¿Nanoblobs de ozono en fotodinámica?
Biophotonics Cinvestav Monterrey
Se conocen como nanoblobs a las estructuras amorfas formadas por moléculas de agua y un gas (o gases), que son precursoras de los clatratos de hidrato. La teoría de la nucleación nos dice que se forman debido al ordenamiento de las moléculas de agua causado por la saturación de moléculas de gas en la solución (agua-gas). Por la ley de Henry, sabemos que la concentración de un gas en una solución es directamente proporcional a la presión a la que está sometido. Entonces, para lograr la saturación del gas en el agua, éste debe estar sujeto a altas presiones y bajas temperaturas (ya que las bajas temperaturas favorecen su solubilidad). Dicho ordenamiento provoca que las interacciones entre las moléculas de agua, mediadas por puentes de hidrógeno, originen cavidades o jaulas dentro de las cuales se aloja el gas, permitiendo aislarlo. Cuando la generación de estas cavidades rebasa el “radio crítico”, es decir, que cierta cantidad de jaulas se han formado, comienza una reacción en cadena que transforma toda la solución en una estructura ordenada llamada clatrato de hidrato. Como dijimos antes, estas jaulas permiten tener de forma “separada” las moléculas del gas previniendo así su decaimiento. Por esa razón se han estudiado para el almacenamiento reversible de gases como fuentes de combustible. No obstante, estas estructuras también pueden aprovecharse para el almacenamiento de gases altamente reactivos, como el ozono.
El ozono (O3) es un alótropo de oxígeno, altamente reactivo y con un tiempo de vida media corto, dependiente de la temperatura (40 min a 20 ºC, 25 min a 30 ºC, mientras que a -50 ºC es de 3 meses). El O3 se forma cuando una descarga energética (radiativa o eléctrica) disocia una molécula de oxígeno (O2), permitiendo que los átomos puedan unirse a moléculas de O2 circundantes. El O3 es un potente oxidante y forma radicales libres de oxígeno que conducen a la destrucción de microorganismos, por esa razón, es ampliamente usado en muchas áreas como desinfectante y agente antimicrobiano. En los últimos años, se ha extendido su uso hacia la medicina en un área conocida como Ozono Terapia, la cual incluye el tratamiento de infecciones y de algunas enfermedades. En clínica, la generación del O3 se realiza al momento de uso mediante aparatos que funcionan con el efecto corona (descargas eléctricas), y su administración se da de forma gaseosa o en solución (agua ozonizada). Sin embargo, su producción para un uso industrial se ve limitada debido a su alta inestabilidad.
Varios grupos de investigación han estudiado el almacenamiento del ozono en clatratos1,2,3,4 y se ha observado que conservarlo de esta manera permite aumentar su concentración y es constante por varios días. Pese a lo ya mencionado, los clatratos son estructuras metaestables, es decir, que son estables en cierto periodo de tiempo y bajo las condiciones ya mencionadas, eso restringe sus posibles aplicaciones. Sin embargo, los precursores amorfos también permiten el almacenamiento de gases con condiciones menos restrictivas para un uso posterior.
Un método alternativo que promueve el aumento de especies reactivas de oxígeno (ROS) es la fotodinámica. Dicho incremento se produce cuando interactúan tres elementos principales, luz, una molécula fotosensibilizadora y O2, causando la inactivación de células, microorganismos y moléculas. Esta técnica ha ganado fuerza en los últimos años como un método alternativo y adyuvante con otras terapias para el tratamiento del cáncer. Con el objetivo de potenciar su efecto, usualmente se realizan modificaciones en la molécula fotosensibilizadora, pero es interesante explorar las cualidades de otro de los elementos clave, el oxígeno molecular.
Dado que el O3 es en sí, una molécula altamente reactiva, usarlo en la fotodinámica podría causar un efecto sinérgico en la inactivación de células, ya que aumentaría tanto la cantidad de oxígeno disponible para la fotodinámica, como la cantidad de ROS. Sin embargo, recordemos que no es posible almacenarlo ni tenerlo de manera estable. El uso de nanoblobs podría ser una posible alternativa, y justamente la que nos hemos planteado investigar: usar nanoblobs que apoyen en la estabilidad del O3 y poder potenciar la fotodinámica.
Referencias:
1. Nakajima, T., Akatsu, S., Ohmura, R., Takeya, S., & Mori, Y. H. (2011). Molecular storage of ozone in a clathrate hydrate formed from an O3+ O2+ CO2 gas mixture. Angewandte Chemie International Edition, 50(44), 10340-10343.
2. Matsuura, R., Ozawa, K., Alavi, S., & Ohmura, R. (2020). Crystal growth of clathrate hydrate with ozone: implication for ozone preservation. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 8(41), 15678-15684.
3. Muromachi, S., Ohmura, R., Takeya, S., & Mori, Y. H. (2010). Clathrate hydrates for ozone preservation. The Journal of Physical Chemistry B, 114(35), 11430-11435.
4. Shishido, K., Muromachi, S., Nakamura, R., Takeya, S., & Ohmura, R. (2014). Increasing molecular O 3 storage capacity in a clathrate hydrate. New Journal of Chemistry, 38(7), 3160-3165