quarta-feira, 26 de novembro de 2014

[II SBEQ] NANOTECNOLOGIA APLICADA À BIOENGENHARIA - ERICK LORENZATO (COPPE/UFRJ)

Desde épocas remotas, o homem é fascinado por criar instrumentos para auxiliá-lo em sua vontade de conhecer o mundo a sua volta. Com o avanço da tecnologia, conseguiu-se produzir aparelhos cada vez mais precisos e sofisticados que facilitam o cotidiano e ajudam a explorar a natureza a sua volta. A partir da criação do microscópio, um mundo de possibilidades se formou. Suas invenções vão desde a larga escala, como altos prédios, até a micro e nano escala.


Nanociência e nanotecnologia são ramos da ciência dos materiais e da física que trabalham com elementos muito pequenos. Sua aparição se dá em 1959 com ideias fundadoras do físico Richard Feynman. Nanociência é o estudo das propriedades da matéria que têm escalas de comprimento entre 1 e 100 nanômetros. A nanotecnologia é o conjunto de procedimentos para manipular a matéria nesta escala, a fim de construir entidades nanométricas para fins úteis. Os materiais na escala nanométrica possuem propriedades diferentes da macro escala. Eles se aproximam mais dos átomos do que de elementos macroscópicos e seu comportamento é regido pela mecânica quântica. Logo se tem uma grande variação de comportamento e aplicações para estes materiais [1].

Figura 1 - Richard Feynman. Fonte: http://www.celinacea.com.br/artigo-10132.htm

Figura 2 – Escala de tamanho. Fonte: http://www.cienciasparalelas.com.br/nanotecnologia-e-suas-aplicacoes/


O estudo da bioquímica e do funcionamento de células e organismos tem sido por muito tempo, limitado devido à impossibilidade de medições e experimentos no interior celular. Muitas aferições exigiam a destruição das células. Com o advento da nanotecnologia, no entanto, houve um incremento instrumental e teórico que viabilizaram o avanço das pesquisas na ciência [2]. Ao se aplicar a nanotecnologia na área médica, tem-se uma denominação chamada nano medicina. O campo da nano medicina é a ciência e tecnologia de diagnóstico, tratamento e prevenção de doenças e lesões traumáticas, de aliviar a dor, preservar e melhorar a saúde humana, utilizando materiais estruturados em nanoescala, biotecnologia e engenharia genética, e, eventualmente, máquina complexa sistemas e nano robôs [3]. 

Em uma publicação de 2006 sobre a situação mundial da nanomedicina, MedMarket Diligence informou que cerca de 150 das maiores empresas do mundo estão realizando projetos de pesquisa em nanotecnologia ou planejando produtos da nanotecnologia. De acordo com Patrick Driscoll, presidente do MMD, há um mercado de U$ 1 bilhão para aplicações de nanotecnologia, principalmente na área de MEMS (sistemas microeletromecânicos), um número que tende a aumentar cem vezes em 2015.

Figura 3: Nanotecnologia a serviço da saúde. Display dérmico. Fonte: http://www.foresight.org/Nanomedicine/Gallery/Artist/Fonseca.html

Em poucas décadas micro equipamentos (equipamentos na escala micro 1-100 micrômetros), conhecidos por MEMS (Sistemas Micro-Eletro-Mecânico) surgiram representativamente no mercado, onde se fez a proposta de resolução de problemas que dificilmente seriam solucionados por aparelhos maiores. Os MEMS possuem aplicações nas mais diversas áreas, como diversos tipos de atuadores, motores, sensores de pressão e temperatura e também é aplicado na área médica [4]. Muitos destes produtos são utilizados no dia-a-dia, como glicosímetros e oxímetros (equipamentos para medir os níveis de glicose e oxigênio respectivamente). Outros equipamentos na escala micrométrica que estão surgindo e que trazem grandes vantagens são: Lab-on-chip, Organs-on-Chips e Molecular Doctor.

Uma parte importante na medicina é a área de diagnóstico. Saber se uma pessoa tem pré-disposição a uma doença ou se ela possui algum tipo de infecção é possível com o Lab-on-chip.  Estes dispositivos trabalham no campo de análises químicas e bioquímicas, em que dispositivos microfluídicos são empregados para transportar e manipular quantidades ínfimas de fluidos e/ou entidades biológicas através de microcanais. Uma gota de sangue é depositada em um reservatório do sistema. Em seguida, executa-se todo o teste: pequenas quantidades de sangue são deslocadas e injetada em várias câmaras nas quais diferentes reações acontecem [5]. “Com um Lab-on-chip você pode fazer um teste de diagnóstico rápido e obter informações ali mesmo, o que é muito útil quando alguém tem uma doença que tem um curto cronograma para ser tratado", diz Mark Morrison, CEO do Instituto de Nanotecnologia em Stirling, no Reino Unido. "O que ele efetivamente faz é miniaturizar e compactar todos os diferentes processos que um pesquisador ou um técnico no laboratório de diagnóstico usa" [6]. Existem diversas vantagens de se utilizar esta técnica, como [7]:

1. Baixo consumo de volumes de fluido, por causa dos baixos volumes internos, o que é benéfico para, por exemplo poluição ambiental (menos resíduos), menores custos de reagentes caros e menos fluido da amostra é usada para diagnósticos.
2. Baixos volumes reduzem desperdício de reagentes, o que barateia o processo.
3. Melhores análises, controles de velocidade do chip e eficiência devido à tempos curtos de mistura
4. Melhor controle do processo por causa de uma resposta mais rápida do sistema (por exemplo, controlo térmico para reações químicas exotérmicas).
5. Resposta mais rápida devido ao melhor controle do processo.
6. Sistemas compactos, devido a grande funcionalidade e integração de pequenos volumes.
7. Paralelização maciça devido à compactação, o que permite a análise de alto rendimento.
8. Menores custos de fabricação, permitindo sistemas de análises descartáveis de baixo custo, fabricadas na produção em massa.
9. Atende aos requisitos para os países do terceiro mundo de baixo custo fácil de usar.
10. Pode ser construído em diversos materiais, como PDMS, vidro e plásticos resistente termicamente.

As principais desvantagens do Lab-on-chip são:

1. A tecnologia é nova e, portanto, ainda não totalmente desenvolvida
2. Problemas na redução do dimensionamento, o que é mais complexo equipamento do que um laboratório convencional.
3. Tecnologia de fabricação não está totalmente desenvolvida.

Figura 4: Esquema de funcionamento do Lab On-chip

Figura 5: Lab-on-chip feito de vidro. Fonte: https://www.polymersolutions.com/blog/gold-saves-money-in-diabetes-testing/

Seguindo a mesma linha de raciocínio do Lab-on-chip tem-se o Organ-on-a-chip. A teoria é bastante semelhante, mas neste ultimo sistema, tem-se canais preenchidos com células e tecidos humanos vivos, cultivados em um fluido que garante as mesmas condições do corpo humano. Os cientistas bioengenheiros do Instituto Wyss, ligado à Universidade de Harvard desenvolveram uma técnica de crescimentos de órgãos vivos. Os sistemas recapitulam a micro arquitetura e funções de órgãos vivos, tais como o pulmão, coração e intestino. Os cientistas já conseguiram reproduzir com sucesso pulmão, fígado, intestino, rim e medula óssea, podendo-se adaptar a todos os órgãos do organismo Assim, tem-se mais um passo a personalização da medicina. Cada chip seria exclusivo a uma pessoa. Além disso, tem-se a possibilidade de melhoria e ajuda a bancos de órgãos. Outra grande vantagem desta técnica é a alternativa dos tradicionais testes em animais [9].


Ainda na etapa de diagnóstico, pode-se encontrar os Quantum Dots (QD). Quantum Dots são nanocristais que são ativados por e também emitem comprimentos de onda de luz específicos. Suas aplicações gerais são transistores, células solares e LEDs, mas na nanomedicia tem-se uma excelente maneira de rotular amostras biológicas fluorescentes, o que os torna úteis para aplicações em imagens biomédicas e diagnósticos. Os QDs são superiores, porque eles são mais brilhantes e mais resistentes à degradação pela fonte de luz de ativação. Além disso, QDs pode ser sintonizado para emitir luz através de uma ampla gama de comprimentos de onda, ajustando o seu tamanho, forma, e / ou energia. No entanto, um problema que tem QDs é que eles podem ser bastante grande em relação às etiquetas tradicionais, o que limita a sua utilidade em estudos de imagem.

Complexando um pouco na escala nanométrica, pode-se encontrar os nano robôs. A nanotecnologia é um campo emergente da robótica que ainda não bem explorado em seu pleno potencial. Nanorobô é um dispositivo, sintético ou biológico, que é capaz de funcionar em um nível próximo ao atômico e executar uma tarefa pré-programada. Nanomáquinas básicas já estão em uso. Em pouco tempo serão capazes de perceber e se adaptar aos estímulos ambientais, como calor, luz, sons, texturas de superfície, e produtos químicos; realizar cálculos complexos; movimento, comunicar e trabalhar em conjunto; realizar a montagem molecular [10, 11]. Na Universidade de Telavive, em Israel, desenvolvem nano-robôs para a resolução de problemas cardiovasculares. Os nano-robôs actuam dentro dos vasos sanguíneos que circundam o coração fazendo o desentupimento de artérias, substituindo processos cirúrgicos [12]. Pesquisadores da Universidade Nacional Chiao Tung, em Taiwan conseguiram resolver um dos problemas que era a alimentação energética desses robôs. Um nanorobô retira a energia necessária para trabalhar de uma fonte de luz externa, da faixa próxima ao infravermelho. A pessoa tem seu corpo irradiado e assim as “baterias” são carregadas se tem uma determinada autonomia [13]. O instituto de Produção Molecular da Califórnia realiza pesquisas na área construção de nano-robôs aplicados ao combate da diabetes. Os robôs são guiados até à medula óssea, capturaram células-tronco e as levam até ao pâncreas, onde se tem a produção de insulina no corpo humano.

Figura 6: Nanobot. Fonte: http://www.mguhlin.org/2011/12/nanobots-unite-cancer.html

Um projeto de um bioengenheiro da Universidade Harvard (EUA), e seus colegas da Universidade Bar Ilan (Israel) desenvolveu um projeto onde Nanorrobôs feitos de moléculas de DNA, capazes de realizar o mesmo tipo de operações lógicas que um computador, foram introduzidos em uma barata. Os nano-robôs viajam pelo corpo da barata e interagem entre si, levando remédios dentro do DNA e depositando-os nas células, agindo como operações lógicas de um computador. Os nano-robôs possuem marcadores fluorescentes, além de remédios; desta forma, os pesquisadores podem ver se os minúsculos biocomputadores entregam as substâncias para os locais desejados [14].

Na área odontológica pode-se citar a redução de um problema de pessoas que necessitam de alguma correção dentária. A utilização de prótese, aparelho ortodôntico e afins pode gerar transtornos envolvendo bactérias e fungos e consequentes problemas bucais, como mau cheiro, periodontite, cárie ou estomatite protética. A aplicação de uma mistura nanoestruturada de vanadato de prata com prata pura possui potencial bactericida. Esta tecnologia brasileira (desenvolvida no Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas, Unicamp) apresenta resultados que comprovam sua função antimicrobiana e apresenta resistência aos impactos mecânicos próprios da mastigação e da pressão natural sofrida pelos dentes na boca [15]. Na Universidade Federal de Minas Gerais, a equipe do professor Luiz Orlando ladeira conseguiu desenvolver um composto formado de nanotubos de carbono (NTC) e ácido hialurônico (HY) que reduziu pela metade o tempo de recuperação de tecidos ósseos. O estudo se concentrou na odontologia, mas, nova frente de investigação tem mostrado eficácia do método na ortopedia em geral e no tratamento de diabéticos, que tem maior dificuldade de curar feridas [16].

Os nanotubos de carbono também possuem aplicações na área veterinária. Um exemplo de sua utilização é como biosensor. Um exemplo é a identificação de patógenos como Salmonella por meio da adição de anticorpos específicos nas paredes laterais dos NTCs [17]. Em novembro de 2012 um músculo artificial foi desenvolvido com nanotubos de carbono e parafina pela Universidade do Texas, tendo um pesquisador brasileiro como participante [18].

Figura 7: Músculo Artificial produzido com nanotubos de carbono. Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=musculo-artificial-mais-forte-mundo&id=010180121116#.VGlDbfldXMI

No ramo de fármacos grande problema é a ingestão de medicamentos de uso contínuo em horários específicos. Definem-se como medicamentos os produtos com propriedades terapêuticas utilizados no combate às doenças e na prevenção e diagnóstico de alguns problemas. A quantidade de medicamento administrado com vista a exercer o seu efeito terapêutico, ao nível dos princípios ativos, denomina-se dose. Medicamentos de uso contínuo funcionam com doses especificas nas quais a concentração do princípio ativo vai decaindo com o tempo (curva de meia-vida de medicamento) [19]. Em determinado momento deve-se tomar outra dose para se manter o tratamento. Muitas vezes existe o esquecimento da ingestão do medicamento e consequentemente uma modificação no tratamento. Em alguns casos como antibióticos tem-se um risco, pois se pode gerar a proliferação e microrganismos resistentes ao medicamento. A nanotecnologia está presente como uma resolução deste problema com as técnicas de drug deliver. Estas técnicas se caracterizam pela liberação controlada de um fármaco com o tempo. O indivíduo ingere um medicamento (capsula polimérica biocompatível que contém o princípio ativo) ou ter um microssistema implantado subcutaneamente [20, 16]. O carregador é levado até o local desejado (por rotas bioquímicas ou físicas) e a droga vai sendo liberada ao organismo de maneira controlada, não ocorrendo overdoses. Essa liberação pode se dar por horas ou mesmo dias.

Figura 8: Sistema inteligente de Drug Delivery. Fonte: http://medimetrics.com/Home


Sistemas inteligentes de micro e nano-escala podem maximizar a eficácia dos tratamentos terapêuticos de várias maneiras, porque eles têm a capacidade de detectar e responder rapidamente aos estados de doença diretamente no local, poupando as células e tecidos fisiologicamente saudáveis e melhorando assim a qualidade de vida do paciente . Esta nova classe de '' terapias inteligentes '' refere-se a sistemas de distribuição inteligentes e sensíveis que são projetados para executar várias funções como detecção, isolamento e / ou liberação de agentes terapêuticos para o tratamento de condições de doença.

Alguns exemplos deste tipo de tratamento são [21-24]:

1) Liberação de partículas de ouro para o combate ao Ebola;
2) Liberação de partículas de ouro para o combate ao câncer, inibindo a propagação do tumor;
3) Nanotubos de carbono funcionalizados como carreadores de genes, fármacos ou biomoléculas no tratamento de doenças neuro degenerativas;
4) Aplicação de materiais quimioterápicos direto em células cancerígenas;
5) Nanopartículas na aplicação de vacinas;
6) Liberação de enzimas que bloqueiam a reprodução de certos vírus;
7) Transporte de insulina em nano capsulas;

A nanotecnologia é uma ciência relativamente nova e que tem muito a avançar. Técnicas promissoras tendem a melhorar gradativamente a saúde humana. Pesquisas estão em desenvolvimento e muitos campos da nanomedicina ainda podem ser explorados. Uma amostra geral do que a nanotecnologia pode fazer pela saúde:

Figura 9: Resumo das aplicações da Nanomedicina. Fonte: http://conceptmedicals.com/technology/


Referências: 

 [1] WILLIAM A. Goddard III, Donald W. Brenner, Sergey E. “Handbook of Nanoscience Engineering and Technology”. CRC PRESS. 2007
[2] T.VO-DITH et al “Nanoprobes and nanobiossensors for monitoring and imaging individual living cells. Nanomedicine”. Vol 2. 2006
[3] SUWUSSA Bamrungsap, Zilong Zhao, Tao Chen, Lin Wang, Chunmei Li, Ting Fu, Weihong Tan ”Nanotechnology in Therapeutics - A Focus on Nanoparticles as a Drug Delivery System”. Nanomedicine Vol 7. 2012
[4]ABGRALL, P. & Gué, A-M. “Lab-on-chip technologies: making a microfluidic network and coupling it into a complete microsystem—a review”. J. Micromech. Microeng. Ed. 17. 2007.
[5] FERREIRA, L.O.S. “Os Labs-On-a-Chip Revolucionam a Instrumentação Analítica Médico-Hospitalar”. Tecnologia para a Saúde. Vol. 5. 2005. Disponível em http://www.multiciencia.unicamp.br/artigos_05/a_01_05.pdf 
 [6] ALOK Jha. Jornal The Guardian. Matéria do dia 28/11/2011. Disponível em http://www.theguardian.com/science/2011/nov/28/incredible-shrinking-laboratory-lab-chip
[7] MicroFabb. Disponível em http://microfabb.com/lab-on-a-chip/
[8] Gene Quantification. Disponível em http://lab-on-chip.gene-quantification.info/
[9] SANGEETA, N. Bhatia & Donald E Ingber “Microfluidic organs-on-chips”. Nature Biotechnology. Vol 32. 2014
[10] GUDMUNDSSON, K. “The Many Uses of Nanobots”. 2010. Disponível em http://dbdresearchinstitute.com/the-many-uses-of-nanobots/
[11] Disponível em http://www.nanobot.info/
[12] http://nanomedicina.webnode.pt/nanotecnologia-e-medicina/nanorobotica/
13] JYH-LIH Wu, Fang-Chung Chen, Ming-Kai Chuang, Kim-Shih Tan “Near-infrared laser-driven polymer photovoltaic devices and their biomedical applications”. Energy & Environmental Science. 2011
[14] YANIV Amir, Eldad Ben-Ishay, Daniel Levner, Shmulik Ittah, Almogit Abu-Horowitz, Ido Bachelet  “Universal computing by DNA origami robots in a living animal”. Nature Nanotechnology. 2014. DOI: 10.1038/nnano.2014.58
 [15] STELLA, R. Disponível em http://www.ribeirao.usp.br/?p=585#more-585
[16] MACHADO, I.R.L. et al. “Nanotubos de carbono: potencial de uso em medicina veterinária”. Cienc. Rural vol.44 no.10. 2014
[17] DA SILVA, E.E. “Síntese e Aplicação de Nanotubos de Carbono em Biotecnologia”. Dissertação de Mestrado. UFMG. 2007
[18] Márcio D. Lima, Na Li, Mônica Jung de Andrade, Shaoli Fang, Jiyoung Oh, Geoffrey M. Spinks, Mikhail E. Kozlov, Carter S. Haines, Dongseok Suh, Javad Foroughi, Seon Jeong Kim, Yongsheng Chen, Taylor Ware, Min Kyoon Shin, Leonardo D. Machado, Alexandre F. Fonseca, John D. W. Madden, Walter E. Voit, Douglas S. Galvão, Ray H. Baughman  “Electrically, Chemically, and Photonically Powered Torsional and Tensile Actuation of Hybrid Carbon Nanotube Yarn Muscles”. Science. Vol.: 338. DOI: 10.1126/science.1226762
[19] http://www.medipedia.pt/home/home.php?module=artigoEnc&id=885#sthash.iIuX6ulh.dpuf
[20]OMID C. Farokhzad & Robert Langer “Impact of Nanotechnology on Drug Delivery”. ACS Nano. Vol 3. 2009
[21]GAUDIN, S. 2014. Disponível em http://idgnow.com.br/ti-pessoal/2014/08/20/mortes-por-ebola-crescem-e-cientistas-buscam-cura-pela-nanotecnologia/
[22] DA SILVA, V.D.R. “Expressão do receptor MARCO em macrófagos, células dendríticas e células tumorais após internalização de nanotubos de carbono”. Dissertação de mestrado. UNICAMP. 2011
[23] OLIVEIRA et al. “Nanotubos de carbono aplicados às neurociências: perspectivas e desafios”. Revista de Psiquiatria Clínica. Vol 38. 2011.
[24]Disponível em http://www.understandingnano.com/medicine.html

Nenhum comentário:

Postar um comentário