Aplicações de nanopartículas em biologia e medicina

Engenharia de tecidos

A superfície óssea natural contém muitas vezes características que são cerca de 100 nm de diâmetro. Se a superfície de um implante ósseo artificial fosse deixada lisa, o corpo tentaria rejeitá-la. Devido a essa superfície lisa é provável que cause a produção de um tecido fibroso cobrindo a superfície do implante. Esta camada reduz o contacto osso-implante, o que pode resultar no afrouxamento do implante e em mais inflamação. Foi demonstrado que ao criar características nanométricas na superfície da prótese de quadril ou joelho, pode-se reduzir as chances de rejeição, bem como estimular a produção de osteoblastos. Os osteoblastos são as células responsáveis pelo crescimento da matriz óssea e são encontrados na superfície de avanço do osso em desenvolvimento.

O efeito foi demonstrado com materiais poliméricos, cerâmicos e, mais recentemente, metálicos. Mais de 90% das células ósseas humanas em suspensão aderiram à superfície do metal nanoestruturado, mas apenas 50% na amostra de controle. No final, este achado permitiria projetar uma prótese de quadril ou joelho mais durável e duradoura e reduzir as chances do implante se soltar.

Titânio é um conhecido material reparador ósseo amplamente utilizado em ortopedia e odontologia. Tem uma elevada resistência à fractura, ductilidade e relação peso/força. Infelizmente, sofre da falta de bioactividade, pois não suporta bem a adesão e o crescimento. Os revestimentos apatite são conhecidos por serem bioactivos e por se ligarem ao osso. Por isso, várias técnicas foram usadas no passado para produzir um revestimento apatita sobre titânio. Estes revestimentos sofrem de espessura não uniforme, má aderência e baixa resistência mecânica. Além disso, uma estrutura porosa estável é necessária para suportar o transporte de nutrientes através do crescimento celular.

Foi demonstrado que a utilização de uma abordagem biomimética – um crescimento lento da película de apatite nanoestruturada a partir do fluido corporal simulado – resultou na formação de uma camada nanoporosa fortemente aderente e uniforme. Verificou-se que a camada foi construída com cristais de 60 nm e possui uma estrutura nanoporosa estável e bioactividade.

Um osso real é um material nanocomposto, composto por cristais de hidroxiapatite na matriz orgânica, que é composta principalmente por colagénio. Graças a isso, o osso é mecanicamente resistente e, ao mesmo tempo, plástico, podendo assim recuperar de um dano mecânico. O verdadeiro mecanismo de nanoescala que conduz a esta útil combinação de propriedades ainda é debatido.

Foi preparado um material híbrido artificial a partir de nanopartículas cerâmicas de 15-18 nm e copolímero de poli (metacrilato de metilo). Utilizando a abordagem tribológica, foi demonstrado um comportamento viscoelástico (cicatrização) dos dentes humanos. Um material híbrido investigado, depositado como revestimento na superfície do dente, melhorou a resistência aos arranhões, além de possuir um comportamento de cicatrização semelhante ao do dente.

Canceroterapia

Terapia do câncer fotodinâmico é baseada na destruição das células cancerosas por meio de oxigênio atômico gerado a laser, que é citotóxico. Uma maior quantidade de um corante especial que é usado para gerar o oxigênio atômico é absorvido pelas células cancerígenas quando comparado com um tecido saudável. Assim, apenas as células cancerígenas são destruídas e depois expostas a uma radiação laser. Infelizmente, as moléculas restantes do corante migram para a pele e para os olhos e tornam o paciente muito sensível à exposição à luz do dia. Este efeito pode durar até seis semanas.

Para evitar este efeito secundário, a versão hidrofóbica da molécula do corante foi encerrada dentro de uma nanopartícula porosa. O corante permaneceu preso dentro da nanopartícula de Ormosil e não se espalhou para as outras partes do corpo. Ao mesmo tempo, sua capacidade de gerar oxigênio não foi afetada e o tamanho dos poros de cerca de 1 nm permitiu que o oxigênio se difundisse livremente.

Código óptico multicolorido para ensaios biológicos

A crescente pesquisa em proteômica e genômica gera um número cada vez maior de dados seqüenciais e requer o desenvolvimento de tecnologias de triagem de alto rendimento. Realisticamente, várias tecnologias de array que são atualmente usadas em análise paralela são susceptíveis de atingir saturação quando um número de elementos de array excede vários milhões. Uma abordagem tridimensional, baseada na “codificação de barras” ópticas de partículas de polímero em solução, é limitada apenas pelo número de tags únicos que se pode produzir e detectar de forma confiável.

Pontos quânticos únicos de semicondutores compostos foram usados com sucesso como substituição de corantes orgânicos em várias aplicações de bio-tagging . Esta ideia foi levada um passo à frente ao combinar pontos quânticos de tamanhos diferentes e, portanto, com cores fluorescentes diferentes, e combiná-los em microesferas poliméricas . Um controle preciso das proporções de pontos quânticos foi alcançado. A selecção de nanopartículas utilizadas nessas experiências teve 6 cores diferentes, assim como 10 intensidades. É suficiente para codificar mais de 1 milhão de combinações. A uniformidade e reprodutibilidade dos grânulos foi elevada para uma precisão de 99,99%.

Manipulação de células e biomoléculas

NANOPartículas magnéticas funcionais encontraram muitas aplicações incluindo a separação e sondagem de células; estas e outras aplicações são discutidas numa revisão recente . A maioria das partículas magnéticas estudadas até agora são esféricas, o que limita um pouco as possibilidades de tornar estas nanopartículas multifuncionais. É possível criar nanopartículas alternativas de forma cilíndrica através da utilização de eléctrodos metálicos em modelos nanoporosos de alumina. Dependendo das propriedades do molde, o raio do nanocilindro pode ser selecionado na faixa de 5 a 500 nm, enquanto o seu comprimento pode ser de até 60 μm. Ao depositar sequencialmente várias espessuras de diferentes metais, a estrutura e as propriedades magnéticas dos cilindros individuais podem ser amplamente afinadas.

Uma química de superfície para a funcionalidade das superfícies metálicas está bem desenvolvida, diferentes ligandos podem ser ligados selectivamente a diferentes segmentos. Por exemplo, as porfirinas com ligantes de tiol ou carboxil foram simultaneamente fixadas aos segmentos de ouro ou níquel, respectivamente. Assim, é possível produzir nanofios magnéticos com peças fluorescentes segregadas espacialmente. Além disso, devido às grandes proporções de aspecto, a magnetização residual destes nanofios pode ser elevada. Assim, o campo magnético mais fraco pode ser utilizado para os accionar. Foi demonstrado que um auto-montagem de nanofios magnéticos em suspensão pode ser controlado por campos magnéticos externos fracos. Isto permitiria potencialmente controlar a montagem de células em diferentes formas e formas. Além disso, um campo magnético externo pode ser combinado com um padrão magnético definido litograficamente (“armadilha magnética”).

Detecção de proteínas

Proteínas são a parte importante da linguagem, maquinaria e estrutura da célula, e compreender as suas funcionalidades é extremamente importante para um maior progresso no bem estar humano. As nanopartículas de ouro são amplamente utilizadas na imunohistoquímica para identificar a interação proteína-proteína. No entanto, as múltiplas capacidades de detecção simultânea desta técnica são bastante limitadas. A espectroscopia de dispersão Raman de superfície é uma técnica bem estabelecida para a detecção e identificação de moléculas de corante único. Ao combinar ambos os métodos em uma única sonda de nanopartículas, pode-se melhorar drasticamente as capacidades de multiplexação das sondas protéicas. O grupo do Prof. Mirkin projetou uma sofisticada sonda multifuncional que é construída em torno de uma nanopartícula de ouro de 13 nm. As nanopartículas são revestidas com oligonucleotídeos hidrofílicos contendo um corante Raman em uma extremidade e terminados com um pequeno elemento de reconhecimento de moléculas (por exemplo, biotina). Além disso, esta molécula é catalítica e será revestida com prata na solução de Ag(I) e hidroquinona. Após a sonda ser ligada a uma pequena molécula ou a um antígeno que se pretende detectar, o substrato é exposto à prata e à solução de hidroquinona. Uma placa de prata está acontecendo perto do corante Raman, o que permite a detecção da assinatura do corante com um microscópio Raman padrão. Além de ser capaz de reconhecer pequenas moléculas, esta sonda pode ser modificada para conter anticorpos na superfície para reconhecer proteínas. Quando testada no formato de matriz de proteínas contra moléculas pequenas e proteínas, a sonda não mostrou reactividade cruzada.

Exploração comercial

Algumas das empresas que estão envolvidas no desenvolvimento e comercialização de nanomateriais em aplicações biológicas e médicas estão listadas abaixo (ver Tabela 1). A maioria das empresas são pequenas empresas de spinouts recentes de várias instituições de pesquisa. Embora não exaustiva, esta é uma selecção representativa que reflecte as tendências industriais actuais. A maioria das empresas está desenvolvendo aplicações farmacêuticas, principalmente para o fornecimento de medicamentos. Várias empresas exploram efeitos de tamanho quântico em nanocristais de semicondutores para etiquetar biomoléculas, ou utilizam nanopartículas de ouro bioconjugado para etiquetar várias partes celulares. Várias empresas estão aplicando materiais nano-cerâmicos em engenharia de tecidos e ortopedia.

As empresas farmacêuticas mais importantes e estabelecidas têm programas internos de pesquisa sobre o fornecimento de medicamentos que estão em formulações ou dispersões contendo componentes até nano tamanhos. A prata coloidal é amplamente utilizada em formulações e curativos antimicrobianos. A alta reatividade das nanopartículas de titânia, isoladas ou então iluminadas com luz UV, também é usada para fins bactericidas em filtros. As propriedades catalíticas melhoradas das superfícies de nano-cerâmica ou de metais nobres como a platina são utilizadas para destruir toxinas perigosas e outros materiais orgânicos perigosos.

Direcções futuras

Como está agora, a maioria das aplicações comerciais de nanopartículas na medicina são orientadas para o fornecimento de medicamentos. Em biociências, as nanopartículas estão substituindo os corantes orgânicos nas aplicações que requerem alta fotoestabilidade, bem como alta capacidade de multiplexação. Há alguns desenvolvimentos na direcção e controlo remoto das funções das nanossondas, por exemplo, a condução de nanopartículas magnéticas para o tumor e depois fazê-las libertar a carga do medicamento ou apenas aquecê-las para destruir o tecido circundante. A principal tendência no desenvolvimento futuro dos nanomateriais é torná-los multifuncionais e controláveis por sinais externos ou pelo ambiente local, transformando-os assim essencialmente em nano-dispositivos.