El proyecto HeatNMOF, coordinado por IMDEA Energía, se centró en el desarrollo de materiales nanocompuestos multifuncionales mediante la combinación de la estructura altamente porosa y versátil de las nanoestructuras metalorgánicas (nanoMOF) biocompatibles con nanopartículas inorgánicas (iNP) plasmónicas y magnéticas. Estos compuestos están diseñados para ofrecer cargas útiles excepcionales de fármacos con capacidad de liberación controlada, al tiempo que proporcionan un control específico de las reacciones dentro de los organismos vivos, como la administración de fármacos desencadenada por calentamiento fototérmico o por campos magnéticos alternos (AMF). Durante los últimos 5 años, el consorcio ha dedicado sus esfuerzos a sintetizar MOFs y compuestos de MOFs centrándose en el control de propiedades específicas como el tamaño, la porosidad, la funcionalidad y sus aplicaciones en la liberación de fármacos, la catálisis y la actividad antibacteriana. La investigación reciente hace hincapié en varios métodos para sintetizar MOFs nanoestructurados y sus compuestos. Por ejemplo, se sintetizaron MOFs UiO-66 de tamaño nanométrico utilizando iones haluro para controlar la morfología y el tamaño, logrando una alta cristalinidad y propiedades coloidales estables, que son parámetros cruciales para la administración eficaz de fármacos (Nanoscale, 2022, 14, 6789). Otro estudio presenta nuevos MOF antibacterianos, IEF-23 e IEF-24, sintetizados por solvothermia y que muestran una actividad prometedora contra Staphylococcus epidermidis y Escherichia coli (Nanomaterials, 2023, 16, 2294), destacando el papel de los enlazadores tricarboxilato y los cationes metálicos en las aplicaciones terapéuticas. El concepto de isoreticularidad se explora en otro estudio (Microporous Mesoporous Mater., 2024, 367, 112968), mejorando el área superficial y el volumen de poros de un MOF basado en galato-ligando, demostrando la importancia de las modificaciones estructurales para mejorar la carga y liberación de fármacos. Además, se sintetizó un MOF altamente poroso basado en porfirina de Hf-tetracarboxilato utilizando un método asistido por microondas, destacando la eficacia y escalabilidad de este enfoque para aplicaciones catalíticas (Mater. Adv. Today, 2023, 19, 100390). Además, un estudio sobre MOFs enlazados metal-azufre con Fe(III) amplía el alcance de los MOFs basados en S, centrándose en las propiedades electrónicas y su potencial en la liberación controlada de fármacos (J. Mater. Chem. A., 2023, 11, 23909).

Algunos grupos de investigación del consorcio se han centrado en la integración de MOF con iNPs para desarrollar materiales compuestos de nueva generación con una excelente capacidad de encapsulación de fármacos y de administración de fármacos controlada externamente (luz y/o AMF). Se han empleado dos estrategias principales, en particular con las NPs plasmónicas. En primer lugar, se cultivaron NPs de Au (Chemistry-a European Journal, 2024, 30, e202400442) y nanoclusters de PtAg (Nanoselect 22021, 2, 758; Small, 2023, 19, 2206772) dentro de la porosidad de MIL-88B-NH2 y ZIF-8 mostrando una alta actividad catalítica y aplicaciones potenciales en el suministro de energía y fármacos. En segundo lugar, un enfoque novedoso consiste en la creación de nanocompuestos plasmónicos microporosos mediante el uso de bipirámides de oro como semillas para el crecimiento de MOFs como el PCN-224 (Small structures, 2024, 5, 5, 2300464). El control sobre el espesor de la cubierta del MOF influye en las propiedades termoplasmónicas, mejorando el confinamiento térmico y apoyando aplicaciones en la liberación intracelular de fármacos y la terapia fotodinámica.

Las técnicas avanzadas de caracterización son fundamentales en estos estudios, y la tomografía electrónica se utiliza ampliamente para el análisis estructural tridimensional de estos nanomateriales, proporcionando una visión en profundidad de las complejas arquitecturas de los compuestos MOF@iNPs (Nanoscale, 2023, 15, 5391).

Por ejemplo, se visualizó mediante microscopía de fluorescencia un núcleo de nanoestrellas de oro en una cubierta de MOF ZIF-8 estabilizada con polímeros, que permite la ciclización fototérmica impulsada por NIR dentro de células vivas para la activación espacial y temporal de profármacos (ACS Nano, 2021, 15, 10, 16924). Otro compuesto de MOF a nanoescala que responde a la luz permitió la administración de fármacos dirigida espaciotemporalmente, lo que se demostró mediante estudios en cultivos celulares 2D y 3D (Small Science, 2024, 2400088). El destino de los compuestos MOF en las células también se estudió en detalle mediante el seguimiento de la captación de MOF basados en Zr marcados con fluoróforos orgánicos en células HeLa, revelando que la eliminación de nanopartículas está impulsada más por la proliferación celular que por la exocitosis, lo que tiene implicaciones para las aplicaciones de administración de fármacos basadas en MOF (Environment & Health, 2023, 1, 270). Además, se demostró que el recubrimiento de nanopartículas de MIL-100(Fe) con membranas celulares de una línea celular humana de cáncer de mama triple negativo (TNBC) mejora su estabilidad, captación celular y citotoxicidad, lo que sugiere su potencial como terapias dirigidas para el TNBC (Nanomaterials, 2024, 14, 784).

Se ha descubierto otra posible aplicación terapéutica de los nanoMOF. En particular, el mesoporoso de hierro(III)-trimesato MIL-100 sirve como agente anti-COVID-19, dados sus significativos efectos antivirales y su alta biocompatibilidad (ACS Applied Materials and Interfaces, 2024, 16, 25, 32118). También se publicarán más resultados en la dirección de las validaciones de diferentes materiales desarrollados por nosotros como portadores de fármacos para agentes quimioterapéuticos con efectos tóxicos que a menudo se producen bajo la activación magnética de los compuestos magnéticos-MOF, pero aprovechando los efectos del calor local en lugar del daño térmico directo. Esto permitirá reducir la dosis requerida del compuesto MOF para conseguir efectos terapéuticos.

En general, las avanzadas caracterizaciones combinadas con los innovadores métodos sintéticos subrayan la versatilidad y adaptabilidad de los MOF en diversas aplicaciones de gran impacto, desde la terapia (por ejemplo, cáncer, infecciones) hasta la catálisis.

Este jueves 5 de septiembre David Serrano, Director de IMDEA Energía, ha participado en la ceremonia de entrega de las distinciones Severo Ochoa/María de Maeztu, organizada por la Agencia Estatal de Investigación, en la que ha recibido nuestra estatuilla en reconocimiento como Unidad de Excelencia María de Maeztu.

En el año 2020 el Instituto IMDEA Energía obtuvo esta acreditación concedida por el Ministerio de Ciencia e Innovación a través de la Agencia Estatal de Investigación. El programa Severo Ochoa/María de Maeztu identifica e impulsa la investigación de alto impacto que se realiza en los centros de I+D de nuestro país y supuso un reconocimiento a la trayectoria de excelencia de IMDEA Energía y de su equipo humano, al convertirse en el primer centro que en su conjunto obtuvo la acreditación en el sector de la energía.

La pandemia mundial de COVID-19, causada por el síndrome respiratorio agudo grave coronavirus 2 (SARS-CoV-2), ha tenido un enorme efecto social y económico en todo el mundo, convirtiendo en imperativo el diseño de nuevas terapias para combatir su propagación.

En este contexto, diversas nanotecnologías de vanguardia se han convertido en herramientas prometedoras para tratar enfermedades infecciosas como la COVID. Hasta el momento, la comunidad científica ha avanzado hacia profilaxis antivirales, centrándose en nanovacunas de última generación como las de ARN mensajero, cuya confiabilidad ha sido demostrada a través de más de 13 millones de dosis administradas desde el año 2019.

Se ha observado que las mayores actividades anti-COVID-19 se han logrado a través de distintos complejos y/o nanopartículas a base de metales. Entre las nanomedicinas emergentes más estudiadas, las redes metal-orgánicas (MOFs, de sus siglas en inglés Metal-Organic Frameworks) han atraído gran atención en diversas áreas (catálisis, separación, gases, etc.), incluida la biomedicina como sistemas eficaces para la administración de fármacos. Esta nueva clase de biomateriales a escala nanométrica, ofrece varias ventajas tales como su versatilidad química y estructural, la liberación controlada de principios activos (ej. fármacos, ácidos nucleicos, enzimas) en condiciones fisiológicas así como la ausencia de toxicidad comprobada in vitro y/o in vivo (ej. células, roedores, peces). Sin embargo, pese a todas estas características favorables observadas y a los resultados terapéuticos logrados previamente con otras patologías (ej. cáncer, diabetes, o incluso la cicatrización de heridas), los MOF no han sido investigados en profundidad con fines antivirales, y menos aún, para combatir el COVID-19.

En este contexto, investigadores de la Unidad de Materiales Porosos Avanzado han presentado en el marco del proyecto VirMOF, un enfoque pionero basado en anti-COVID MOFs, evaluando su potencial como agentes con actividad antiviral intrínseca e inocua. Se ha conseguido demostrar el perfil biocompatible de varios nanoMOFs metálicos con una efectividad de hasta el 90% de muerte viral en un escenario celular humano.

Se trata de la primera investigación que evidencia el papel innato de los nanoMOFs contra un escenario real de infección y que consigue allanar el camino hacia futuras investigaciones preclínicas y clínicas para el tratamiento de la COVID u otras enfermedades infecciosas desafiantes relacionadas con patologías pulmonares.

Miguel García-Tecedor y Nagaraj Patil, investigadores de IMDEA Energía han conseguido la prestigiosa ayuda de contrato Ramón y Cajal otorgada por el Gobierno de España. El programa Ramón y Cajal (RyC) del Ministerio de Ciencia e Innovación promueve la incorporación de investigadores de trayectoria científica sobresaliente a centros de I+D en toda España. El contrato Ramón y Cajal incluye una cuantía anual para cofinanciar el salario por cinco años y financiación adicional para gastos de investigación.

El Dr. Miguel García Tecedor (MSc. Física Aplicada, 2013, PhD. Física 2017, ambos en la Universidad Complutense de Madrid, UCM) es investigador en la Unidad de Procesos Fotoactivados de IMDEA Energía. Miguel desarrolló su doctorado, centrado en el crecimiento y caracterización de nanoestructuras y sus posibles aplicaciones, en el grupo de Física de Nanomateriales Electrónicos de la UCM. En 2015, se incorporó al Institute for Energy Technology (IFE), ubicado en Kjeller, Noruega, donde trabajó en la síntesis y caracterización de compuestos orgánicos-inorgánicos para la pasivación de células solares. En julio de 2017, Miguel comenzó a trabajar en el Instituto de Materiales Avanzados (INAM) de la Universitat Jaume I, donde trabajó en el desarrollo de materiales y estrategias para distintas aplicaciones (foto)electroquímicas. En marzo de 2021, Miguel se incorporó a IMDEA para continuar con su investigación centrada en la generación de combustibles solares. En 2023 se le concedió una beca Junior Leader La Caixa y el certificado R3 de la Agencia Española de Investigación.

A través de la ayuda Ramón y Cajal, Miguel continuará avanzando en la fabricación y caracterización de materiales novedosos para la generación de combustibles solares a través de rutas fotoelectrocatalíticas, acoplando reacciones químicas de alto interés.

Por su parte, el Dr. Nagaraj Patil ocupa actualmente el puesto de Investigador Titular en la Unidad de Procesos Electroquímicos de IMDEA Energía. Obtuvo su Máster en Ciencias Químicas en la India en el año 2012 y su doctorado en la Universidad de Lieja (Bélgica) en 2017. Su tesis doctoral, titulada «Multifunctional Polyelectrolytes Bearing Pendant Catechol/Quinone for Energy and Environmental Applications», formó parte del prestigioso proyecto europeo Renaissance ITN supervisada por la profesora Christine Jerome. El Dr. Patil se incorporó al Instituto IMDEA Energía en 2017 como investigador postdoctoral. Sus trabajo se centra en el almacenamiento de energía electroquímica orgánica, con especial énfasis en un enfoque integrado que combina la química de polímeros sintéticos (polímeros redox-activos y polímeros conductores) y tecnologías electroquímicas aplicadas (baterías de metal-polímero y todo-polímero).

Javier Dufour, responsable de la Unidad de Análisis de Sistemas de IMDEA Energía y catedrático de la Universidad Rey Juan Carlos, ha sido elegido miembro de la Junta Directiva de Hydrogen Europe Research como líder del Comité Técnico Transversal por un mandado de dos años.

Hydrogen Europe Research es una asociación internacional sin ánimo de lucro compuesta por más de 150 Universidades y Organizaciones de Investigación y Tecnología de 29 países de toda Europa y fuera de ella cuyo objetivo es desarrollar su actividad en el sector europeo del hidrógeno y las pilas de combustible, promocionando este tipo de tecnologías, así como soluciones energéticas sostenibles para un futuro más limpio.

Recientemente Dufour fue también elegido parte del equipo de expertos que componen el Panel Europeo en Sostenibilidad y Circularidad del Hidrógeno de la Clean Hydrogen Partnership.