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NANOMATERIAIS ATIVADOS POR LUZ FORMAM BIOGÉIS EXCITÁVEIS PARA ENGENHARIA TECIDUAL

NANOMATERIAIS ATIVADOS POR LUZ FORMAM BIOGÉIS EXCITÁVEIS PARA ENGENHARIA TECIDUAL

Edição Vol. 3, N. 14, 10 de Agosto de 2016

DOI: http://dx.doi.org/10.15729/nanocellnews.2016.08.11.004

No exagerado filme de ficção científica de 1966 “Fantastic Voyage” ou “Viagem Fantástica”, cientistas miniaturizaram um submarino com eles mesmos dentro e viajaram através do corpo de um colega para quebrar um coágulo de sangue potencialmente fatal. Vamos deixar a “viagem” dos micro-humanos de lado, imagine a inflamação que o submarino de metal poderia causar (veja mais em (1) NOSSO CORPO NOS PROTEGE, MAS PODE TAMBÉM NOS MATAR!).

Idealmente, dispositivos médicos implantáveis ou injetáveis devem ser, não somente pequenos e condutores de eletricidade, mas também devem ser moles ou macios, tal como os tecidos do corpo com os quais eles interagem. Cientistas de dois laboratórios da Universidade de Chicago firmaram uma colaboração para desenvolver um material com todas essas três propriedades (Figura 1).

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Figura 1: Imagem de microscopia de transmissão eletrônica mostra uma matriz de nanofios ordenada. A barra de escala de 100 nanômetros é 1.000 vezes mais estreita do que um fio de cabelo. Fonte: Tian Lab

O material, genialmente projetado por eles, constitui a base de um dispositivo injetável ativado por luz que poderá ser eventualmente utilizado para estimular as células nervosas e manipular o comportamento dos músculos e órgãos. É uma continuação da história da optogenética, no qual o Dr João Carvalho (Figura 2) também é autor do artigo (veja mais em (2, 3) ILUMINANDO O CÉREBRO COM NANOPARTÍCULAS DE OURO E LUZ).

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Figura 2: O graduando Yuanwen Jiang (esquerda) e nosso amigo brasileiro da época da pós-graduação, o Dr. João Carvalho-de-Souza (direita), co-autoria de um artigo que descreve um novo biomaterial injetável que pode ser facilmente disperso numa solução salina. Os professores envolvidos foram o Dr. Bozhi Tian, professor assistente de química, e o Dr. Francisco Bezanilla, professor de Bioquímica e Biologia Molecular.

A maioria dos materiais tradicionais para implantes são muito rígidos e volumosos, especialmente se você pretende fazer a estimulação elétrica. O novo material, em contraste, é suave e pequeno, composto de partículas de poucos mícrons de diâmetro _ muito menos do que a espessura de um cabelo humano (veja mais em (4) PROTEÍNA CORONA: um desafio para o uso de nanopartículas) _ que se dispersam facilmente em uma solução salina, de forma que pode ser injetada. As partículas também se degradam naturalmente no interior do corpo depois de alguns meses, assim nenhuma cirurgia seria necessária para removê-las.

ESPONJA EM NANOESCALA

Cada partícula é construída com dois tipos de silícios que, juntos, formam uma estrutura preenchida com poros em escala nano, como uma esponja pequena. E, tal como uma esponja, é também mole _ cem a mil vezes menos rígida do que o familiar silício cristalino usado em transistores e células solares. É comparável à rigidez das fibras de colágeno em nossos corpos. Assim, eles criaram um material que igual à rigidez do tecido real.

NANOESTRUTURA DO BIOMATERIAL

O material constitui metade de um dispositivo elétrico que se cria espontaneamente quando uma das partículas de silício é injetada numa cultura celular, ou, eventualmente, no corpo humano. A partícula liga-se a uma célula, fazendo uma interface com a membrana plasmática celular. Esses dois elementos em conjunto, membrana celular mais partículas, formam uma unidade que gera uma corrente quando a luz é incidida sobre a partícula de silício (5).

Não é preciso injetar todo o dispositivo; você só precisa injetar apenas um componente. Esta ligação de partícula única com a membrana celular permite a geração de corrente suficiente que pode ser utilizada para estimular a célula e alterar a sua atividade. Depois de atingir seu objetivo terapêutico, o material se degrada naturalmente. E se você precisar de fazer uma nova terapia, basta fazer uma outra injeção (5). Em casos de quimioterapia para tratamento de câncer, assim como para estimulação neuronal em casos de doenças de Alzheimer, esse dispositivo seria de grande valia.

Os cientistas construíram as partículas através de um processo que eles chamam de nano-casting. Eles fabricaram um molde de dióxido de silício composto por pequenos canais, ou “nano-fios”, cerca de sete nanômetros de diâmetro, e ligados por “micro-pontes” muito menores. No molde, eles injetaram gás silano, que preenche os poros e canais e se decompõe em silício (5).

E é aqui que as coisas ficam particularmente interessantes. Os cientistas exploraram o fato de que, quanto menor é um objeto, mais os átomos na sua superfície dominam as suas reações em seu entorno. As micro-pontes são diminutas, por isso a maioria dos seus átomos estão na superfície. Estes interagem com o oxigênio que está presente no molde de dióxido de silício, criando micro-pontes feitas de silício oxidado adquirido a partir de materiais à mão. Os muito maiores nano-fios têm proporcionalmente menos átomos em sua superfície, são muito menos interativos e permanecem em sua maioria como silício puro (5).

Esta é a beleza da nanociência. Ela permite que projetemos composições químicas apenas manipulando o tamanho das coisas.

NANOESTRUTURA TIPO REDE

Finalmente, o molde é dissolvido. O que resta é uma estrutura em forma de rede de nano-fios de silício conectados por micro-pontes de silício oxidado que podem absorver água e ajudam a aumentar a suavidade da estrutura. O silício puro mantém a sua capacidade de absorver a luz (5).

PARTÍCULAS DE SILÍCIO MESOESTRUTURADO

Os cientistas acrescentaram as partículas em neurônios em cultura no laboratório, brilharam a luz sobre as partículas, e observaram a corrente fluindo entre os neurônios, que ativavam as células (5). O próximo passo foi ver o que acontecia em animais vivos. Eles estão particularmente interessados em estimular os nervos do sistema nervoso periférico que se conectam aos órgãos (5). Estes nervos estão relativamente próximos da superfície do corpo, assim a luz de comprimento de onda do infra-vermelho próximo pode alcançá-los através da pele.

Com esse nanomaterial ativado por luz seria possível construir um biomaterial ativado pela luz para uso na engenharia de tecidos humanos e criar órgãos artificiais para substituir os danificados (Figura 3). Atualmente, os cientistas podem fazer órgãos projetados com a forma correta, porém não com a função ideal.

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Figura 3: Microscopia de raios-X de transmissão em 3-D de um conjunto de dados de uma região de uma partícula de silício mesoestruturado, sugerindo estruturas esponjosas. O quadrado roxo mede 8,28 micrômetros ao longo das bordas superiores, que é muito menor do que a largura de um fio de cabelo do ser humanor. Fonte: Tian Lab

Para se obter um órgão interno construído no laboratório e funcionando corretamente, será necessário ser capaz de manipular as células individuais na engenharia de tecidos. O dispositivo injetável permitiria a um cientista a fazer isso, aprimorando uma célula individual utilizando um feixe de luz bem focado, como um mecânico chegando em um motor e virando um único parafuso. A possibilidade de fazer este tipo de biologia sintética sem se utilizar da engenharia genética é sedutora.

É possível que muitos não queiram arriscar em modificar sua genética, pelo uso da CRISPR, por exemplo (veja mais em (6) CRISPR: A TÉCNICA DE ENGENHARIA GENÉTICA QUE PODE MUDAR O MUNDO!). Que pode ser arriscada. Há uma necessidade de um sistema não-genético e que ainda possa manipular o comportamento das células. Este sistema desenvolvido pelos laboratórios da Universidade de Chicago poderia ser esse tipo de sistema.

Referências 

1.Parreira RC, Resende RR. NOSSO CORPO NOS PROTEGE, MAS PODE TAMBÉM NOS MATAR! Nanocell News. 2014;1(8).

2.News N. ILUMINANDO O CÉREBRO COM NANOPARTÍCULAS DE OURO E LUZ. Nanocell News. 2015;2(11).

3.Carvalho-de-Souza JL, Treger JS, Dang B, Kent SB, Pepperberg DR, Bezanilla F. Photosensitivity of Neurons Enabled by Cell-Targeted Gold Nanoparticles. Neuron. 2015.

4.Goulart VAM, Resende RR. PROTEÍNA CORONA: um desafio para o uso de nanopartículas. Nanocell News. 2013;1(3).

5.Jiang Y, Carvalho-de-Souza JL, Wong RC, Luo Z, Isheim D, Zuo X, et al. Heterogeneous silicon mesostructures for lipid-supported bioelectric interfaces. Nature materials. 2016.

6.Resende RR. CRISPR: A TÉCNICA DE ENGENHARIA GENÉTICA QUE PODE MUDAR O MUNDO! Nanocell News. 2016;3(7).

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  1. Kariny Araujo disse:

    Olá gostei muito do conteúdo do trabalho e gostaria de citá-lo em meu trabalho de conclusão de curso, contudo não encontrei os nomes do autores…Como faço para citá-lo?

    16/dezembro/2016 ás 09:39

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