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LAS NANOPARTÍCULAS DE ÓXIDO DE CERIO COMO HERRAMIENTA TERAPÉUTICA PARA LA REGENERACIÓN TISULAR EN LAS ENFERMEDADES HEPÁTICAS Wladimiro Jiménez Povedano Hospital Clínic i Provincial de Barcelona Víctor Franco Puntes Institut Català de Nanotecnologia UAB

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LAS NANOPARTÍCULAS DE ÓXIDO DE CERIO COMO

HERRAMIENTA TERAPÉUTICA PARA LA REGENERACIÓN

TISULAR EN LAS ENFERMEDADES HEPÁTICAS

Wladimiro Jiménez Povedano

Hospital Clínic i Provincial de Barcelona

Víctor Franco Puntes

Institut Català de Nanotecnologia UAB

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1. Resumen del proyecto

En este proyecto se evaluó si las propiedades antioxidantes y de regeneración tisular

de las nanopartículas (NP) de CeO2 podrían funcionar como herramienta terapéutica

para mejorar la fibrosis hepática y la regeneración del hígado en las enfermedades

hepáticas. El proyecto se dividió en 7 protocolos independientes dirigidos a:

Protocolo A: caracterizar y sintetizar CeO2NP.

Protocolo B: caracterizar la evolución físico-química de las CeO2NP en medios

biológicos.

Protocolo C: evaluar el efecto de las CeO2NP sobre la liberación de mediadores

inflamatorios in vitro.

Protocolo D: analizar la distribución tisular de CeO2NP y su presencia en los tejidos a lo

largo del estudio.

Protocolo E: determinar la biodistribución in vivo de CeO2NP.

Protocolo F: investigar el efecto de las CeO2NP sobre la expresión de factores

proinflamatorios (IL-1, IL-6, IL-10, TNF) o profibrogènicos (PDGFR, TGRβR1, Col1α2,

α-SMA, MMP-2 , MMP-9, genes TIMP-1 y TIMP-2), la hemodinámica sistémica, la

presión portal y el contenido de colágeno intrahepático en ratas con fibrosis hepática, y

Protocolo G: investigar los efectos de las CeO2NP en ratas con fibrosis hepática

sometidas a hepatectomía parcial.

2. Resultados

Protocolos A y B. Durante el presenta trabajo se han analizado en detalle los métodos

de síntesis existentes en la actualidad para producir CeO2NP de pequeño tamaño,

incluyendo los principales parámetros de las reacciones, los productos obtenidos y la

problemática relacionada con su facilidad de uso en biomedicina. Se han identificado

varias soluciones potenciales, como una optimización de la preparación de nanoceria,

recubrimientos biocompatibles, monodispersidad y pureza, todos ellas basadas en

datos experimentales. En particular, se han descrito los protocolos de obtención de

nanoceria con un tamaño óptimo. Las preparaciones de NP son de tamaño reducido,

altamente catalíticas, preparadas en fase acuosa, libres de endotoxina y libres de

agregados.

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Para ofrecer un tamaño óptimo, no solo para aplicaciones in vitro, sino también in vivo

(evitando el aclarado renal), hemos descrito dos posibilidades de revestimiento

biocompatibles para las CeO2NP. Ello aumenta levemente el diámetro hidrodinámico de

las NP y limita su exclusión renal: uno de los revestimientos es la polivinilpirrolidona

(PVP) y el otro es la albúmina (BSA).

Protocolo C. Las propiedades antioxidantes

de las CeO2NP se evaluaron en HepG2.

Después de 24 horas en cultivo, las células

se incubaron con H2O2 y se trataron con

CeO2NP o vehículo. La expresión de genes

proinflamatorios se analizó por RT-PCR. La

incubación con H2O2 aumentó los niveles

celulares de ROS, pero en presencia de

CeO2NP, se observó una inhibición

significativa en la inducción de ROS

(792 ± 323 vs. 32,8 ± 2,7%, p <0,05). De

forma paralela, se redujo

significativamente la viabilidad celular al

incubar las células con H2O2 (69,2 ± 6,3%). Por el contrario, este parámetro se

mantuvo estable (95,9 ± 5%) en presencia de las CeO2NP (figura 1). Además, la

incubación con H2O2 aumentó la expresión de iNOS y otros genes implicados en el

metabolismo de ROS, mientras que el tratamiento con CeO2NP atenuó

significativamente la

sobreexpresión de estos genes.

Estos efectos de las CeO2NP en

hepatocitos humanos no se han

descrito previamente y establecen

nuevos conocimientos sobre los

mecanismos involucrados en los

efectos protectores in vivo de las

CeO2NP.

Protocolo D. Las CeO2NP se administraron a ratas con fibrosis experimental y se

recogieron muestras de orina. Al final del estudio, los animales se sacrificaron y se

evaluó la deposición de cerio en los diferentes órganos. Como se muestra en la figura

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2, las CeO2NP se localizaron principalmente en hígado y bazo. Cantidades significativas

de cerio también se encontraron en riñones y pulmones. El cerio se detectó de manera

constante durante un máximo de 8 semanas en todos estos órganos.

Protocolo E. En este protocolo las ratas recibieron nanopartículas de óxido de hierro

(Fe3O4NP). Estas son NP magnéticas ampliamente utilizadas para rastrear la

biodistribución empleando técnicas de imagen por resonancia magnética (RMI). Los

animales se estudiaron a diferentes tiempos: a) 30 minutos antes de la administración,

en condiciones basales; b) 30 minutos después de la última dosis de Fe3O4NP; c) 90

minutos después de la última dosis de Fe3O4NPs; d) 4 semanas después de la

Figure 2: RMN images obtained 0, 30 and 90 minutes following FeNPs administration

última dosis de Fe3O4NP, y f) 7 semanas después de la última dosis de Fe3O4NP. La MRI

se realizó en un 7,0 T BioSpec 70/30 escáner (Bruker BioSpin, Ettlingen, Alemania)

equipado con un diámetro interior de 12 cm, blindado activamente y con un sistema de

gradiente (400 mT/m). Los resultados indican que las NP se localizan principalmente

en el hígado y el bazo y no llegan al cerebro. Además, las NP se mantienen de forma

duradera en los diferentes órganos, como mínimo hasta la séptima semana.

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Protocol F. Los efectos de las CeO2NP

sobre la hemodinámica sistémica y la

expresión de diferentes genes se

evaluaron en ratas con fibrosis inducida

por CCl4 tratadas con CeO2NP (0,1

mg/kg.bw, n = 10) o vehículo (sales de

amonio TMAOH 0, 8 mM, n = 15). Tras la

administración de las NP, el protocolo de

inducción de fibrosis se mantuvo durante

8 semanas más. A continuación se

realizó un estudio hemodinámico. Las

muestras de tejido hepático se

conservaron a -80 ⁰C. Estas muestras

también se procesaron y tiñeron con

hematoxilina-eosina. El resultado más

importante del estudio fue que el

tratamiento con las NP dio lugar a una

disminución significativa en la esteatosis

hepática y a una reducción en el grado de

hipertensión portal. Además se obtuvieron

muestras hepáticas para evaluar la

expresión de α-SMA, o de genes relacionados con el fenotipo macrofágico o la actividad

inflamatoria o vasoactiva. Se observó una reducción significativa en la abundancia del

ARNm de citocinas proinflamatorias (TNFα, IL1β, COX-2, iNOS), ET-1 y mensajeros

relacionados con el estrés oxidativo (Epx, Ncf1, Ncf2) y del retículo endoplásmico (Atf3,

Hspa5). Esto se asoció a una

reducción en el infiltrado

macrofágico, disminución de

caspasa-3, α-SMA y citocinas

inflamatorias.

Protocol G. Un total de 45 ratas fueron divididas en dos grupos. En el primer grupo, las

ratas fueron tratadas con 0,1 mg/kg CeO2NP i.v. dos veces por semana durante dos

semanas antes de la hepatectomía parcial 2/3 (PHX). El segundo grupo recibió vehículo

CCl4-Rats

Control (n=10) Vehicle (n=15) CeO2NPs (n=10)

Inflammation

IL1β 1.02 ± 0.08 61.6 ± 10.52*** 33.71 ± 4.7*†

IL6 1.29 ± 0.32 1174 ± 246*** 647 ± 133*

IL10 1.09 ± 0.15 91.5 ± 21.1*** 54.4 ± 11.1**

TNFα 1.06 ± 0.12 60.4 ± 11.4*** 19.7 ± 5.1††

iNOS 1.04 ± 0.12 1139 ± 287** 141 ± 56††

COX-2 1.14 ± 0.17 121.2 ± 28.3*** 31.1 ± 5.1††

Macrophage phenotype

MRC2 1.06 ± 0.13 10.9 ± 2.17*** 6.49 ± 1.29*

CD163 1.01 ± 0.05 1.09 ± 0.1 0.85 ± 0.17

Arg1 1.03 ± 0.08 1.33 ± 0.16 1.78 ± 0.23*

Cell growth and differentiation

VEGF 1.02 ± 0.07 0.75 ± 0.07 0.87 ± 0.09

Apelin 1.15 ± 0.24 1.6 ± 0.26 1.13 ± 0.26

PPARγ 1.04 ± 0.11 0.63 ± 0.07* 1.19 ± 0.19††

Vasoactive activity

ET-1 1.05 ± 0.11 14.8 ± 2.85*** 6.91 ± 1.98†

eNOS 1.04 ± 0.09 1.56 ± 0.14 1.47 ± 0.24

COX-1 1.06 ± 0.15 2.77 ± 0.38** 2.72 ± 0.55*

Table 1: mRNA expression of inflammatory, macrophage phenotype, cell growth and vasoactive genes. *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001 compared with control group; †p<0.05, ††p<0.01 compared with vehicle group (one-way ANOVA with the Newman-Keuls post hoc test and the Kruskal-Wallis test with the Dunn post hoc test when appropriate).

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como tratamiento control. La PHX

se realizó en dos grupos

experimentales que se

sacrificaron el sexto día después

de PHX. La relación “peso de

hígado remanente/peso corporal

total” se calculó para obtener el

índice de regeneración del

hígado. Los resultados más

relevantes fueron: 1) las ratas tratadas con CeO2NP mostraron un aumento de la

regeneración del hígado después de 2/3 de PHX. Las ratas tratadas con CeO2NP

mostraron un aumento significativo del 11%, en la regeneración del hígado, en

comparación con las ratas tratadas con vehículo (p <0,05; n = 12) (figura 3A).

Además, la disminución de los niveles

sanguíneos de las transaminasas y LDH

después de 3 horas post-PHX (n = 8),

sugieren citoprotección hepática (figura

3B); 2) las ratas tratadas con CeO2NP

mostraron un aumento de la

proliferación hepatocelular durante la

regeneración del hígado. Se observó un

aumento significativo en el número de

células Ki67 positivas en el hígado

remanente tras PHX, en

comparación con las ratas

tratadas con vehículo

(44,6 ± 4,5 vs.

38,59 ± 6,7% de células positivas, respectivamente;

p <0,05 n = 13); 3) el tratamiento con CeO2NP afecta el metabolismo lipídico durante

la regeneración. Se observó una disminución en la acumulación de lípidos en los

hígados de las ratas tratadas con CeO2NP, en comparación con las ratas tratadas con

vehículo (figura 4A); 4) las CeO2NP aumentan la progresión del ciclo celular in vitro. El

porcentaje de células HepG2 apoptóticas disminuyó significativamente en células

HepG2 tratadas con CeO2NP (1,62 ± 0,1 vs. 1,28 ± 0,1; porcentaje del total de células

p <0,01; n = 4). También disminuyó el porcentaje de células que estaban en G2/fase Figure 4

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M (15,40 ± 0,5 vs. 13,69 ± 0,5; porcentaje del total de células p <0,05; n = 4) (figura

5A). Se midieron los niveles de expresión de caspasa-3 activa, como marcador de la

apoptosis y la ciclina D1 como marcador de la progresión del ciclo celular. La cantidad

de caspasa-3 activada se redujo significativamente en células HepG2 tratadas. Por el

contrario, la cantidad de ciclina D1 aumentó significativamente en las células tratadas

con CeO2NP (figura 5B). Estos hallazgos indican que el tratamiento con CeO2NP reduce

la apoptosis y aumenta la proliferación celular in Vitro; 5) las CeO2NP alteran la vía de

señalización de NFkB y reducen el estrés oxidativo in vitro (figura 6). En resumen, las

CeO2NP protegen contra la lesión hepática crónica mediante la reducción en la

esteatosis, la respuesta inflamatoria y la expresión de genes de estrés oxidativo en

ratas fibróticas y mejora la regeneración del hígado y disminuye el daño hepático en

ratas después de PHX. Además, las CeO2NP protegen contra la apoptosis inducida por

falta de nutrientes en células HepG2.

3. Relevancia y posibles implicaciones

Nuestros resultados indican que las CeO2NP presentan un potencial terapéutico muy

importante en las enfermedades asociadas con un desequilibrio en la producción de

radicales libres y en las que se produce un incremento en la abundancia de especies

reactivas de oxígeno. En este escenario, las CeO2NP emergen como particularmente

adecuadas para el tratamiento de enfermedades crónicas del hígado, ya que una vez

administradas presentan un emplazamiento preferentemente hepático y residen en

este órgano durante largos períodos de tiempo, favoreciendo la regeneración del tejido

y puede prevenir la progresión de la lesión hepática. Así pues, una vez hemos

demostrado la eficacia terapéutica de las CeO2NP in vitro y en modelos experimentales

in vivo, el desafío futuro es demostrar la seguridad y la utilidad terapéutica de las

CeO2NP en pacientes con enfermedad hepática crónica y, en particular, en la

enfermedad de hígado graso no alcohólico y el carcinoma hepatocelular.

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4. Bibliografía científica generada

Artículos

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E.Casals, J.Piella, G.Casals, W.Jimenez, V.Puntes.

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J.Ribera, J. Rodríguez-Vita1, M.Pauta., D. Oró, T.Yudina, V.Puntes, W.Jiménez,

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Cerium oxide nanoparticles reverse the proinflammatory activation of the portal vein

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Comunicaciones

D. Oró, G. Fernández-Varo, V. Reichenbach, T. Yudina, E. Casals, G. Casals, B.

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Cerium Oxide Nanoparticles Reduce Portal Hypertension and Show Antiinflammatory

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NanoBio & Med 2014. Barcelona, Spain.

D. Oró, G. Fernández-Varo, V. Reichenbach, T. Yudina, E. Casals, G. Casals, B.

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D. Oró, G. Fernández-Varo, T. Yudina, V. Reichenbach, E. Casals, G. Casals, B.

González de la Presa, S. Carvajal, S. Sandalinas, V. Puntes, W. Jiménez.

Las nanopartículas de oxido de cerio (CeO2NPs) reducen la hipertensión portal y

muestran capacidad anti inflamatoria en ratas con cirrosis.

40 Congreso de la Asociación Española para el Estudio del Hígado (AEEH).

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A. Arce-Cerezo, J. Ribera, M. Pauta, D. Oró, G. Casals, G. Fernández-Varo, T. Yudina,

V. Puntes, M. Morales-Ruiz, W. Jiménez.

El tratamiento con nanopartículas de óxido de cerio (CeO2NPs) aumenta la

regeneración hepática tras hepatectomía parcial (PHx) en ratas.

41 Congreso de la Asociación Española para el Estudio del Hígado (AEEH).

(2016). Madrid (Spain).

M. Morales-Ruiz, A. Arce-Cerezo, M. Pauta, J.Ribera, D. Oró, G.Casals, G. Fernández-

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Cerium oxide nanoparticle treatment enhances liver regeneration after two-thirds

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The Liver Meeting 2015. San Francisco (USA)

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D. Oró, T. Yudina, S. Carvajal, J.Ribera, S. Marfà, G.Fernández-Varo, V.Puntes, W.

Jiménez.

Las nanoparticulas de oxido de Cerio normalizan la viabilidad celular, reducen la

sobreexpresión de citoquinas proinflamatorias y protegen del stress oxidativo a las

células hepáticas humanas ‘in vitro’.

41 Congreso de la Asociación Española para el Estudio del Hígado (AEEH).

(2016). Madrid (Spain)