Addressing the dynamical magnetic response of magnetic nanoparticles after interacting with biological entities

Abstract

Heat dissipation due to hysteresis losses in magnetic materials generally constitutes a difficult issue to circumvent. But in magnetic nanoparticles (MNPs) instead, their ability to release heat when subjected to external alternating magnetic fields (AMF) is currently being exploited for treating solid tumors in the so-called magnetic hyperthermia (MH) therapy. In those therapies, the preservation of the MNPs magnetic response after interacting with biological entities (biomolecules, cells and/or tissues) and their related heat dissipation is crucial for their use in biomedical applications. However, recent studies point out that the interactions of MNPs with cells, tissues or proteins strongly modifies their intrinsic magnetic properties. Among the underlying reasons behind such variation of magnetic properties of IONPs, enhancement of environmental viscosity, IONPs clustering and protein adsorption are pointed as the main causes. Here, we evaluated the dynamical magnetic response of a wide set of MNP under biological-mimicking and directly when they interact with live cells and biomolecules. In biological-mimicking medium, we examined on one hand the impact of inter and intra-aggregate magnetic dipolar interactions on the MNPs magnetic response, observing different phenomena related to both types of magnetic dipolar interactions. On the other hand, we evaluated the role of the environmental viscosity on the dynamical magnetic response of MNPs colloids. Later, we investigated how the interaction of MNPs with live cells and biomolecules affects the MNPs nanomagnetism. First, we investigated the influence of IONP cell internalization on their dynamical magnetic response by AC magnetometry and susceptometry, finding that intracellular MNPs clustering provides the major contribution to the changes of the studied MNPs magnetic response. Finally, we assessed the effects of dispersing MNPs in biological fluids on their magnetic response, demonstrating the ability of AC magnetometry to unveil unspecific and specific MNPs-biomolecule interaction. The know-how outcome of this thesis work will allow the design of novel nanostructures whose magnetic losses (i.e. magnetic hyperthermia efficiency) will remain non-influenced by viscosity and aggregation effects related to biological environments. Moreover, our findings encourage further investigation towards the engineering of more complex functionalized MNPs which, ultimately, will allow conception of an effective biomarkers sensing platform based on the use of AC magnetometer.

La disipación de calor debido a fenómenos de histéresis en materiales magnéticos generalmente constituye un problema difícil de abordar. En las nanopartículas magnéticas (NPM) sin embargo, su capacidad de liberar calor cuando son expuestas a campos magnéticos alternos externos (CME) es explotanda actualmente para tratar tumores sólidos en la llamada terapia de hipertermia magnética (HM). En tales terapias, la preservación de la respuesta magnética de las NPM y su disipación de calor después de interactuar con entidades biológicas (biomoléculas, células y / o tejidos) es crucial para su uso en aplicaciones biomédicas. Sin embargo, estudios recientes señalan que las interacciones de las NPM con células, tejidos o proteínas modifican fuertemente sus propiedades magnéticas intrínsecas. Entre las posibles razones subyacentes detrás de dicha variación podemos encontrar el incremento de la viscosidad del entorno de las NPM, su agregación y la adsorción de proteínas sobre su superficie. En este trabajo hemos evaluado la respuesta magnética dinámica de un amplio conjunto de NPM dispersas en medios que imitan las condiciones de distintas matrices biológicas, así como en interacción directa con células vivas y biomoléculas. En primer lugar, examinamos el impacto de las interacciones dipolares magnéticas inter e intra-agregados en la respuesta magnética de NPM, observando diferentes fenómenos relacionados con ambos tipos de interacciones dipolares magnéticas. Por otro lado, evaluamos el papel de la viscosidad del medio de dispersión en la respuesta magnética dinámica de los coloides de NPM, usando medios de dispersión de viscosidad creciente. Posteriormente, hemos investigado cómo la interacción de las NPM con células vivas y biomoléculas afecta el nanomagnetismo de las NPM. Primero, investigamos la influencia de la internalización células de las NPM en su respuesta magnética dinámica mediante magnetometría y susceptometría de corriente alterna (CA), encontrando que la agregación de NPM proporciona la mayor contribución a los cambios en su respuesta magnética. Finalmente, evaluamos los efectos de la dispersión de NPM en fluidos biológicos sobre su respuesta magnética, demostrando la capacidad de la magnetometría de CA para revelar interacciones inespecíficas y específicas entre NPM y biomoléculas. Los resultados de este trabajo de tesis permitirán el diseño de nuevas nanoestructuras cuyas pérdidas magnéticas (es decir, la eficiencia de la hipertermia magnética) no se verán influenciadas por la viscosidad y los efectos de agregación relacionados con la interacción con entornos biológicos. Además, nuestros hallazgos alientan una mayor investigación hacia funcionalizaciones de NPM más complejas que, en última instancia, permitirán la concepción de una plataforma de detección de biomarcadores efectiva basada en el uso de magnetómetro de CA.