Las ondas ultrasónicas abren las jaulas supramoleculares y liberan el fármaco anticancerígeno cisplatino

Las jaulas supramoleculares se encuentran entre las estructuras más fascinantes de la química moderna. Están formadas por bloques de construcción moleculares individuales, que se autoensamblan para formar arquitecturas tridimensionales. La investigación sobre este tipo de nanoestructuras se centra en aplicaciones como cámaras de reacción molecular, sensores o posibles sistemas terapéuticos de administración de fármacos. Si bien su ensamblaje selectivo se conoce bien, su desmontaje selectivo sigue planteando un reto.

Aquí es donde entra en juego el estudio de Düsseldorf, que acaba de publicarse en la prestigiosa revista científica *Nature Communications*. Los investigadores añadieron cadenas de polímero flexibles —que, en esencia, funcionan como diminutas cuerdas moleculares— a jaulas moleculares basadas en el elemento químico paladio. Cuando estos sistemas se someten a irradiación ultrasónica, las cadenas de polímero transmiten fuerzas mecánicas al armazón de la nanoestructura, lo que permite romper enlaces de forma selectiva y abrir las jaulas de manera controlada. Este mecanismo es importante, por ejemplo, para permitir la administración dirigida de fármacos terapéuticos en el organismo.

«Las moléculas autoensambladas suelen describirse como sistemas dinámicos. Sin embargo, hasta la fecha no se disponía de métodos que permitieran una intervención mecánica selectiva en estos procesos. Nuestro trabajo demuestra que el ultrasonido puede ser una herramienta extremadamente eficaz para controlar este tipo de nanoestructuras», explica el Dr. Bernd M. Schmidt.

Cabe destacar especialmente que los investigadores no solo pudieron observar el desmontaje de las estructuras. En condiciones adecuadas, también lograron volver a ensamblar completamente los sistemas activados.

Los investigadores aplicaron estas ventajas prácticas directamente en otro aspecto central del estudio: la liberación controlada del fármaco anticanceroso cisplatino. En primer lugar, el fármaco se encapsuló en los contenedores moleculares. A continuación, la irradiación con ultrasonidos provocó la apertura selectiva de los portadores del fármaco para permitir la liberación del medicamento.

«La liberación del cisplatino sirvió como modelo de investigación, demostrando que las fuerzas mecánicas pueden utilizarse para liberar carga molecular desde el interior de nanoestructuras supramoleculares de forma selectiva», afirma el autor principal, Tim David. «Esto abre interesantes perspectivas a largo plazo para el desarrollo de sistemas de transporte inteligentes».

Para comprender las observaciones experimentales a nivel molecular, los investigadores combinaron sus experimentos con simulaciones informáticas avanzadas. El tamaño y la complejidad de los sistemas examinados planteaban un reto especial. Dependiendo de la arquitectura, las estructuras solvatadas comprenden entre varios cientos y más de 4.000 átomos. La interacción entre estos átomos debe calcularse con un alto grado de precisión para garantizar que las roturas de enlaces inducidas por la fuerza mecánica se representen correctamente. Los métodos de simulación convencionales alcanzan rápidamente sus límites en este aspecto: o bien se necesita demasiada potencia de cálculo para sistemas tan grandes, o bien los métodos simplemente no pueden representar las roturas de enlaces con la precisión suficiente.

En consecuencia, el equipo dirigido por el profesor Jan Meisner utilizó un potencial interatómico especial basado en el aprendizaje automático, que optimizaron específicamente para la descripción de los enlaces metal-ligando. Esto permitió realizar simulaciones mucho más rápidas que los cálculos de química cuántica convencionales, pero capaces de representar las reacciones químicas con prácticamente el mismo grado de precisión. Como resultado, los investigadores pudieron determinar las fuerzas a las que se rompen los enlaces individuales de paladio-nitrógeno y el proceso de desmontaje de las jaulas bajo tensión mecánica.

«Las nuevas simulaciones nos han permitido determinar qué fuerzas se necesitan para romper los enlaces individuales dentro de las jaulas», explica el profesor Jan Meisner. «Esto nos ofrece una visión directa de procesos que son prácticamente imposibles de observar experimentalmente. El uso del aprendizaje automático nos ha permitido simular de forma eficiente sistemas grandes y complejos, y examinar la reactividad inducida mecanoquímicamente».

Así pues, el estudio ofrece conocimientos fundamentales sobre cómo las fuerzas mecánicas pueden transmitirse a través de sistemas supramoleculares. Al mismo tiempo, abre nuevas posibilidades para el desarrollo de materiales adaptativos, sistemas moleculares conmutables y futuros sistemas de administración de fármacos.