se han estudiado MOF de baja toxicidad, mayoritariamente empleando Fe, con ligantes como: ácido mucónico (MIL-89), ácido fumárico (MIL-88A), ácido trimésico (MIL-100), ácido amino tereftálico (MIL-101-NH2) y ácido tereftálico (MIL-53). Como fármacos que se cargan al material se han empleado en tratamientos preliminares contra el cáncer o como antivirales (cidofovir, busulfan, acidotimidina trifosfato y duxorubicina), obteniendo cargas o retenciones de hasta 42 %wt, con un 91 por ciento de eficiencia en el proceso de carga o encapsulado. Asimismo, la liberación fue completa y se llevó a cabo de forma progresiva/controlada (por ejemplo: hasta 14 días en el caso de la duxorubicina).
A pesar de que se presentan a las MOF como sistemas prometedores para la liberación controlada de fármacos y otras aplicaciones biomédicas como agentes de contraste para la obtención de imágenes por resonancia magnética nuclear, la mayoría de los estudios se encuentran en etapa de desarrollo o de prueba. Existen varias revisiones que describen el uso de las MOF en bioaplicaciones, tal es el caso del trabajo desarrollado por Horcajada y Serre donde realizaron una revisión sobre MOF en biomedicina que cubre el progreso hasta 2012 relacionado con el uso de MOF como agentes teranósticos y en la evaluación de seguridad biológica. En 2015, el grupo de Lin informó otra revisión que abarca los últimos 10 años, sobre las aplicaciones de MOF en la administración de fármacos, imágenes y detección. También se han presentado algunas revisiones sobre MOF con tamaño nanométrico para terapia fotodinámica y MOF sensibles a estímulos para el suministro de fármacos y la terapia del cáncer. Más recientemente (2018) el grupo de Xie elaboró una revisión sobre los métodos de carga de fármacos basados en MOF usando tres estrategias para adsorción y posterior liberación: 1) encapsulado, 2) ensamblaje directo y 3) adsorción post-síntesis.
Entre los resultados más destacables de los trabajos y revisiones antes mencionados, se encuentra que el estudio de las interacciones entre la MOF y el portador es fundamental para la predicción de las propiedades y el diseño de nuevas estructuras que puedan tener mayor capacidad de carga y una liberación más gradual o modulable. Las estrategias planteadas son fundamentales en el control de la concentración del fármaco en el medio fisiológico. Los estudios incluyen resultados experimentales y cálculos teóricos que permiten plantear mejores estrategias en la implementación de MOF en las diversas aplicaciones biomédicas tanto mostradas como potenciales.
Existen desafíos que deben resolverse antes de poner en práctica un sistema de liberación basado en MOF de forma comercial, entre ellos se encuentran: el control del tamaño de partícula y la morfología, para garantizar la circulación sanguínea prolongada, la captación celular mejorada y la liberación de cargas de tipo controlable. Además, con respecto a las aplicaciones biomédicas, los compuestos que se liberen una vez que la MOF descarga totalmente al principio activo deben ser procesados o asimilados por el sistema metabólico del cuerpo sin generar ningún efecto adverso. El mecanismo “ADME” (“absorción-distribución-metabolismo-excreción”) de las MOF deberá ser comprendido totalmente para asegurar la baja toxicología y la minimización de efectos adversos en las pruebas in vivo. Para atender dichos desafíos es necesario realizar trabajos multidisciplinarios donde participen grupos de investigación en ciencia e ingeniería de materiales, expertos en toxicología forense, biólogos, bioquímicos, biofísicos, genetistas y médicos, además de expertos en aquellas áreas de investigación emergentes que aporten al entendimiento de estos sistemas tan prometedores.
