Nanotecnologia

Nanotubos de carbono agora são biocompatíveis

Lynn Yarris - Science@Berkeley Lab - 11/09/2006

Nanotubos de carbono são tubos ocos de carbono puro, cerca de 50.000 vezes mais finos do que o mais fino fio de cabelo humano - mas são mais fortes do que o aço. Os nanotubos têm um enorme potencial em uma grande variedade de aplicações biológicas, incluindo diagnósticos e tratamentos médicos.

Há um problema, entretanto, e até agora esse problema tem sido o que os pesquisadores chamam de "fator impeditivo". Por razões não inteiramente conhecidas, os nanotubos de carbono são citotóxicos - o contato com eles mata as células.

Nanotubos de carbono biocompatíveis
Alex Zettl (esquerda), Xing Chen e Carolyn Bertozzi desenvolveram uma técnica para interfacear com segurança os nanotubos de carbono com células biológicas.

Mas este é um impedimento que pode ter sido agora resolvido. Uma equipe de pesquisadores norte-americanos desenvolveu uma forma de tornar os nanotubos de carbono biocompatíveis. Recobrindo-os com um polímero sintético que imita a mucina, a substância da superfície celular que funciona como lubrificante, os pesquisadores conseguiram conectar os nanotubos de carbono com segurança a células biológicas. O revestimento de polímero pode também ser adaptado para se ligar a um tipo específico de célula.

"Nanotubos de carbono revestidos com polímeros que imitam a mucina não apenas se tornaram atóxicos para a células, eles também foram capazes de se ligar a carboidratos receptores, permitindo interações biomiméticas com superfícies celulares," explica a química Carolyn Bertozzi.

Especialista em biomimética, Bertozzi co-liderou a pesquisa com o físico Alex Zettl, uma autoridade destacada em nanotubos de carbono. Outros membros da equipe são Xing Chen, Un Chong Tam, Jennifer Czlapinski, Goo Soo Lee e David Rabuka. Eles relataram seu trabalho recentemente no Jornal da Sociedade Americana de Química.

Revestindo carbono com grude

Nanotubos de carbono são folhas de grafite de dimensões moleculares, enroladas e formando tubos selados. Suas incríveis propriedades estruturais, mecânicas, elétricas e termais fazem deles um elemento fundamental no florescente mundo da nanotecnologia. Por causa de sua escala e ampla gama de propriedades únicas, os biólogos sempre desejaram fazer uso dos nanotubos.

Por exemplo, as propriedades fluorescentes dos nanotubos de carbono sob a ação da luz na faixa do infravermelho-próximo tornam-nos candidatos insuperáveis no sensoriamento biológico; eles poderão ser utilizados para detectar proteínas ou carboidratos e para estudar a fisiologia ao nível de células individuais.

Nanotubos de carbono são também considerados como um meio de se enviar medicamentos para tumores cancerígenos ou outras células danificadas. Mas a inerente citotoxicidade dos nanotubos têm colocado sérias limitações à sua utilização em sistemas biológicos.

"Nós estávamos interessados em ajustar a interface entre os nanotubos de carbono e as células, de forma que eles pudessem refletir de forma mais precisa as interações fisiológicas na periferia das células," conta Bertozzi.

Pesquisas anteriores feitas por ela e Zettl haviam mostrado que os nanotubos de carbono podem ser recobertos com polímeros sintéticos nos quais houvessem sido adicionadas moléculas de um tipo de açúcar chamado glicano. Esses glicopolímeros sintéticos funcionam da mesma forma que as glicoproteínas, constituintes-chave das mucinas, que ajudam as células a interagir com suas vizinhas.

"Glicanos são determinantes fundamentais do reconhecimento molecular na superfície das células," diz Bertozzi. "Eles participam em diversos processos, como a ligação de elementos patogênicos, tráfego celular, endocitose e modulação da sinalização celular - o que significa que nanotubos de carbono adaptados para agirem em interações glicano-receptores seriam substratos ideais para aplicações mais refinadas em biologia celular."

Neste estudo mais recente, Bertozzi, Zettl, Chen e seus colegas foram capazes de adaptar seus revestimentos glicopoliméricos parecidos com mucina de tal forma que os nanotubos de carbono puderam ser induzidos a se ligar somente a superfícies de tipos específicos de células, via receptores de ligação. Para fazer isto, eles sintetizaram um dos seus imitadores de mucina com uma proteína grudenda encontrada em lesmas, chamada aglutinina Helix pomatia, ou HPA, que não apenas apresenta especificidade de ligação, mas também é capaz de interligar células e glicoproteínas.

Nanotubos de carbono biocompatíveis
Uma micrografia de fluorescência mostra células de ovário de hamster ligadas a nanotubos de carbono recobertas com um polímero parecido com mucina.

Os pesquisadores então testaram seus nanotubos de carbono recobertos com HPA modificada, incubando-os em células de ovário de hamster. A microscopia por fluorescência revelou que os nanotubos de carbono recobertos com HPA modificada interagiu com as células do hamster, o mesmo não acontecendo com os nanotubos revestidos com um polímero diferente - sem a modificação com a aglutinina.

Como um caminho alternativo, os cientistas compuseram a HPA com a superfíce das células das cobaias, ao invés de usar os nanotubos de carbono revestidos. A microscopia por fluorescência revelou que este segundo enfoque também resultou em nanotubos de carbono interagindo exclusivamente com as células de hamster.

"Nós seguimos os dois métodos em paralelo porque nós pudemos fazer diferentes experimentos de controle em cada caminho, confirmando que a interação entre os nanotubos e as células foi mediada pela interação HPA-carboidrato," diz Bertozzi.

Personalizando as interações

Nanotubos de carbono biocompatíveis
Uma mucina sintética polimérica montada sobre um nanotubo de carbono em meio aquoso por meio da interação hidrofóbica entre as extremidades de lípidio dos polímeros e a superfície do nanotubo. Nanotubos de carbono revestidos com o polímero C18-α-MM são solúveis em água.

A cobertura de glicopolímero (C18-α-MM, um açúcar α-N-acetilgalactosamina com uma extremidade de lipídio C18) continuou grudada nos nanotubos de carbono por vários meses e manteve as células seguras contra sua citoxicidade. Por meio da introdução de vários ligantes e açúcares alternativos aos glicopolímeros, a tecnologia essencialmente torna possível programar os nanotubos de carbono para interagir seletivamente com as células-alvo.

"Selecionando diferentes mucinas para sintetizar, pode-se produzir uma grande variedade de comportamentos personalizados, tais como a ligação somente com células cancerosas ou injetar organelas específicas no interior das células. Eu acredito que este é um passo gigantesco que irá abrir as portas para a utilização dos nanotubos em aplicações biológicas," diz Zettl.

Bertozzi acrescenta: "Agora que nós sabemos que nossos glicopolímeros podem tanto se solubilizar e também tornarem os nanotubos de carbono biopassíveis, nós estamos dando o próximo passo, examinando as várias formas pelas quais nós podemos empregar os nanotubos revestidos. Uma idéia que estamos analisando é usar os nanotubos como sensores de analitos produzidos por células em resposta a vários estímulos."

Bibliografia:

Interfacing Carbon Nanotubes with Living Cells
Xing Chen, Un Chong Tam, Jennifer L. Czlapinski, Goo Soo Lee, David Rabuka, Alex Zettl, Carolyn R. Bertozzi
Journal of the American Chemical Society
26 April 2006
Vol.: vol. 128 no. 19 - 6292-6293
DOI: 10.1021/ja060276s S0002-7863(06)00276-9




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