Un nuevo material muestra una fuerte acción contra hongos y tumores

Científicos de un Centro de Investigación, Innovación y Difusión que cuenta con el apoyo de la FAPESP crean un compuesto con propiedades antifúngicas 32 veces más potentes que las de la plata al irradiar un tungstato metálico con electrones y haces de láseres de femtosegundos

Por Peter Moon  |  Agência FAPESP – Científicos del Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF), un Centro de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID) de la FAPESP con sede en la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en Brasil, desarrollaron un nuevo material con propiedades antifúngicas y antitumorales.

El referido compuesto se obtuvo a partir de una muestra de tungstato de plata (α-Ag₂WO₄) puro irradiado con electrones y con haces de láseres con pulsos a una escala de femtosegundos, milbillonésimas de segundos, en la cual ocurren las reacciones químicas, con intercambios de electrones entre átomos y moléculas. La descripción de este nuevo material salió publicada en la revista Scientific Reports.

El uso cada vez mayor de semiconductores ha desencadenado una oleada de desarrollo de nuevos materiales con una amplia gama de aplicaciones tecnológicas. En particular, una de las familias de semiconductores que han venido llamando la atención de los investigadores en el área de Ciencia de Materiales es la de los óxidos ternarios de tungsteno, tales como los tungstatos o wolframatos metálicos.

Dentro de esta familia, el tungstato de plata es un material inorgánico con aplicaciones en fotocatalizadores y fotointerruptores, o como alternativa a los semiconductores convencionales de banda ancha. El tungstato de plata viene siendo uno de los objetos de estudio de los investigadores del CDMF desde hace algunos años.

“En el marco de un experimento realizado en 2018, cuando irradiamos tungstato de plata con electrones, observamos en el microscopio electrónico el surgimiento de unos ‘pelitos’ que crecían sobre las moléculas del material. Aquello no era otra cosa sino filamentos de nanopartículas extraídos del tungstato de plata por obra de la irradiación de electrones”, dijo Elson Longo, profesor emérito del Departamento de Química de la UFSCar y coordinador del CDMF.

“La plata es un elemento químico con propiedades bactericidas que también se observan en el tungstato de plata. Pero lo notable fue verificar que, tras la irradiación con electrones y la producción de los filamentos de plata, el compuesto modificado pasó a exhibir una acción antifúngica hasta 32 veces más eficaz que la anterior a la irradiación”, dijo Longo.

La acción antifúngica del compuesto modificado de tungstato de plata se verificó en placas de Petri con cultivos del hongo Candida albicans, que causa la infección llamada candidiasis. Como ya se conocía la cantidad mínima de tungstato de plata capaz de eliminar un cultivo de ese hongo, los investigadores aplicaron la misma cantidad del compuesto modificado sobre el cultivo. El resultado que se observó fue análogo.

Luego disminuyeron a la mitad el volumen de la sustancia y repitieron el experimento, eliminando nuevamente los hongos. El proceso se repitió en total 32 veces consecutivas, siempre con resultados antifúngicos satisfactorios, lo cual demostró que el compuesto modificado poseía propiedades antifúngicas 32 veces más potentes que las del tungstato de plata original.

Para verificar la acción antitumoral del compuesto se utilizaron células tumorales de carcinoma de vejiga en ratas expuestas durante 24 horas a distintas concentraciones del compuesto [4,63 microgramos por mililitro (µg/ ml), 11,58 µg ml, 23,16 µg/ ml y 46,31 µg/ ml, respectivamente].

Según Longo, estos resultados mostraron una disminución significativa de la viabilidad celular, y el mejor resultado se obtuvo con la concentración de 11,58 µg ml, en la cual se observó una disminución del 80% en la viabilidad de las células del carcinoma de vejiga.

Tras constatar las propiedades antifúngicas y antitumorales del nuevo compuesto, los investigadores del CDMF y de la UFSCar investigaron su seguridad en un eventual empleo con pacientes humanos.

Se estudiaron cuatro concentraciones del compuesto irradiado de tungstato de plata, que se ubicaban en la franja de excelente actividad fungicida (de 3,9 μg/ ml a 31,2 μg/ ml), en linajes celulares de fibroblastos gingivales humanos.

Tras 24 horas de incubación, se evaluaron los efectos de los compuestos sobre la viabilidad celular, sobre la proliferación celular y sobre la morfología celular mediante el ensayo fluorimétrico cuantitativo y con microscopía confocal láser de barrido, respectivamente.

“Los resultados demostraron que no hubo una pérdida estadísticamente significativa de la viabilidad celular para esas concentraciones, lo cual revela que el compuesto no reviste riesgos para la salud”, dijo Longo.

La dualidad onda-partícula

Esta investigación también redundó en un hito científico importante: la demostración experimental de la dualidad onda-partícula. Se trata de una propiedad fundamental de la materia que describiera el físico francés Louis-Victor de Broglie (1892-1987) en el año 1924, según la cual los electrones pueden comportarse como partículas o como ondas dependiendo del experimento.

“Por ese descubrimiento, De Broglie fue galardonado con el Nobel de Física en el año 1929. Durante las nueve décadas que transcurrieron desde entonces, la dualidad onda-partícula se comprobó y se observó en una gran cantidad de experimentos científicos. Pero aún no se la había demostrado en términos experimentales mediante el empleo de haces de partículas [en este caso, electrones] y haces de ondas [láseres] para la obtención de alteraciones idénticas en compuestos materiales”, dijo Longo.

“Cuando nos percatamos de que la irradiación con electrones hacía que surgieran los filamentos de nanopartículas de plata en el tungstato de plata, decidimos investigar si no podría obtenerse ese mismo resultado aplicando haces de láser en lugar de la irradiación de electrones, de manera tal de comprobar experimentalmente la dualidad onda-partícula que De Broglie descubrió hace 95 años”, dijo el investigador.

La literatura científica actual muestra que existe una utilización cada vez mayor de la radiación con láseres de femtosegundos en el procesamiento de materiales para la obtención de nuevos compuestos con propiedades altamente atrayentes y que aportan avances tecnológicos.

“Durante el proceso de irradiación con electrones, se introduce un desorden electrónico y estructural en el tungstato de plata, que cumple un importante rol en la nucleación y en el crecimiento de filamentos de plata”, dijo Longo.

En principio, la segregación de los átomos de plata debido a la irradiación de láseres en femtosegundos ocurriría de modo análogo, pero teóricamente sería más rápida, debido a que un pulso de láser de femtosegundos es capaz de suministrar una potencia máxima en un lapso de tiempo sumamente corto.

“Por ende, debido a la velocidad esperada de segregación, en teoría, la morfología de las nanopartículas de plata tendería a ser distinta bajo la radiación de haz de electrones con respecto a la obtenida cuando se irradia la muestra con radiación láser de femtosegundos”, dijo Longo.

La práctica se concretó exactamente de acuerdo con lo que estaba previsto en la teoría. Al lanzársele haces de láseres de femtosegundos, en la superficie del tungstato de plata se verificó análogamente la formación de filamentos de nanopartículas de plata.

“Al hacerlo, logramos obtener exactamente el mismo resultado que se había obtenido mediante la irradiación con electrones, lo cual demuestra en la práctica la dualidad onda-partícula”, dijo Longo.

El experimento del CDMF se publicó en 2018 también en Scientific Reports. “Recibimos una carta de felicitaciones del editor de la revista, en la cual nos informaba que ese artículo en particular fue uno de los 100 artículos de ciencia de materiales más consultados en esa publicación el año pasado”, dijo.

Puede leerse el artículo intitulado Ag Nanoparticles/α-Ag₂WO₄ Composite Formed by Electron Beam and Femtosecond Irradiation as Potent Antifungal and Antitumor Agents (doi: https://doi.org/10.1038/s41598-019-46159-y), de M. Assis, T. Robeldo, C. C. Foggi, A. M. Kubo, G. Mínguez-Vega, E. Condoncillo, H. Beltran-Mir, R. Torres-Mendieta, J. Andrés, M. Oliva, C. E. Vergani, P. A. Barbugli, E. R. Camargo, R. C. Borra y E. Longo, en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-019-46159-y. 

Y el artículo intitulado Towards the scale-up of the formation of nanoparticles on α-Ag₂WO₄ with bactericidal properties by femtosecond laser irradiation (doi: https://doi.org/10.1038/s41598-018-19270-9), de Marcelo Assis, Eloisa Cordoncillo, Rafael Torres-Mendieta, Héctor Beltrán-Mir, Gladys Mínguez-Vega, Regiane Oliveira, Edson R. Leite, Camila C. Foggi, Carlos E. Vergani, Elson Longo y Juan Andrés, se encuentra disponible para su lectura en: www.nature.com/articles/s41598-018-19270-9.