Artigo em destaque: Delivery de genes com nanomateriais funcionalizados.


Artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Functionalized nanomaterials: are they effective to perform gene delivery to difficult-to-transfect cells with no cytotoxicity? Tonelli, F.M.P. ; Lacerda, S. M. S. N.; Paiva, N. C. O.; Pacheco, F. G.; Scalzo Junior, S. R. A.; de Macedo, F. H. P.; Cruz, J. S.; Pinto, M. C. X.; Correa Junior, J. D.; Ladeira, L. O.; França, L. R.; Guatimosim, S.; Resende, R. R. Nanoscale, 2015,7, 18036-18043. DOI: 10.1039/C5NR04173B.

Delivery de genes com nanomateriais funcionalizados

Nanomateriais podem ser úteis em processos nos quais o ser humano introduz genes (segmentos de DNA) de maneira controlada em determinadas células. Esses processos são chamados de transfecções, e podem ter como objetivo a cura de uma doença provocada pela falta de um gene (terapia génica) ou a obtenção de organismos transgênicos, citando apenas alguns exemplos.

Em um estudo realizado no Brasil por uma equipe multidisciplinar, foi testada a eficiência de diversos nanomateriais para entregar genes a diferentes tipos de células de camundongos e de humanos, todas consideradas de difícil transfecção.

Resultados do trabalho foram recentemente publicados em forma de communication no periódico científico Nanoscale e foram objeto de pedidos de patente sobre usos afins submetidos ao INPI.

A pesquisa, que foi realizada em apenas 6 meses, contando desde o delineamento do projeto até a submissão do artigo, envolveu o trabalho de 13 cientistas da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), que estavam organizados numa rede de pesquisa em Nanobiotecnologia iniciada em parceria com a FAPEMIG. “A multidisciplinaridade do grupo foi essencial para a realização do trabalho em curto intervalo de tempo e de maneira a ser aceito para publicação na Nanoscale”, conta Rodrigo Resende, professor do Departamento de Bioquímica e Imunologia da UFMG e autor correspondente do artigo publicado na Nanoscale.

Painel de fotos dos autores do artigo. Da esquerda para a direita e de cima para baixo: Fernanda Tonelli, Nicole Paiva, Mauro Xavier, Rodrigo Resende, Samyra Nassif, Luiz França, Sérgio Scalzo, Silvia Guatimosim, Flávia Pacheco, Luiz Ladeira, José Dias, Jader Cruz.

 A ideia que deu origem à pesquisa surgiu a partir da dissertação de Fernanda Maria Policarpo Tonelli, desenvolvida com orientação de Resende para a obtenção do diploma de mestre em Bioquímica e Imunologia. “O trabalho envolveu espermatogônias-tronco de tilápias (cultura primária), que são células de difícil transfecção”, relata o professor. “Ao tentar entregar genes de interesse a estas células, percebeu-se que esta era tarefa árdua”, conta. Quando a estudante conferiu que o uso de nanotubos de carbono de paredes múltiplas funcionalizados facilitou o processo, surgiu a ideia de verificar sistematicamente a capacidade de uma série de nanomateriais funcionalizados para entregar genes a células de difícil transfecção.

De fato, nanomateriais são interessantes candidatos a veículos de entrega de genes, não apenas pela variedade de tamanhos, formatos e propriedades que podem ser obtidos por meio da funcionalização e dos diversos métodos de síntese, mas também por oferecerem alta proteção ao gene que devem entregar. “Previnem a degradação do ácido nucleico durante o tráfego extra e intracelular”, diz Resende. “Além disso, dentre os nanomateriais, os nanobastões de ouro oferecem ainda uma característica muito útil ao gene delivery: a possibilidade de liberação fototérmica; ou seja, a liberação de genes pode ser induzida com incidência de luz no comprimento de onda correto sobre o nanocomplexo”, completa o professor.

Para realizar a pesquisa experimental que originou o artigo da Nanoscale, Resende e seus colaboradores procederam à fabricação de alguns nanomateriais. Assim, nanotubos de carbono, nanobastões de ouro, nanodiamantes e óxido de nanografeno foram sintetizados no Laboratório de Nanomateriais do Instituto de Ciências Exatas e no Laboratório de Sinalização Celular e Nanobiotecnologia da UFMG, enquanto nanocompósitos de fosfato foram produzidos no Laboratório de Interações Químico-biológicas e Reprodução Animal do Departamento de Morfologia da mesma universidade.

Na sequência, todos os nanomateriais foram funcionalizados; ou seja, grupos de átomos foram adicionados a suas superfícies de modo a conseguir determinadas propriedades químicas nos materiais. Essa parte da pesquisa, assim como quase todos os experimentos seguintes, foi realizada no Laboratório de Sinalização Celular e Nanobiotecnologia do Departamento de Bioquímica e Imunologia, e no Laboratório de Biologia Celular do Departamento de Morfologia, sempre na UFMG. A efetiva funcionalização dos nanomateriais foi confirmada por análises de espectroscopia no infravermelho próximo por transformada de Fourier (FI-NIR), realizadas no Centro de Desenvolvimento de Tecnologia Nuclear (CDNT), localizado no campus da UFMG. Graças à funcionalização, os nanomateriais grudaram ao DNA que continha o gene de interesse, formando nanocomplexos.

Então, células de difícil transfecção, de camundongos e de humanos, obtidas em laboratórios dos departamentos de Fisiologia e Farmacologia e de Bioquímica e Imunologia da UFMG, foram expostas aos nanocomplexos.

Finalmente, os cientistas observaram, para cada material e para cada tipo de célula estudada, se o gene de interesse tinha ingressado na célula e se estava realizando suas funções na nova morada.

Esquema das etapas principais do estudo. Os nanomateriais foram funcionalizados para associarem-se ao DNA plasmidial contendo o gene de interesse (neste caso o gene da proteína fluorescente ciano). As células de difícil transfecção foram então expostas aos nanocomplexos nanomaterial funcionalizado – DNA plasmidial, e observou-se a expressão de proteína fluorescente.

Os resultados publicados na Nanoscale mostram que, de modo geral, os nanomateriais são bons veículos de entrega de genes para células de difícil transfecção, igualando ou superando, em alguns casos, a capacidade de reagentes disponíveis no mercado. Detalhe: a síntese dos nanomateriais tem custo inferior à compra de alguns reagentes.

Além disso, os autores da communication conferiram a citotoxicidade de cada nanomaterial frente às diversas células estudadas, e puderam determinar as respectivas taxas de morte celular. Os cientistas concluíram que, em concentrações adequadas, os nanomateriais estudados têm baixa citotoxicidade.

Essas descobertas da equipe da UFMG já podem ser aplicadas em pesquisas que envolvem gene delivery. “Por exemplo, caso se deseje estudar a função de uma determinada proteína em cardiomiócitos e seja necessário se fazer a expressão dessa proteína nestas células, nanotubos de carbono de paredes múltiplas funcionalizados são uma opção mais eficiente que a lipofecção com o reagente comercial Lipofectamina 2000”, ilustra o professor.

“Quanto a aplicações um pouco mais distantes, também encontra-se uma possibilidade de adaptação da metodologia para viabilização de terapia gênica e também transgenia mediada por nanomateriais”, continua Resende, que comenta que seu grupo de pesquisa já está realizando estudos complementares in vitro e in vivo para desenvolver essas aplicações.

De acordo com Resende, outro desdobramento do artigo pode surgir perante a diferença de comportamento observada nas diferentes células frente a diferentes nanomateriais. “Isso oferece a possibilidade de desenvolver estudos a respeito de como os genes entregues são internalizados por cada célula e por qual razão há a diferença de eficiência observada em nosso estudo”, diz o professor.

A pesquisa foi financiada com recursos do CNPq, FAPEMIG, INCT de Nanomateriais de Carbono e Instituto Nanocell, uma entidade independente fundada pelo grupo de pesquisa do professor Rodrigo Resende para a promoção da ciência e educação.