Artigo em destaque: Nanoplataforma magneto-luminescente de baixa toxicidade.


O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Fe3O4@SiO2 Nanoparticles Concurrently Coated with Chitosan and GdOF:Ce3+,Tb3+ Luminophore for Bioimaging: Toxicity Evaluation in the Zebrafish Model. Latif U. Khan, Gabriela H. da Silva, Aline M. Z. de Medeiros, Zahid U. Khan, Magnus Gidlund, Hermi F. Brito, Oscar Moscoso-Londoño, Diego Muraca, Marcelo Knobel, Carlos A. Pérez, Diego Stéfani T. Martinez. ACS Appl. Nano Mater. 2019, 2,6, 3414-3425. https://doi.org/10.1021/acsanm.9b00339.

Nanoplataforma magneto-luminescente de baixa toxicidade

Capa da ACS Applied Nano Materials destacando o artigo da equipe brasileira.
Capa do periódico científico destacando o artigo.

Em um trabalho de pesquisa realizado em uma série de laboratórios brasileiros, uma equipe científica multidisciplinar desenvolveu um nanomaterial magnético, luminescente e capaz de se ligar quimicamente a moléculas de interesse, como fármacos ou proteínas. O nanomaterial também apresentou baixa toxicidade em testes com organismos vivos. Tendo esse conjunto de características, o novo material pode ser visto como uma nanoplataforma multifuncional, promissora para o desenvolvimento de diversas aplicações, principalmente nas áreas de biotecnologia, saúde e ambiente. O estudo foi reportado em artigo publicado na ACS Applied Nano Materials (periódico da American Chemical Society lançado em 2018), e destacado em capa da edição de junho da revista.

As propriedades dessa nanoplataforma provêm da presença de diversos compostos e elementos com propriedades distintas: nanopartículas de óxido de ferro (Fe3O4, conhecido como magnetita) responsáveis pelo magnetismo; íons de elementos lantanídeos (Gd3+, Ce3+ e Tb3+, conhecidos como terras raras) responsáveis pela luminescência ou emissão de luz, e quitosana (biopolímero obtido a partir do exoesqueleto de crustáceos), fundamental para propiciar, na superfície na nanoplataforma, as ligações químicas com moléculas externas de interesse.

A nanoplataforma foi desenvolvida no Laboratório Nacional de Nanotecnologia do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (LNNano – CNPEM). O processo utilizado para sua síntese abrange uma série de etapas. Inicialmente, as nanopartículas de óxido de ferro que formam o núcleo das nanoplataformas são sintetizadas e revestidas com dióxido de silício (SiO2). Depois, os elementos luminescentes e a quitosana são incorporados às nanopartículas formando uma camada externa. O resultado são nanoplataformas de aproximadamente 170 nm de diâmetro (em média), denominada Fe3O4@SiO2/GdOF:xCe3+,yTb3+.

À esquerda, ilustração esquemática de uma das nanoplataformas, mostrando seu núcleo. À direita, solução com nanoplataformas sob efeito de um campo magnético (concentradas próximo dos ímãs) e irradiada com luz UV (gerando a emissão de luz verde).
À esquerda, ilustração esquemática de uma das nanoplataformas desenvolvidas, mostrando seu núcleo e a camada externa. No quadro preto à direita, fotografias de soluções aquosas com nanoplataformas. À esquerda do quadro, pode ser visto o efeito de se irradiar a solução com luz ultravioleta: as nanoplataformas emitem luz verde.  À direita, distingue-se o efeito da aplicação de um campo magnético: as nanoplataformas se concentram perto do ímã.

Para estudar as propriedades magnéticas e luminescentes da nanoplataforma e caracterizar sua estrutura e morfologia, participaram do trabalho grupos de pesquisa da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e da Universidade de São Paulo (USP), especialistas nesses estudos.

Além disso, os autores principais do trabalho decidiram avaliar a toxicidade das nanoplataformas com relação a organismos vivos – um passo fundamental quando se pensa em aplicações na área de saúde ou meio ambiente. Os cientistas optaram por realizar um ensaio in vivo bastante consolidado no meio acadêmico, no qual embriões de peixe-zebra, mais conhecidos pelo nome em inglês zebrafish (nome científico Danio rerio), são expostos ao material cuja toxicidade se deseja avaliar. Esses peixes de água doce, de fato, apresentam alta semelhança genética com a espécie humana (cerca de 70%) e, ao mesmo tempo, são mais baratos e fáceis de se estudar do que camundongos ou ratos , entre outras vantagens.

No ensaio de toxicidade, algumas dezenas de ovos de peixe-zebra recém-fecundados foram colocados em meio aquoso contendo as nanoplataformas em diversas concentrações. Os embriões foram examinados em diferentes momentos de seu desenvolvimento usando um microscópio óptico para conferir se ocorria mortalidade, malformação, edema ou mudanças no tamanho. Os testes incluíram embriões com e sem córion (membrana que protege o embrião nos estágios iniciais do desenvolvimento). Os resultados do ensaio, que foi realizado no LNNano, mostraram que as nanoplataformas, mesmo em elevadas concentrações (100 mg/L), apresentam baixa toxicidade para todos os grupos de embriões.

Embriões de zebrafish utilizados nos ensaios de nanotoxicidade. (A) Embriões de 24 horas de idade, na presença e ausência do córion, onde setas indicam o córion (membrana que protege os embriões nos estágios iniciais de desenvolvimento). (B) Embriões após 96 horas de desenvolvimento.
Embriões de zebrafish utilizados nos ensaios de nanotoxicidade. (A) Embriões de 24 horas de idade, na presença e ausência do córion, onde setas indicam o córion (membrana que protege os embriões nos estágios iniciais de desenvolvimento). (B) Embriões após 96 horas de desenvolvimento.

“Este trabalho traz uma contribuição inédita envolvendo a avaliação da toxicidade de nanomateriais híbridos utilizando o modelo zebrafish, um promissor método alternativo em nanotoxicologia, e a influência do córion”, destaca Diego Stéfani Teodoro Martinez , pesquisador do CNPEM no LNNano e um dos autores correspondentes do artigo.

Os embriões também foram analisados no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS – CNPEM) com o objetivo de verificar a distribuição e concentração das nanoplataformas no organismo dos embriões. Para isso, os cientistas utilizaram a técnica de microscopia por fluorescência de raios X com luz sincrotron (SXRF), a qual consegue fazer um mapeamento preciso de determinados elementos químicos em sistemas biológicos. Essa técnica está disponível em uma das estações experimentais do LNLS, coordenada pelo pesquisador Carlos Alberto Pérez, que é um dos autores correspondentes do artigo.

Análises de microscopia de fluorescência de raios X com luz sincrotron (SXRF) dos embriões de zebrafish após exposição à nanoplataforma por 72 horas. (A) Imagem de microscopia óptica dos embriões; (B) Imagem de SXRF dos embriões demonstrando a acumulação da nanoplataforma no trato intestinal; e (C) Espectro de fluorescência de raios-X, demonstrando a co-localização espacial dos elementos Fe e Gd no trato intestinal dos embriões de Zebrafish.
Análises de microscopia de fluorescência de raios X com luz síncrotron (SXRF) dos embriões de zebrafish após exposição à nanoplataforma por 72 horas. (A) Imagem de microscopia óptica dos embriões; (B) Imagem de SXRF dos embriões demonstrando a acumulação da nanoplataforma no trato intestinal; e (C) Intensidade de fluorescência de raios-X ao longo da linha branca indicada em (B), demonstrando a co-localização espacial dos elementos Fe e Gd no trato intestinal dos embriões de zebrafish.

As análises por SXRF mostraram que as nanoplataformas tinham se acumulado nos embriões em função do tempo de exposição, com concentrações maiores no trato gastrointestinal no caso dos embriões que já tinham a boca desenvolvida – um resultado que pode ser significativo, por exemplo, no contexto de aplicações na área de saúde envolvendo a ingestão das nanoplataformas por via oral.

O estudo foi realizado no contexto de um projeto de pós-doutorado do bolsista Latif Ullah Khan, também autor correspondente do artigo. A realização do projeto, afirma Martinez, foi possível graças à disponibilidade de competências e facilidades nos laboratórios multiusuários do CNPEM. Entretanto, parcerias com outros laboratórios também foram fundamentais, acrescenta o pesquisador do CNPEM. Na Unicamp, o grupo do professor Marcelo Knobel realizou os estudos de magnetometria. Na USP, os grupos dos professores Hermi Felinto Brito e Magnus Gidlund fizeram os estudos de luminescência e funcionalização. Finalmente, o professor Diego Muraca (Unicamp) e o pesquisador Jefferson Bettini (CNPEM) contribuíram com a caracterização estrutural e morfológica por técnicas de microscopia eletrônica de transmissão.

“Este artigo surgiu com a união da experiência de diferentes grupos brasileiros; um trabalho interdisciplinar na fronteira do conhecimento em nanobiotecnologia e nanotoxicologia”, diz Martinez, acrescentando que um dos principais desafios do trabalho foi a integração de conhecimentos e técnicas de diferentes áreas, como Materiais, Biologia e Toxicologia, no qual atuaram como coordenadores ele mesmo e Carlos Pérez.

Autores principais do artigo. A partir da esquerda: Latif Khan, Carlos Pérez e Diego Stéfani Martinez.
Autores principais do artigo. A partir da esquerda: Latif Khan, Carlos Pérez e Diego Stéfani Martinez.

O estudo contou com apoio financeiro das agências brasileiras CAPES (inclusive por meio do acordo CAPES-CNPEM), FAPESP e CNPq (inclusive por meio do INCT-Inomat); do Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações (MCTIC) por meio do SisNANO, e The World Academy of Sciences for the advancement of science in developing countries (TWAS). O estudo também contou com apoio financeiro do Centro Brasil-China Pesquisa e Inovação em Nanotecnologia (CBC-Nano).

Aplicações: biotecnologia, saúde e meio ambiente

De acordo com Martínez, a nanoplataforma desenvolvida abre perspectivas para aplicações em biotecnologia, saúde e meio ambiente, como, por exemplo, sistemas para imageamento de tecidos biológicos e células, kits para diagnósticos médicos e sistemas para detecção e remediação de poluentes ambientais.

As aplicações aproveitariam o interessante conjunto de propriedades da nanoplataforma. Por ser magnéticas, usando um ímã externo, as nanoplataformas poderiam ser direcionadas e retidas em determinado tecido biológico ou isoladas de, por exemplo, sangue ou águas contaminadas. Além disso, a luminescência do nanomaterial permitiria a visualização das nanoplataformas dentro dos tecidos biológicos e células de interesse. Finalmente, a presença de quitosana propiciaria a ligação química de fármacos e outras moléculas que serviriam ao diagnóstico e/ou tratamento de doenças. “Todavia, ainda é preciso muitos estudos para aplicações reais e comercialização desta nanoplataforma, uma vez que se trata de um novo material e que precisa ser testado em diferentes modelos futuramente”, esclarece Martinez.