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NANOPARTÍCULAS COM ÁCIDOS NUCLÉICOS 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 1 2 NANOPARTÍCULAS COM ÁCIDOS NUCLÉICOS ..............................................4 2.1 NANOPARTÍCULAS ORGÂNICAS................................................................... 5 2.1.1 Lipossomas ....................................................................................................... 5 2.1.2 Nanopartículas Lipídicas Sólidas (NLS)............................................................ 6 2.1.3 Nanopartículas Poliméricas .............................................................................. 7 2.2 NANOPARTÍCULAS INORGÂNICAS ............................................................... 8 2.2.1 Nanopartículas de Ouro (AuNPs) ..................................................................... 8 2.2.2 Nanopartículas de Sílica Mesoporosas (NPsMs) .............................................. 9 2.2.3 Nanotubos de Carbono ................................................................................... 10 3 MÉTODOS DE PRODUÇÃO .............................................................................. 11 3.1 HOMOGENEIZAÇÃO À ALTA PRESSÃO ...................................................... 12 3.2 MICROEMULSÃO À QUENTE ....................................................................... 14 4 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS ..................................................................... 15 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 16 1 1 INTRODUÇÃO As nanopartículas (NPs) vem sendo estudadas a mais de cem anos e sua ascensão é continua. Faraday, em 1857, desenvolveu alguns experimentos com nanopartículas de ouro e, nos dias atuais, a tecnologia está evoluindo e levando as pesquisas para a escala nanométrica (BLACKMAN, 2008 apud CONSOLINI, 2015). Richard Feynman, ganhador do prêmio Nobel de Física em 1965, foi outro grande precursor da nanotecnologia, propondo a manipulação de átomos individuais para fornecer um novo material com propriedades novas, prevendo o potencial tecnológico das nanoestruturas (ROZ; et. al., 2015 apud CONSOLINI, 2015). Em geral, essas NPs podem ser categorizadas em materiais à base de carbono, inorgânicas, incluindo os formados por óxidos metálicos (óxido de zinco, óxido de ferro, dióxido de titânio e óxido de cério), metais (ouro, prata e ferro) e pontos quânticos (sulfeto de cádmio e seleneto de cádmio). Além disso, os nanomateriais apresentam diferentes morfologias tais como esferas, tubos, hastes e prismas (JUNAM e LEAD, 2008). As propriedades incomuns das NPs têm acelerado o crescimento na produção de materiais em nanoescala e o rápido aumento de suas aplicações em muitas áreas atraiu a atenção de pesquisadores, governos e indústria em todo o mundo. As NPs fabricadas são atualmente utilizados em diferentes áreas, como eletrônicos, biomedicina, produtos farmacêuticos, cosméticos, análises ambientais e remediação, catálise e ciências dos materiais, devido à facilidade relativa com a qual podem ser preparadas e manipuladas, sua alta reatividade, área de superfície e a natureza ajustável de suas propriedades ópticas (NIEMEYER, 2001; POOLE e OWENS, 2003; SCHMID, 2004). 2 Quando se trabalha com materiais em escala nanométrica, tem-se propriedades diferentes das que se obtém no tamanho comum, pois os números de átomos de superfície provocam diferentes efeitos neste material. Há vários métodos de síntese de NPs, porém estes são divididos em métodos físicos e métodos químicos. Nos métodos físicos, chamados top down (no português, de cima para baixo), utilizam-se os processos físicos para a obtenção de NPs, como moagem, têmpera, fotolitografia, decomposição térmica, irradiação e a difusão. Os métodos químicos são denominados bottom up (no português, de baixo para cima) e envolvem espécies moleculares em reações químicas para gerar o crescimento dos aglomerados, síntese eletroquímica ou uso de elementos biológicos para essa síntese (JU-NAM e LEAD, 2008; CARVALHO, 2013). De acordo com Niemeyer (2001) a evolução natural levou a montagens altamente funcionais de proteínas, ácidos nucleicos e outras moléculas (macro) que realizam tarefas complicadas para se imitar. Pesquisas feitas por Kundu, Nandi e Nandi (2017), relatam que nanomateriais fabricados com ácidos nucleicos tem fascinado os cientistas desde as últimas duas décadas. Como exemplo, a partícula de ribossomo de 20 nm, que é uma máquina supramolecular eficaz de auto ensaios espontaneamente de mais de 50 blocos de construção individuais de proteínas e ácidos nucleicos, demonstrando de forma impressionante o poder do reconhecimento molecular biologicamente programado (NIEMEYER, 2001). Recentemente NPs fabricadas com ácidos nucleicos, vem sendo combinado com sucesso com outras entidades de escala nanométrica, às vezes é modificado com grupos funcionais químicos, para se obter uma ampla gama de nanomateriais que em certos casos foram caracterizados com precisão de nível atômico. Este 3 material apresenta propriedades físico químicas diferentes das já estudadas, pois conferem várias vantagens no campo de pesquisa multidisciplinar levando a tecnologias avançadas (KUNDU; NANDI; NANDI, 2017). A introdução de NPs na medicina é um campo que surge na nanobiotecnologia, pois essas NPs podem penetrar na parece celular e entregar drogas ou biomoléculas em sistemas vivos, geralmente para fins terapêuticos (SOKOLOVA e EPPLEY, 2008). As nanopartículas podem ser empregadas para melhorar a proteção ou redução da depuração renal que ocorre com medicamentos de meia vida degradados ou curtos, como peptídeos pequenos e ácidos nucleicos, por um efeito farmacológico prolongado. No entanto, as nanopartículas também podem melhorar a entrega de drogas para certos tecidos e, portanto, causar novos efeitos colaterais (LI e HUANG, 2008). A introdução de DNA, RNA ou oligonucleotidios em células eucariontes é denominado transfecção, ou seja, quando se introduz intencionalmente ácidos nucleicos nas células. Quando o DNA é introduzido no núcleo, ele é incorporado no material genético induz a produção de proteínas especificas, porem a forma como o DNA é transportado para o núcleo por si só ou incorporado por nanopartículas. Uma das possiblidades é que as NPs são lentamente dissolvidas por ácido nas vesículas endossomal e/ou citoplasma. Ainda pode acreditar que as NPs carregadas com DNA vão para a superfície do núcleo onde a importação deste DNA pode ocorrer, nesta situação torna-se vantajoso esse DNA estar protegido por NPs até a absorção no núcleo (SOKOLOVA e EPPLEY, 2008). Recentemente, os ácidos nucleicos se tornaram uma das "montadoras" mais programáveis disponíveis para a comunidade científica. Os ácidos nucleicos são 4 significativamente utilizados como bio-modelos para controlar o crescimento de nanomateriais versáteis, pois suas porções de carbonilo e amina nas nucleobases, podem se coordenar com os íons metálicos e as cadeias de fosfato pendentes podem impedir a agregação irreversível de nanopartículas. Além disso, a cadeia de fosfato carregada negativamente pode acumular os íons metálicos ao longo da cadeia de ácido nucleico (principalmente DNA) através de interações eletrostáticas que são transformadas em nanopartículas durante o curso da redução. Sendo assim, a nanotecnologia DNA/RNA fornece alinhamento específico de nanopartículas modificadas na superfície para produzir nanoarquiteturações 1D, 2D ou 3D bem definidas, utilizandoa propriedade de reconhecimento molecular do ácido nucleico. Em uma revisão muito recente, Kumar et al. descreveram a síntese biomecânica de diferentes nanoestruturas inorgânicas; envolvendo principalmente ácidos nucleicos e seus blocos de construção (nucleotídeos, nucleobases) (KUNDU; NANDI; NANDI,2017). 2 NANOPARTÍCULAS COM ÁCIDOS NUCLÉICOS Na literatura encontra-se uma ampla utilização de nanopartículas em diversas áreas. No entanto, não há uma correta classificação das nanopartículas como veículos de entrega de ácidos nucléicos. Mas, com base em alguns artigos, podemos classificar em: nanopartículas orgânicas (como lipossomas e nanopartículas poliméricas) e nanopartículas inorgânicas (nanopartículas de ouro, nanopartículas de sílica mesoporosa e pontos quânticos), que serão abordadas nesse presente trabalho. 5 2.1 NANOPARTÍCULAS ORGÂNICAS 2.1.1 Lipossomas Os lipossomas foram os primeiros a serem desenvolvidos para transportes de fármacos, possuem o tamanho entre a faixa de 80 – 300nm. Sua estrutura é composta por vesículas esféricas com um núcleo aquoso e envolvido por uma ou mais bicamadas de fosfolipídios, o que permite a encapsulação dos ácidos nucléicos. Os lipossomas são transportadores de compostos hidrofóbicos, que é delimitado pela orientação da bicamada sendo determinada pela natureza dos grupos polares e das cadeias carbônicas, e de compostos hidrofílicos devido seu núcleo aquoso, como pode ser observado na Figura 1 (CORDON, et al., 2015). Figura 1 – Sistema de entrega de fármaco lisossômico. Fonte: CORDON, et al., 2015. As vantagens apresentadas pelos lipossomas são a biocompatibilidade, biodegradabilidade, facilidade de síntese/funcionalização e o encapsulamento seguro de variedade de pequenas moléculas. Porém, tem-se a limitação da alta sensibilidade às mudanças estruturais e demonstram dependência de carga altamente especifica, 6 diminuindo sua ampla aplicabilidade (RICHARD, MARUANI, CHUDASAMA, 2016; MALLAPRAGADA, NARASIMAHAN, WANG, 2013). 2.1.2 Nanopartículas Lipídicas Sólidas (NLS) Nanopartículas Lipídicas Sólidas (NLS) foram descritas na década de 90 como uma alternativa aos lipossomas, por possuírem uma maior estabilidade física, por até 3 anos em estoque, decorrente de seu núcleo - formado de lipídeos sólidos à temperatura ambiente e corporal. São passíveis de esterilização por autoclave sem a perda da estrutura, além de evitar o uso de solventes orgânicos para solubilizar lipídios, como na Figura 2 ((Müller et al., 2000; Mehnert e Mäder, 2001; Charcosset et al., 2005; Gasco, 2007). Outras vantagens das NLS, comparativamente a outros sistemas, estão relacionadas com sua capacidade de proteger fármacos e ácidos nucleicos da degradação química; melhor biocompatibilidade e baixo custo de escalonamento (Müller et al., 2000; Silva et al., 2011; Souza et al., 2011). NLS têm atraído atenção para o carreamento de pequenas moléculas, proteínas recombinantes e também para gene delivery (tanto de plasmídeos, como de RNA de interferência) através do uso de lipídeos catiônicos em sua formulação. Nessas formulações, estabelecem-se interações eletrostáticas entre os grupos fosfato em ligações fosfodiéster dos ácidos nucleicos (carga negativa) e a carga positiva naqueles lipídeos, possibilitando, assim, o carreamento do material genético (Müller et al., 2000; Kumar et al., 2007). 7 Figura 2. Estrutura do nanopartícula lipídica sólida (NLS). Fonte: EKAMBARAM et al (2012). 2.1.3 Nanopartículas Poliméricas As nanopartículas poliméricas são compostos por materiais orgânicos que possuem características, como a biocompatibilidade, baixa toxicidade e a biodegradabilidade, que o torna um excelente transportador de fármacos, biomoléculas e genes. No entanto, apesar destas características favoráveis, as nanopartículas poliméricas não são fáceis de purificar e não armazenam bem, tornando-as uma escolha fraca para aplicações que exigem produção em grande escala (STEICHEN, CALDORERA-MOORE, PEPPAS, 2013). Existem dois tipos de nanopartículas poliméricas: as nanoesferas e as nanocápsulas. As nanoesferas (Figura 3a) consistem em uma matriz polimérica, resultante da agregação de monómeros poliméricos, onde o ácido nucléico, se encontra dissolvido, aprisionado, ligado quimicamente ou absorvido aos seus constituintes. E as nanocápsulas (Figura 3b), os monômeros poliméricos estão sob a forma de uma membrana ou invólucro, envolvendo o núcleo líquido (sistema núcleo- invólucro), onde o ácido nucléico se encontra no núcleo/cavidade (MORAIS, 2010; RICHARDS, MARUANI, CHUDASAMA, 2016). 8 Figura 3. Representação de nanopartículas poliméricas (a) nanoesferas e (b) nanocápsulas. Fonte: adaptado de MORAIS, 2010. 2.2 NANOPARTÍCULAS INORGÂNICAS 2.2.1 Nanopartículas de Ouro (AuNPs) As nanopartículas de ouro, tem sido amplamente explorada devido suas propriedades físicas e ópticas que dependem do seu tamanho, como distribuidor de ácido nucléico devido a possibilidade de serem sintetizadas de forma escalável e com baixa dispersividade de tamanho, a sua diversidade funcional como a criação de monocamadas multifuncionais, a citotoxicidade, biodistribuição e as suas propriedades de excreção in vivo. A sua formação é resultante da redução de seu sal metálico na presença de reagentes que impede a agregação das mesmas. (SOKOLOVA e EPPLE, 2008; DING et al., 2014). A ligação entre o ácido nucléicos e as AuNPs é covalente, sendo muito eficaz para transportar oligonucleótidos com silenciamento de gene, onde essa modificação não inibe a atividade biológica (DING et al., 2014). 9 Figura 4. Representação esquemática da síntese de conjugados RNA-AuNPs polivalentes. Fonte: DING et al., 2014. 2.2.2 Nanopartículas de Sílica Mesoporosas (NPsMs) As nanopartículas de sílica mesoporosas possuem vantagem como sistema transportador, devido sua biocompatibilidade, uma estrutura altamente porosa, possibilitando uma alta área de superfície, sendo as mais escolhidas para fins biológicos. No entanto, problemas de estabilidade e taxas de depuração rápidas restringem significativamente o uso de nanopartículas de sílica mesoporosa em determinadas aplicações (RICHARDS, MARUANI, CHUDASAMA, 2016; AGNIESZKA et al., 2012). As NPSMs são sintetizadas usando um processo chamado auto-montagem ou supramolecular, que consiste em hidrólise e condensação de um precursor de sílica na presença de modelos de micelas de surfactante, seguido pela remoção dos modelos de surfactante para recuperar partículas de sílica mesoporosa. Esse método de produção de nanopartículas de sílica fornece diferentes tamanhos, morfologia, tamanho dos poros, número de poros, cristalinidade e topografia superficial das partículas, o que pode causar uma ampla gama de respostas biológicas difíceis de prever (AGNIESZKA et al., 2012; CORDON et al., 2013). 10 2.2.3 Nanotubos de Carbono Os nanotubos de carbono (CNTs) são característicos pelo enrolamento de uma folha de grafeno (Figura 4a) e são conhecidos de dois tipos: os nanotubos de carbono de parede simples - SWCNTs, do inglês single-walled carbon nanotubes, (Figura 4b) e os nanotubos de carbono de parede múltiplas – MWCNTs, multi-walled carbon nanotubes (Figura 4c) (JUSTINO, ROCHA-SANTOS, DUARTE, 2012; MACHADO et al., 2014). Os CNTs são muitos utilizados por suas características estruturais, mecânicas, elétricas e propriedades químicas, assim como podem ser funcionalizados com gruposfuncionais específicos tais como hidroxilas (-OH) ou a carboxila (-COOH), levando a melhoria em suas propriedades (SOKOLOVA e EPPLEY, 2008; JUSTINO, ROCHA-SANTOS, DUARTE, 2012). Figura 5. Representação esquemática de (a) folha de grafeno sendo enrolada, (b) nanotubos de carbono de parede simples e (c) nanotubos de carbono de parede múltiplas. Fonte: MACHADO et al., 2014. Hoje em dia, os SWCNT e MWCNT são sintetizados por processos de alta temperatura que são métodos físicos para a conversão de carbono em nanotubos de carbonos, e por deposição química em fase de vapor (CVD) que é realizada a temperaturas mais baixas e pressão atmosféricas (JUSTINO, ROCHA-SANTOS, 11 DUARTE, 2012). Nos processos de altas temperaturas, como a descarga por arco elétrico e a ablação por laser, fornecem CNTs com estrutura mais homogênea próxima a “perfeita”, porém com presença de grandes quantidades de impurezas, e os CNTs sintetizados por esses métodos têm de ser dispersos, purificados e funcionalizados antes de serem utilizados. Já, o processo CVD é o mais utilizado para CNTs em larga escala, devida a sua utilização da baixa temperatura permitindo facilidade na operação, controle no crescimento, eficiência enérgica, elevado rendimento e uma maior pureza que os CNT obtidos pelo processo de altas temperaturas (SOKOLOVA e EPPLEY, 2008; PATEL, 2011). As aplicações dos nanotubos são variadas, destacando o seu uso como dispositivos de distribuição controlada de agente terapêuticos tais como peptídeos, proteínas, ácidos nucléicos e fármacos, devido à sua capacidade dos NTC de penetrar nas células (PATEL, 2011). 3 MÉTODOS DE PRODUÇÃO Existem diversos métodos de produção para cada uma das nanopartículas mencionadas. Serão discutidos os métodos de produção dos lipossomas e NLS dentre os quais, os dois mais utilizados na literatura são: a homogeneização à alta pressão e a microemulsão à quente formada de óleo em água. Tendo em conta que os pontos quânticos e as nanopartículas inorgânicas são geralmente obtidas por síntese química, por adição de quantidades apropriadas de reagentes e matérias-primas, não serão abordados neste presente trabalho, os seus métodos de produção. 12 3.1 HOMOGENEIZAÇÃO À ALTA PRESSÃO Homogeneização à alta pressão foi o método inicial usado por Müller e colaboradores (1995) para a produção de NLS. Este método tem demonstrado, até hoje, ser de alto desempenho para produção dessas nanopartículas, sendo o mais amplamente utilizado na literatura (GASCO, 2007). Nesta técnica uma dispersão de partículas é impulsionada com alta pressão (100-2000 bar) através de uma cavidade estreita (poucos micrômetros), e acelerada em uma curta distância, com alta velocidade (cerca de 100 km/h) ao encontro de uma barreira. A colisão com a barreira possibilita a formação de nanopartículas com reduzido diâmetro (MEHNERT e MADER, 2001). As NLS podem ser preparadas por esta técnica por dois métodos básicos: homogeneização à quente e homogeneização à frio. No processo de homogeneização a quente, o lipídeo encontra-se fundido em todas as etapas de produção, o que permite maior migração do material ativo do núcleo para a fase aquosa (Figura 6). Por outro lado, na homogeneização a frio, o material ativo do núcleo é incorporado no lipídeo fundido, mas a mistura é rapidamente solidificada em nitrogênio líquido e triturada para obtenção de micropartículas lipídicas; somente, então, é misturada a uma solução aquosa de tensoativos, sob cisalhamento (Figura 7). A pré-suspensão obtida é, em seguida, submetida à homogeneização sob alta pressão, na qual ocorre a formação das NLS. 13 Figura 6. Esquema da preparação de NLS pelo método Homogeneização à Quente. Fonte: MARCATO, 2009. Figura 7. Esquema da preparação de NLS pelo método Homogeneização à Frio. Fonte: MARCATO, 2009. A vantagem dessa técnica é que não se utilizam solventes orgânicos, o que a torna especialmente atraente para a indústria de alimentos, além do fato de o principal equipamento que se requer – homogeneizador de alta pressão – ser de uso corrente nesse tipo de indústria (SOUTO e MÜLLER, 2006). 14 3.2 MICROEMULSÃO À QUENTE O método de microemulsão a quente foi desenvolvido por Gasco e colaboradores (2007) e modificado por diversos grupos. O método é baseado em 2 passos: i) aquecimento e mistura do lipídio liquefeito em água, surfactante e co- surfactante, sob agitação vigorosa (Ultra-turrax); ii) agitação mecânica da suspensão em um banho frio, solidificando assim a fase lipídica, antes liquefeita, produzindo as partículas desejadas (Souza et al., 2011). Entretanto, este processo necessita de grandes quantidades de surfactante e de co-surfactante para produzir resultados semelhantes aos obtidos com a homogeneização à alta pressão. Abaixo, na figura 8, é ilustrado o esquema de preparação de NLS por este método. Figura 8. Esquema da preparação de NLS pelo método de microemulsão a quente. Fonte: MARCATO, 2009. 15 4 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS O avanço no desenvolvimento de nanomateriais aplicados a medicina cresceu muito ao longo dos anos. Muito se deve às melhorias dos protocolos, rotas de síntese, combinação com biomoléculas e principalmente às preocupações com os possíveis efeitos tóxicos que esses nanomateriais podem ter em contato com o sistema biológico. As formulações nanoestruturadas existentes ou não no mercado, estão sendo aprimoradas, assim como as novas metodologias de análise. Porém ainda existe muito a se pesquisar e padronizar, principalmente no âmbito das análises toxicológicas para que novas regulamentações sejam implementadas. A nanotecnologia na área médica abre muitas portas, permitindo fazer desde o diagnóstico de doenças até seu tratamento. Em exames de imagem, as nanopartículas também têm tido destaque. Elas são sintetizadas e manipuladas para que quando estiverem em contato com células cancerígenas, por exemplo, se liguem a elas, funcionando como um sinalizador e mostrando o local e o tamanho do câncer. Para o tratamento de doenças há um novo conceito, a liberação controlada de medicamentos. Cria-se um sistema com um fármaco de interesse que atinja especificamente o alvo, ou seja, a célula doente, e libere o medicamento conforme a necessidade. Isso permite que o paciente tome menos doses de remédio e diminui os efeitos colaterais. Em suma, as expectativas são muitas e espera-se que com o avanço da nanotecnologia junto à medicina, que num futuro próximo possam ser descobertas a cura e a prevenção de muitas doenças. 16 REFERÊNCIAS BAGALKOT V., et al. Quantum dots as a platform for nanoparticle drug delivery vehicle design. Advanced Drug Delivery Reviewa, v. 65, p. 703-718, 2013. BAN, P.; et al. 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