O artigo científico de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é:

Uéslen Rocha, Carlos Jacinto da Silva, Wagner Ferreira Silva, Ilde Guedes, Antonio Benayas, Laura Martínez Maestro, Mónica Acosta Elias, Enrico Bovero, Frank C. J. M. van Veggel, José Antonio García Solé, and Daniel Jaque. Subtissue Thermal Sensing Based on Neodymium-Doped LaF3 Nanoparticles. ACS Nano, 2013, 7 (2), PP. 1188-1199. DOI: 10.1021/nn304373q.

 

Texto de divulgação: Feitos um para o outro.

Uma equipe de pesquisadores de instituições do Brasil, Canadá, Espanha e México reuniu as competências necessárias para realizar um trabalho de nanobiofotônica e avançar em suas aplicações biológicas, no campo da saúde. Os resultados da pesquisa foram publicados na edição de fevereiro do periódico ACS Nano.

Os cientistas analisaram diversas propriedades de nanopartículas de fluoreto de lantânio dopadas com neodímio (Nd³⁺:LaF₃), provando que elas são sumamente adequadas para uma série de aplicações, principalmente para usá-las como nanotermômetros que atuam dentro de tecidos biológicos.

Realizar o monitoramento da temperatura dentro dos tecidos é essencial, por exemplo, em tratamentos contra o câncer que se baseiam no aquecimento (hipertermia) das células cancerígenas com o objetivo de matá-las ou enfraquecê-las. Nesses tratamentos por hipertermia, a temperatura local deve ser controlada de maneira precisa para minimizar os danos colaterais que podem se produzir nos tecidos saudáveis próximos ao alvo do tratamento.

O conhecimento da temperatura local dos tecidos também é uma ferramenta importante no diagnóstico precoce do câncer, desde que os tumores apresentam temperaturas singulares que, se detectadas, permitem localizá-los em estágios iniciais de desenvolvimento.

As nanopartículas

As nanopartículas de fluoreto de lantânio são sintetizadas de uma forma bastante simples e rápida e possuem um conjunto de propriedades interessantes. “É importante salientar que essas nanopartículas foram desenvolvidas e estudadas por nós buscando uma potencial aplicação biológica devido às suas propriedades ópticas”, destaca um dos autores do artigo, o professor Carlos Jacinto, da Universidade Federal de Alagoas (UFAL).

As nanopartículas em questão têm íons luminescentes (emitem fótons quando absorvem radiação), sendo os íons emissores os Nd³⁺ (neodímio). Quando estão em interação com sistemas biológicos, as emissões desse íon têm um desempenho notável em termos de luminescência, já que os fótons emitidos apresentam reduzidos efeitos de absorção por tecidos, água e sangue e sofrem pouco espalhamento dentro do tecido. Naturalmente, essas emissões dependem da matriz onde o íon está. Neste caso, o fluoreto de lantâneo (LaF₃) apresenta certas propriedades que favorecem as emissões. Essas propriedades ópticas do íon podem ser ainda mais otimizadas acrescentando ao núcleo (core) dopado com terras raras (no caso, o neodímio) uma casca (shell) não dopada, sistema cientificamente conhecido como core-shell (sendo Nd³⁺:LaF₃ o core, e LaF₃ o shell).

Outra vantagem do sistema estudado é que ele não exige muita potência da fonte de radiação para ser excitado. “Os níveis de potências exigidos são mínimos e podemos usar lasers de diodo CW, que são baratos e comerciais”, afirma o professor Jacinto.

Além de terem bom desempenho luminescente em tecidos biológicos, as nanopartículas pesquisadas apresentam uma destacada capacidade como sensores térmicos, ou nanotermômetros. O princípio de funcionamento desses nanotermômetros se baseia na modificação de seu espectro de luminescência devido às variações térmicas. Assim, a análise do espectro gerado pela nanopartícula fornece informação sobre a temperatura local do sistema biológico na qual está incorporada, como ilustra esta figura:

Feitos um para o outro

Uma das descobertas mais positivamente surpreendentes veio quando a equipe de cientistas verificou experimentalmente que existia uma coincidência entre os comprimentos de onda bem aceitos pelo tecido biológico e os que possibilitavam uma boa excitação (cerca de 800 nm) e emissão de luminescência (cerca de 870 nm) por parte das nanopartículas. Essa característica permitiu que os pesquisadores obtivessem uma excitação e uma captação da emissão a uns 2 mm de profundidade dentro do tecido, o que pode ser considerado uma boa penetração.

Mais uma feliz coincidência foi apontada durante a pesquisa quando os cientistas observaram uma boa sensibilidade térmica das nanopartículas com relação às temperaturas da chamada “região biológica” (de 20 a 45 °C). Outros materiais apresentam essa sensibilidade (deslocamento espectral) com temperaturas muito altas ou muito baixas, não compatíveis com sistemas biológicos.

A partir dessa série de compatibilidades das nanopartículas de fluoreto de lantânio com tecidos biológicos, a equipe continuou avançando em seu uso em tratamentos por hipertermia.

Os cientistas montaram um aparato experimental composto por nanobastões de ouro agindo como aquecedores de tecidos e as nanopartículas em questão atuando como termômetros para monitorar a temperatura da hipertermia gerada. Nos experimentos foi usado, no lugar do tecido biológico, um material produzido artificialmente para imitar as propriedades ópticas de um tecido humano – um tecido fantoma.

O sistema apresentou mais uma característica muito positiva: tanto os nanotermômetros quanto os nanoaquecedores foram excitados de maneira eficiente e simultânea pela mesma radiação (de 808 nm de comprimento de onda) proveniente de um laser que foi direcionado para eles usando uma objetiva de microscópio. A luminescência gerada pelos nanotermômetros foi coletada com a mesma objetiva do microscópio, contribuindo com o caráter compacto do aparato experimental.

Dessa maneira, os cientistas conseguiram provar a viabilidade de um sistema simples e, em princípio, econômico para hipertermia de tecidos biológicos com acompanhamento da temperatura em tempo real.

A equipe de trabalho

“Este é um trabalho científico bem completo na área de nanobiofotônica, ou seja, requer conhecimentos de fotônica, nanomateriais, sínteses, espectroscopia, biomedicina etc.”, afirma o professor Carlos Jacinto. Para a publicação do artigo na ACS Nano, a rede de cooperação científica montada para atender esses requerimentos incluiu grupos das seguintes instituições: a Universidade Federal de Alagoas (Brasil), que contribuiu com as medidas fototérmicas e espectroscópicas; a Universidade de Victoria (Canadá), na síntese dos nanomateriais; a Universidade Autônoma de Madrid (Espanha), com medidas espectroscópicas nos tecidos fantoma; a Universidade Federal do Ceará (Brasil), com algumas medidas espectroscópicas em aparelhos de alta sensibilidade, e a Universidade de Sonora (México), por meio da participação de uma pesquisadora na síntese dos tecidos fantoma.

O primeiro autor, Uéslen Rocha, é estudante de doutorado do professor Carlos Jacinto e foi o principal executor das medidas, muitas delas realizadas no marco de seu doutorado sanduíche na Universidade Autônoma de Madrid (UAM), instituição com a qual o professor Jacinto colabora desde 2005. “A UAM com seu quadro excelente e completo de pesquisadores em várias áreas tem possibilitado fazermos trabalhos bem mais completos”, comenta o professor.

Com o grupo da Universidade de Victoria, as colaborações iniciaram com o interesse do professor van Veggel, especialista em síntese de nanopartículas de fluoreto de lantânio dopadas com terras raras, nos trabalhos do professor Jacinto em medidas quantitativas de eficiência quântica de fluorescência usando técnica fototérmica. Atualmente, a síntese dos nanomateriais é feita na UFAL.

Continuidade da pesquisa

O professor Carlos Jacinto relata que a equipe chegou a investigar o nível de toxicidade do material das nanopartículas. “Vimos que ele é desprezível, sugerindo sua biocompatibilidade”, diz. “Também já fizemos experimentos in vivo e in vitro em outro trabalho, que está submetido para publicação e que contou com a participação de pesquisadores da área biomédica”, comenta. Porém, de acordo com o professor da UFAL, para se chegar à introdução das nanopartículas e nanobastões em seres humanos “muito precisa ser feito ainda, pois existem várias etapas, inclusive burocráticas, para serem vencidas”.

A importância do trabalho feito já tem sido reconhecida não somente pela publicação na prestigiada revista ACS Nano, mas também pelo destaque recebido na Chemical & Engineering News (C&E News).