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Hollow PLGA Nanoparticles Prepared by Emulsification–Diffusion as Nanoscale Ultrasound Contrast Agents

Este estudio optimizó con éxito la preparación de nanopartículas huecas biodegradables de PLGA mediante emulsificación–difusión para lograr un tamaño nanométrico (~306 nm) y una ecogenicidad in vitro mejorada, posicionándolas como candidatas prometedoras para agentes de contraste de ultrasonido dirigidos a tumores, a pesar de la necesidad de una mayor validación in vivo.

Autores originales: Luis Eduardo Serrano-Mora, Paulina Fuentes-Vázquez, Néstor Mendoza-Muñoz, Oscar Escalona-Rayo, María de la Luz Zambrano-Zaragoza, Lysett Corona-Gómez, David Quintanar-Guerrero

Publicado 2026-08-24

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CC BY 4.0

Autores originales: Luis Eduardo Serrano-Mora, Paulina Fuentes-Vázquez, Néstor Mendoza-Muñoz, Oscar Escalona-Rayo, María de la Luz Zambrano-Zaragoza, Lysett Corona-Gómez, David Quintanar-Guerrero

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

La ecografía es un elemento básico de la medicina moderna porque es segura, portátil y evita los riesgos de radiación de los rayos X. Funciona enviando ondas sonoras al cuerpo y escuchando los ecos que rebotan desde diferentes tejidos. Sin embargo, las ondas sonoras a menudo tienen dificultades para distinguir entre el tejido sano y un tumor si sus propiedades físicas son demasiado similares, lo que deja imágenes borrosas. Para solucionar esto, los profesionales médicos utilizan agentes de contraste, que son diminutas burbujas llenas de gas que hacen que las ondas sonoras reboten con mucha más fuerza que el tejido. Estas burbujas hacen que los vasos sanguíneos y la inflamación se iluminen en la pantalla. El problema es que las burbujas que se utilizan actualmente en las clínicas son demasiado grandes para salir del torrente sanguíneo y alcanzar el tejido sólido y denso dentro de un tumor. Se quedan atrapadas en los vasos, lo que limita su utilidad para diagnosticar cánceres profundos. Los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma de encoger estas burbujas hasta la escala nanométrica para que puedan deslizarse a través de los huecos en los vasos sanguíneos de los tumores, pero hacer algo tan pequeño suele hacer que sea demasiado silencioso para ser escuchado por la máquina de ultrasonido.

Un equipo de investigadores de la Universidad Nacional Autónoma de México y la Universidad de Colima se propuso crear un nuevo tipo de partícula diminuta que pudiera resolver este problema de tamaño versus sonido. Se centraron en construir esferas huecas hechas de un plástico biodegradable llamado PLGA, que ya se utiliza ampliamente en medicina porque el cuerpo puede descomponerlo de forma segura. El objetivo era crear una partícula lo suficientemente pequeña como para entrar en el tejido tumoral, pero con un espacio vacío en su interior que la hiciera eco con fuerza, tal como lo haría una burbuja más grande. Para lograr esto, utilizaron un método que mezcla una solución de plástico con agua y luego deja que el solvente se evapore, dejando el plástico atrás. Para asegurar que las partículas fueran huecas, añadieron una pequeña cantidad de alcanfor, una sustancia cerosa que pasa directamente de sólido a gas cuando se calienta, dejando un vacío detrás. Los investigadores necesitaban encontrar el equilibrio perfecto de ingredientes y velocidades de mezclado para hacer que estas partículas fueran consistentemente pequeñas y efectivas, por lo que probaron docenas de variaciones utilizando un diseño experimental sistemático.

El equipo descubrió que el tamaño y la calidad del sonido de las partículas dependían en gran medida de qué tan rápido mezclaban la solución y de cuánta sustancia estabilizadora añadían para evitar que las partículas se agruparan. Al ajustar cuidadosamente estos factores, produjeron nanopartículas huecas con un diámetro de unos 306 nanómetros, lo suficientemente pequeñas como para potencialmente viajar fuera de los vasos sanguíneos. Cuando probaron estas partículas en un entorno de laboratorio utilizando un gel que imita el tejido humano, las partículas huecas funcionaron significativamente mejor que las partículas de plástico sólido del mismo tamaño. Las huecas aumentaron el brillo de la imagen de ultrasonido en casi un 24 por ciento, mientras que las sólidas solo lo aumentaron en aproximadamente un 15 por ciento. Esta diferencia confirmó que el espacio vacío dentro de la partícula era el responsable del eco más fuerte, demostrando que la estructura interna importa tanto como el tamaño.

Para asegurar que las partículas fueran realmente huecas y no solo estuvieran llenas de gas o líquido, los investigadores las analizaron con sensores de calor y microscopios electrónicos. El análisis de calor mostró que el alcanfor utilizado para crear los huecos había desaparecido por completo después de que las partículas se secaran, lo que sugiere que los vacíos estaban efectivamente vacíos. Los microscopios revelaron que las partículas eran esféricas, aunque las huecas tenían una textura superficial ligeramente más rugosa que las sólidas. Si bien el estudio no utilizó animales vivos ni pacientes, los resultados en el laboratorio fueron claros: el diseño hueco funcionó. Los investigadores señalaron que, aunque las partículas mostraban una gran promesa, su estructura interna aún necesita ser confirmada con técnicas de imagen más directas, y su desempeño en cuerpos vivos aún está por verse. No obstante, este trabajo demuestra una vía viable hacia la creación de una nueva generación de agentes de ultrasonido que pueden ver dentro de los tumores donde las herramientas actuales no pueden llegar.

Resumen Técnico: Nanopartículas de PLGA huecas preparadas mediante emulsificación–difusión como agentes de contraste de ultrasonido a escala nanométrica

Planteamiento del problema
Los agentes de contraste de ultrasonido (UCAs) convencionales son típicamente microburbujas llenas de gas (1–8 µm) estabilizadas por capas de lípidos, proteínas o polímeros. Si bien son efectivos para la imagen vascular, su tamaño de escala micrométrica los restringe al compartimento vascular, lo que impide su extravasación hacia el intersticio tumoral y limita su utilidad para la imagen de tumores sólidos o el monitoreo de la entrega terapéutica. Aunque los sistemas de escala nanométrica ofrecen un potencial para los efectos de permeabilidad y retención mejorados (EPR) en los tumores, la reducción del tamaño de las partículas generalmente disminuye la eficiencia de la dispersión acústica y la ecogenicidad. El desafío radica en desarrollar agentes de escala nanométrica que mantengan una actividad acústica suficiente mientras poseen las dimensiones pequeñas requeridas para la penetración en los tejidos.

Metodología
Este estudio tuvo como objetivo fabricar y optimizar nanopartículas de poli(D,L-lactida-co-glicolida) huecas y biodegradables (H-BPNPs) utilizando el método de emulsificación–difusión. Los investigadores emplearon un diseño experimental Box–Behnken de tres factores y tres niveles (BBD) para optimizar sistemáticamente el diámetro hidrodinámico y la ecogenicidad in vitro.

Formulación: El sistema utilizó PLGA 50:50 como matriz polimérica y alcanfor como un porógeno sublimable para crear vacíos internos. La poli(alcohol vinílico) (PVAL) sirvió como estabilizador y el acetato de etilo como solvente orgánico.
Proceso: Las nanopartículas se prepararon emulsionando la fase orgánica (que contenía PLGA y alcanfor) en una solución acuosa de PVAL, seguida de la difusión del solvente, la eliminación del solvente orgánico mediante evaporación rotatoria y liofilización para eliminar el alcanfor y formar estructuras huecas. Las nanopartículas de PLGA no huecas (BPNPs) preparadas sin alcanfor sirvieron como controles.
Variables: Las variables independientes optimizadas fueron:
- Cantidad de alcanfor (20, 40, 60 mg)
- Concentración de PVAL (1.5, 3.0, 4.5% p/v)
- Velocidad de homogeneización (3500, 7000, 10,500 rpm)
Caracterización: Las propiedades fisicoquímicas (tamaño de partícula, índice de polidispersidad, potencial zeta, densidad) se evaluaron mediante dispersión de luz dinámica, microelectroforesis Doppler láser e isopicnica de centrifugación. La morfología se examinó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y el comportamiento térmico se analizó mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC).
Evaluación de la ecogenicidad: La ecogenicidad in vitro se cuantificó utilizando un fantoma que simula tejido basado en gelatina, el cual fue visualizado con un transductor lineal de 7.5 MHz. El realce del contraste se midió como el porcentaje de aumento en el valor de escala de grises medio (MGV) en relación con un blanco de PBS.

Contribuciones clave
El estudio proporciona una optimización sistemática del proceso de emulsificación–difusión para la creación de nanopartículas poliméricas huecas. Al utilizar un diseño Box–Behnken, los autores establecieron las interacciones específicas entre la carga del porógeno, la concentración del estabilizador y la fuerza de cizallamiento necesarias para equilibrar las dimensiones de escala nanométrica con el rendimiento acústico. El trabajo demuestra una estrategia factible para generar estructuras de baja densidad dentro de matrices de PLGA sin encapsular gases de perfluorocarbono, basándose en lugar de ello en los vacíos derivados del porógeno.

Resultados

Optimización: Los modelos cuadráticos ajustados a los datos experimentales mostraron coeficientes de determinación altos ( $R^2$ = 0.9537 para el tamaño de partícula; $R^2$ = 0.9750 para la ecogenicidad). Las condiciones óptimas se identificaron como 59 mg de alcanfor, 2.4% p/v de PVAL y una velocidad de homogeneización de 10,500 rpm.
Propiedades fisicoquímicas: Las H-BPNPs optimizadas exhibieron un diámetro hidrodinámico de 306.50 ± 2.09 nm, un índice de polidispersidad de 0.05 ± 0.01 y un potencial zeta de −23.74 ± 0.23 mV. El SEM confirmó la morfología esférica. El análisis DSC de las H-BPNPs optimizadas mostró la ausencia del pico de fusión del alcanfor (aprox. 218 °C), lo que indica una eliminación efectiva del porógeno durante la liofilización.
Ecogenicidad: Las H-BPNPs optimizadas demostraron una ecogenicidad in vitro significativamente mayor en comparación con los controles no huecos. Las H-BPNPs lograron un realce del valor de escala de grises medio (MGV) de 23.86 ± 0.63%, mientras que las BPNPs no huecas (preparadas bajo las mismas condiciones optimizadas) mostraron solo un 14.92 ± 0.58% de realce.
Relación estructura-función: La ecogenicidad mejorada de las partículas huecas, a pesar de tener tamaños externos similares a los controles sólidos, sugiere que los vacíos internos de baja densidad creados por la eliminación del alcanfor contribuyen a un mayor desajuste de impedancia acústica y retrodispersión.

Significancia y afirmaciones
Los autores concluyen que el método de emulsificación–difusión combinado con la liofilización es un enfoque factible para la producción de nanopartículas de PLGA huecas con ecogenicidad in vitro mejorada. Postulan que estas H-BPNPs optimizadas son candidatas prometedoras para una mayor investigación como agentes de contraste de ultrasonido a escala nanométrica, particularmente para aplicaciones que requieren la extravasación hacia el tejido tumoral.

Sin embargo, el artículo mantiene un tono modesto respecto a la confirmación de la estructura hueca. Los autores afirman explícitamente que, si bien los datos de DSC y de ecogenicidad proporcionan evidencia indirecta de los vacíos internos, "la confirmación estructural directa y la validación in vivo aún son necesarias". Enfatizan que el efecto acústico aún no se ha atribuido definitivamente a un núcleo hueco estable sin evidencia directa de imágenes de sección transversal o de transmisión. Por consiguiente, el estudio enmarca las H-BPNPs como un exitoso concepto de prueba para una estrategia de formulación, más que como una herramienta de diagnóstico clínico plenamente validada.

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