Quer enxergar o que acontece dentro das células? Use uma nanolanterna!

Sim, uma nanolanterna! Aposto que você acaba de imaginar uma lanterna com lâmpada e cabo, só que numa versão bem pequena, né? A nanolanterna, na verdade, não é bem assim – está mais para uma bolinha colorida. Uma equipe de pesquisadores liderada pelo biofísico Jeeseong Hwang e vinculada ao National Institute of Standards and Technology (NIST, o “Inmetro americano”) e ao National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) desenvolveu um método que utiliza quantum dots para “iluminar” o interior das células. Para quem não lembra ou não leu posts anteriores, quantum dots são nanocristais semicondutores, cuja luz emitida por fluorescência depende do tamanho da partícula. Ela pode ser revestida com um componente orgânico capaz de se ligar na superfície de uma célula específica que se quer estudar.



Você pode perguntar: qual é a novidade? Afinal, os cientistas e os analistas clínicos estão acostumados a usar pequenas moléculas orgânicas e/ou proteínas fluorescentes para investigar o interior das células. A fluorescência dos quantum dots dura muito mais que aquela dos compostos fluorescentes convencionais. Isso faz toda a diferença. Enquanto compostos fluorescentes convencionais permitem a visualização do que acontece dentro das células por curtos períodos de tempo, os quantum dots permitem o monitoramento de processos que levam horas ou mesmo dias para ocorrer. É como estar em uma sala escura na companhia de um gato e tentar descrever o que ele faz lá dentro, a partir de duas diferentes situações: 1. sob flashes de luz ou 2. utilizando uma lâmpada para iluminar o ambiente. Os flashes podem ser suficientes para permitir a localização do gato na sala, mas você não consegue acompanhar todos os seus movimentos. Se a iluminação for feita com uma lâmpada, essa tarefa fica muito mais fácil e é possível descrever as peripécias do gato de forma bem mais completa.



Os pesquisadores citados acima utilizaram os quantum dots para tentar entender melhor como a infecção pelo parasita da malária afeta as células vermelhas do sangue (hemácias). Eles mostraram que a estrutura da rede de proteínas presente na parte interna da membrana celular das hemácias muda com a infecção, reduzindo a flexibilidade mecânica da célula. Por estar menos flexível, a hemácia fica mais suscetível a rompimentos. Isso está fortemente relacionado a certos sintomas da malária, como anemia e paroxismo febril. Outras técnicas, como a microscopia eletrônica, também permitem demonstrar que a flexibilidade da hemácia diminui ao ser infectada pelo plasmódio (que é o parasita que causa malária), porém nessa técnica são obtidas imagens estáticas. O uso de quantum dots é vantajoso por permitir elucidar processos celulares de forma dinâmica, aumentando o nosso entendimento sobre eles. Uma analogia seria tirar conclusões sobre um evento através de algumas fotos ou de um filme. O que você preferiria? Eu preferiria o filme. Cabe salientar que, embora seja muito promissor, esse método que utiliza quantum dots ainda está em fase de desenvolvimento.



(vi no EurekAlert!)

Nanopartículas que emitem luz – parte III

ResearchBlogging.org

É incrível como um assunto puxa o outro. Começamos discutindo um experimento de fotoquímica que vi no Museu de Ciência e Tecnologia da PUC-RS e terminamos falando em quantum dots e suas aplicações no diagnóstico de doenças. No entanto, se você é atento reparou que os estudos sobre aplicação de quantum dots na área médica tratados no último post foram feitos in vitro – ou seja, com o material biológico isolado do seu “dono”. Pois hoje trago estudos sobre a aplicação de quantum dots in vivo.

Pode não parecer, mas estudos in vivo envolvendo quantum dots são coisa rara e por isso justificam esse post à parte. Há certas controvérsias sobre o assunto que talvez expliquem essa escassez de estudos:

I. Os complexos de quantum dots podem causar reações alérgicas perigosas.
II. Os materiais usados na sua composição podem ser tóxicos.
III. O tamanho dos complexos de quantum dots é superior ao necessário para a eliminação pelos rins – isso faz com que eles sejam eliminados pelo fígado, que é particularmente sensível à toxicidade do cádmio (um dos elementos mais comuns na fabricação de quantum dots).

Ainda há muitos testes a se fazer antes de considerar os quantum dots passíveis de uso em larga escala para diagnóstico in vivo. E eles precisam ser feitos, porque a idéia é boa. Um exemplo é um estudo publicado no PNAS em 2002. Os autores avaliaram a possibilidade de direcionar quantum dots para um alvo específico no organismo in vivo. Para isso, quantum dots de seleneto de cádmio recoberto com sulfeto de zinco foram revestidos com três diferentes peptídeos e injetados em camundongos. Um dos três peptídeos levou os quantum dots aos pulmões de camundongos em maior quantidade que em outros locais do organismo. Os outros dois peptídeos direcionaram os quantum dots a sítios vasculares contendo tumores (tais como veias sanguíneas e rede linfática). No entanto, além desses alvos, os quantum dots também se acumularam no fígado e no baço dos animais devido à captura pelo sistema monocítico fagocitário, que é responsável por eliminar qualquer corpo estranho que se introduza no organismo. Uma forma de “enganar” o sistema monocítico fagocitário é revestir a nanopartícula com PEG (olha aí novamente os aviões Stealth do nanobiomundo!). O revestimento com PEG reduziu bastante o acúmulo dos quantum dots no fígado e baço sem alterar o acúmulo nos sítios-alvo desejados.

(fonte: Akerman e col., 2002)

A injeção de marcadores radioativos (como tecnécio-99m) e corante azul permite a detecção do primeiro gânglio do sistema linfático que drena um tumor, o qual é conhecido como linfonodo sentinela. Essa técnica de análise do linfonodo sentinela é muito utilizada em casos de melanoma, câncer de colon e câncer de mama e permite identificar, já na própria sala cirúrgica, se a base linfática mais próxima do tumor foi ou não acometida por metástase. Isso evita que toda a base linfática em questão seja retirada desnecessariamente. Pesquisadores dos Estados Unidos e Coréia demonstraram que quantum dots com emissão de radiação na faixa do infravermelho podem ser uma alternativa vantajosa aos tradicionais marcadores de linfonodo sentinela. O teste foi feito em camundongos e em porcos. O uso de quantum dots minimizou o tamanho do corte na pele para encontrar o linfonodo porque a emissão de radiação infravermelha resultou em uma imagem em tempo real antes do corte ser feito, a qual foi utilizada pelo cirurgião como um guia (não coloquei a imagem aqui em respeito às pessoas mais sensíveis, mas quem tiver interesse em ver a fluorescência no infravermelho em porcos in vivo, clique aqui). Já os tradicionais marcadores radioativos são detectados através de um gama-probe, que dá um sinal sonoro, e o corante azul é visualizado apenas após o corte. Outra vantagem apontada pelo estudo foi que, após a retirada do linfonodo, o cirurgião pôde inspecionar o local da cirurgia com alta sensibilidade para se assegurar de que todo o tecido linfático marcado foi retirado do organismo. Além disso, foi mais fácil para o patologista identificar o linfonodo sentinela dentro do tecido linfático removido. Por fim, o tamanho ótimo dos quantum dots fez com que eles não fluíssem para além da região do linfonodo sentinela.

Embora o assunto possa render ainda muitos posts por ser bastante amplo, encerro por aqui essa trilogia sobre o uso de quantum dots na área médica. Provavelmente ainda falarei deles no futuro. Obrigada por ter me acompanhado até aqui.

Abraços quânticos!

Referências:

Jamieson, T., Bakhshi, R., Petrova, D., Pocock, R., Imani, M., & Seifalian, A. (2007). Biological applications of quantum dots Biomaterials, 28 (31), 4717-4732 DOI: 10.1016/j.biomaterials.2007.07.014

Akerman, M. (2002). Nanocrystal targeting in vivo Proceedings of the Nati
onal Academy of Sciences, 99
(20), 12617-12621 DOI: 10.1073/pnas.152463399

Kim, S., Lim, Y., Soltesz, E., De Grand, A., Lee, J., Nakayama, A., Parker, J., Mihaljevic, T., Laurence, R., Dor, D., Cohn, L., Bawendi, M., & Frangioni, J. (2003). Near-infrared fluorescent type II quantum dots for sentinel lymph node mapping Nature Biotechnology, 22 (1), 93-97 DOI: 10.1038/nbt920

Nanopartículas que emitem luz – parte II

ResearchBlogging.org
No post anterior comentei sobre como funciona a fosforescência e a fluorescência e contei que nanopartículas luminescentes podem ser utilizadas para diagnosticar doenças. A questão é que eu não contei COMO elas fazem isso. Para começar, vamos dar nome aos bois. As nanopartículas luminescentes às quais me refiro são conhecidas como pontos quânticos (ou quantum dots, em inglês). Elas nada mais são que nanocristais de materiais semicondutores, tais como sulfeto de cádmio (que é um pigmento laranja). Não é a toa que os chamamos de PONTOS – seu tamanho está na faixa de 1 a 20 nm (o que é bem menor que o vírus da influenza A, por exemplo). Nos nanocristais, mais de 70 % dos átomos estão na sua superfície, coisa que não acontece na macroescala. Esse fato muda a forma como as transições eletrônicas (ou seja, o afastamento e a reaproximação dos elétrons em relação ao núcleo dos átomos) ocorrem no semicondutor. É por isso que sulfeto de zinco em pó (que é preto) não é capaz de emitir luz, mas nanocristais de sulfeto de zinco emitem luz que é uma beleza! O mais legal é que a cor da luz emitida depende de como as transições eletrônicas ocorrem e, portanto, varia conforme o tamanho da partícula. As transições eletrônicas também dependem do tipo de semicondutor utilizado. Considerando isso tudo, fica claro que as propriedades ópticas do quantum dot podem ser alteradas conforme a necessidade mudando-se seu tamanho e o material que compõe sua superfície. É praticamente uma engenharia na nanoescala!

EMISSÃO DE LUMINESCÊNCIA DE SOLUÇÕES DE QUANTUM DOTS DE CdSe/ZnS. O TAMANHO AUMENTA DE 2 A 6 nm DA ESQUERDA PARA A DIREITA

(Fonte: Tomzak e colaboradores, 2009).

Quantum dots podem ser utilizados como sensores químicos para detectar microrganismos patogênicos e toxinas. Quantum dots ligados a anticorpos foram capazes de detectar os microrganismos Cryptosporidium parvum e Giardia lamblia em água. A figura abaixo mostra a cor verde emitida pelos quantum dots ligados a C. parvum e a cor vermelha emitida por aqueles ligados a G. lamblia. A vantagem desses quantum dots frente aos corantes tradicionais é que eles podem ser empregados para qualquer tipo de microrganismo com alta especificidade e são menos susceptíveis a interferentes.

(Fonte: Zhu e colaboradores, 2004)

Quantum dots ligados a oligonucleotídeos podem reconhecer sequências-alvo no DNA. Dessa forma, a identificação de sequências-alvo específicas no material genético foi feita empregando-se combinações de quantum dots de diferentes cores e com capacidade de emitir luz em diferentes intensidades para cada cor. Usando 6 cores e 10 intensidades, é possível obter um milhão de combinações! A identificação de certos alvos na estrutura do material genético poderia permitir o diagnóstico de doenças decorrentes de mutações, tais como certos cânceres. Há potencial na idéia, mas para isso é fundamental ter à disposição uma biblioteca de ligantes (oligonucleotídeos ou anticorpos) capazes de reconhecer os alvos específicos na estrutura do DNA.

O uso dos quantum dots para medir a atividade de certas enzimas é outra aplicação interessante na área de diagnóstico. Quantum dots foram ligados a um oligopeptídeo, que por sua vez foi marcado com rodamina (um corante fluorescente tradicional). Na presença de proteases (enzimas que quebram peptídeos) ocorreu a quebra do oligopeptídeo que unia o quantum dot e a rodamina. Isso alterou a cor do quantum dot, que passou de laranja a verde. Se não houvesse proteases na amostra, a cor do quantum dot não se alteraria. Quanto maior a concentração de protease, maior a intensidade da cor verde. O tipo de oligopeptídeo usado é escolhido em função da enzima específica que se quer detectar (porque essa quebra é altamente seletiva). Com esse teste, os autores puderam diferenciar células normais de células de câncer de mama in vitro em menos de 15 min, porque a atividade de proteases em células cancerosas é maior que em células normais.

Achou bacana? Pois saiba que ainda não acabou. Tem mais sobre quantum dots aplicados à área médica no próximo post!

(Continua no próximo post)

Referências:

Tomczak, N., Jańczewski, D., Han, M., & Vancso, G. (2009). Designer polymer-quantum dot architectures Progress in Polymer Science, 34 (5), 393-430 DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2008.11.004

Han, M., Gao, X., Su, J., & Nie, S. (2001). Quantum-dot-tagged microbeads for multiplexed optical coding of biomolecules Nature Biotechnology, 19 (7), 631-635 DOI: 10.1038/90228

Zhu, L., Ang, S., & Liu, W. (2004). Quantum Dots as a Novel Immunofluorescent Detection System for Cryptosporidium parvum and Giardia lamblia Applied and Environmental Microbiology, 70 (1), 597-598 DOI: 10.1128/AEM.70.1.597-598.2004

Shi, L., De Paoli, V., Rosenzweig, N., & Rosenzweig, Z. (2006). Synthesis and Application of Quantum Dots FRET-Based Protease Sensors Journal of the American Chemical Society, 128 (32), 10378-10379 DOI: 10.1021/ja063509o

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