Nanomateriais para melhorar a medicina regenerativa

Quem nunca viu um filme em que um ser humano pode regenerar seu corpo depois de ser baleado ou esfaqueado?

Um exemplo famoso é o da autocura de Wolverine. Embora ainda estejamos longe de conseguir tal feito, às vezes são justamente essas fantasias que impulsionam os avanços científicos, e talvez em breve possamos torná-los realidade.

Um grande passo nessa direção é a produção de tecidos artificiais para substituir os naturais que foram perdidos ou não são mais funcionais, como uma prótese de titânio.

No entanto, para alcançar o nível dos personagens da Marvel na regeneração de nossos corpos, precisamos aumentar um pouco e levar nossa tecnologia para o próximo nível; e parece que chegamos ao chão correndo.

Os cientistas desenvolveram uma nova estratégia que ajuda o corpo humano a regenerar seus próprios tecidos usando abordagens baseadas em nanomateriais para controlar o crescimento das células, a resposta imune e a remodelação dos tecidos.

Esse novo e empolgante campo da ciência é conhecido como medicina regenerativa .

Deixe-me contar mais sobre isso!

O que os nanomateriais têm a ver com a medicina regenerativa?

Em um de nossos artigos anteriores Nanopartículas magnéticas avançadas para detecção e tratamento do câncer , vimos como quando um material é reduzido a dimensões muito pequenas, ele pode adquirir propriedades radicalmente diferentes. A ciência está conseguindo, dia a dia, encontrar novas aplicações para essas propriedades nanotecnológicas.

Uma das grandes promessas dos nanomateriais é a capacidade de 'modular' a resposta imune unindo-os a biomoléculas humanas (anticorpos, citocinas, hormônios, etc.).

Mas o que significa essa “modulação”?

Controlando a resposta imune

O sistema imunológico é o exército do nosso corpo. E como em qualquer exército, os soldados não são usados ​​apenas para atacar e destruir, mas também como recursos de apoio. Por exemplo, o sistema imunológico lida com todos os tipos de contingências, como a renovação de tecidos após sofrer uma lesão, e ajuda a controlar os desequilíbrios ambientais, eliminando toxinas do metabolismo ou substâncias estranhas nocivas.

Esse controle, ou modulação, é orquestrado por um número infinito de biomoléculas (por exemplo, citocinas, interleucinas e hormônios) cuja concentração atua como um sinal para as células dizendo-lhes como devem se comportar o tempo todo.

Quando usamos um material artificial em um paciente para cobrir uma queimadura, por exemplo, é desejável que ele se integre ao corpo do paciente. Concretamente, gostaríamos que as células do paciente colonizassem e crescessem no novo material para que, eventualmente, fosse substituído pelo próprio tecido do paciente.

Infelizmente, o sistema imunológico geralmente reconhece o material como uma entidade estranha ao nosso corpo e tenta isolá-lo criando uma parede em torno dele composta de tecidos conjuntivos fibrosos por meio de um processo conhecido como fibrose. Este é um material pobre em células, mas rico em moléculas (macromoléculas como colágeno ou fibrina) que sustentam as células estruturalmente. Tem propriedades que são significativamente diferentes das do tecido original. Muitos de vocês reconheceriam a rigidez de um tecido cicatricial em comparação com a pele normal. Uma cicatriz localizada em uma articulação pode até impedir seu movimento.


Figura 1 Formação de cicatriz hipertrófica com contratura articular Aarabi S, Longaker MT, Gurtner GC (2007) Formação de cicatriz hipertrófica após queimaduras e trauma:novas abordagens para o tratamento. PLoS Med 4(9):e234. doi:10.1371/journal.pmed.0040234 – http://www.plosmedicine.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pmed.0040234

Destaque em meu artigo anterior Do PLA à bioimpressão:ferramentas de ficção científica para o campo médico , uma estratégia para lidar com essa rejeição pelo sistema imunológico é utilizar biomateriais para construir scaffolds (estruturas de suporte a serem colonizadas pelas próprias células do paciente) a partir de moléculas, como o colágeno. Infelizmente, se implantarmos um scaffold composto apenas por fibras de colágeno, o corpo acaba reabsorvendo esse material e, no melhor dos casos, substituindo-o por fibrose.

Isso pode nos interessar se quisermos criar uma “cicatriz artificial”, por exemplo, para reparar a parede abdominal após uma hérnia; em que poderíamos usar, uma malha Phasix™ feita de Poli-4-hidroxibutirato (P4HB) para remendar o defeito da parede.

Para alcançar a integração funcional de qualquer implante, devemos conduzir a diferenciação celular (ou seja, dar a cada célula seu tipo e função específicos) e evitar a possibilidade de o sistema imunológico rejeitar o implante. Podemos fazer isso usando nanomateriais como ‘portadores’ para entregar as biomoléculas e como sinais para conduzir esse processo.

Mas e se pudéssemos imobilizar ou direcionar essas biomoléculas para qualquer lugar que quisermos?

Podemos controlar o sistema imunológico?

Por exemplo, a combinação de nanomateriais e anticorpos pode ser usada para impulsionar a resposta imune, como no combate ao câncer (nanopartículas de óxido de ferro modificadas por anticorpos).

Alguns nanomateriais já possuem efeitos inibitórios ou estimulantes diretos (dependendo do material) sobre a resposta imune (metais nobres, nanopartículas de óxido metálico, óxido de cério ou dendrímeros são alguns exemplos). Assim, simplesmente revestindo a superfície de um implante com essas nanopartículas, podemos realmente impedir um ataque do sistema imunológico a ele. [1]


Figura 2 Nanomateriais com efeitos inibitórios diretos na resposta imune Ngobili Terrika A, Daniele Michael A. Nanopartículas e imunossupressão direta. https://doi.org/10.1177/1535370216650053 https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/1535370216650053

Estratégias para imobilizar nanomateriais e biomoléculas em superfícies de implantes

Como já mencionamos, existem dois motivos principais para querer revestir a superfície de um implante:ou aumentar sua biocompatibilidade (para evitar que o sistema imunológico o ataque) ou fixar biomoléculas que estimulam e direcionam a proliferação celular (para substituir o implante com tecido do próprio paciente).

A ideia de implantar um scaffold biodegradável (revestido com fatores de crescimento) para ser substituído ao longo do tempo pelo tecido do paciente é um assunto que já discutimos em Do PLA à Bioimpressão:ferramentas de ficção científica para a área médica> . Tais andaimes ainda estão em fase de pesquisa, mas é apenas uma questão de anos antes de potencialmente começarmos a vê-los entrando na prática clínica.



Aumentar a biocompatibilidade de materiais estranhos é uma necessidade atual para a indústria. Para garantir que o corpo humano não rejeite um biomaterial implantado, temos que colar o revestimento (nanomateriais ou complexos biomolécula-nanomateriais) que regula o sistema imunológico à superfície do nosso implante. Assim, quando uma célula do sistema imunológico se aproxima muito dela, o revestimento inibe a célula e impede a geração de uma reação inflamatória ao redor do implante.

Mas como podemos fazer esse revestimento?

Existem basicamente duas maneiras de "colar" o revestimento a um implante:imobilização não covalente e imobilização covalente.

Imobilização não covalente (NCI):

O NCI é a estratégia mais simples e barata para revestir o implante, mas depende muito de quão hidrofílico é o material do implante. Baseia-se nas cargas eletrostáticas que gerariam uma força de atração entre o material que estamos implantando e o revestimento.

Este método fornece uma rápida liberação de biomoléculas, por isso é mais conveniente quando estamos interessados ​​em uma resposta abrupta, mas de curta duração. Sua maior vantagem, aliás, é o baixo custo de fabricação.

O NCI pode ser aplicado por adsorção (pequenas partículas de tamanhos entre 500 µ e 1 mm aderindo à superfície) ou aprisionamento (partículas aprisionadas em uma matriz porosa). [2]

No aprisionamento, a matriz é feita com polímeros solúveis em água, como carragenina, colágeno parcialmente hidrolisado (gelatina), alginato, ágar ou triacetato de celulose.[2, 3]

Mas o que acontece quando o material do implante é hidrofílico e a biomolécula é hidrofóbica (ou vice-versa)?

Uma ideia simples pode ser uma solução eficaz:encapsulamento da biomolécula!



Encapsulamento no enclausuramento da biomolécula, que pode ser facilmente realizado com polímeros, como agarose, poli(etilenoglicol) (PEG) ou poli(N-vinilpirrolidona) (PVP).

Um exemplo desse método é o uso de uma estrutura de polisulfona preenchida com uma solução de gel de agarose infundida com biomoléculas para guiar a regeneração das fibras nervosas e reduzir a inflamação [4].

Além disso, se o scaffold não for bastante hidrofílico, a melhor estratégia para imobilizar a biomolécula é encapsulá-la em uma fase aquosa separada por meio de um processo chamado água-em-óleo-em-água (ou emulsão dupla). Também podemos realizar a absorção direta na superfície do material usando solventes orgânicos.

Um exemplo de polímero hidrofóbico amplamente utilizado na imobilização de biomoléculas como fatores hormonais ou mesmo drogas é o poli(ácido lático-co-glicólico) (PLGA).

Imobilização covalente (CI)

A imobilização covalente consiste em criar uma ligação irreversível entre nossas biomoléculas específicas e o polímero do qual nosso implante é feito usando o que chamamos de agentes reticulantes; são compostos químicos que reagem a uma condição física (calor, luz…) e nos ajudam a criar um vínculo que pode ligar, por exemplo, uma cadeia polimérica a outra (poderíamos imaginá-los como grilhões que se fecham usando luz ou calor para ligar ambos os polímeros).

Este método leva a um efeito muito menos abrupto no sistema imunológico, embora seja muito mais duradouro; portanto, é preferível usá-lo quando estamos interessados ​​em uma resposta estável e de longo prazo.

A grande vantagem deste método é que ele nos permite realizar a diferenciação estratificada do tecido. Isso significa que podemos projetar diferentes pontos de ligação em nosso andaime para diferentes fatores, criando regiões com diferentes concentrações de biomoléculas para promover um tecido estruturado de forma diferenciada.

Como elemento base, scaffolds de colágeno-glicosaminoglicano (CG) podem ser usados ​​(usando carbodiimida como reticulante dada a onipresença dos grupos NH2 em sua superfície).

Um exemplo de imobilização covalente seria a conjugação de polietilenimina (PEI) com heparina para criar uma bainha a fim de aumentar a biocompatibilidade das superfícies de ligas de NiTi [5].

Um método de reticulação que vem ganhando importância nos últimos anos é o uso de Acrilatos para polimerizar hidrogéis de PEG. Os acrilatos são grupos funcionais sensíveis à luz ultravioleta. Esses grupos podem ser adicionados a peptídeos (ou outros fatores de crescimento), orientando assim a síntese por fotopolimerização de scaffolds compostos por híbridos polímero-biomoléculas. A possibilidade de integrar este processo com a impressão 3D para dar um padrão estrutural ao nosso scaffold está tornando a fotopolimerização um dos métodos mais relevantes para imobilizar biomoléculas.

Processos alternativos de fotolitografia também foram projetados, por exemplo, o Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology usa um método que consiste em anexar fatores de crescimento a andaimes de CG usando benzofenona (BP). [6, 7]

Outro alvo mais seletivo, devido à sua menor ubiquidade em relação ao grupo NH2, é o grupo SH. Os reticulantes à base de sulfidrila são amplamente utilizados para criar um revestimento que inibe a ativação do complemento (um componente muito importante do sistema imunológico) contra nosso enxerto [8].


Figura 3 Exemplo de imobilização enzimática por ligação covalente Fu J, Reinhold J, Woodbury NW (2011) Peptide-Modified Surfaces for Enzyme Immobilization. PLoS ONE 6(4):e18692. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0018692 https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0018692

Conclusões

Assim, claramente existem diferentes estratégias para imobilizar biomoléculas na superfície de um material para controlar a resposta imune ou o processo de diferenciação.

Antes de escolher um método de imobilização, é importante conhecer as propriedades do material que você vai usar e a curva do perfil de liberação de biomoléculas que você deseja alcançar. A melhor abordagem é uma combinação de diferentes métodos de conjugação, tendo em conta que o sistema imunitário não tem uma natureza estática. Mostra uma variação dinâmica ao longo do tempo.

O revestimento de implantes utilizando nanomateriais (ou complexos nanomateriais-biomoléculas) para aumentar a biocompatibilidade dos implantes é amplamente utilizado atualmente. No entanto, este fato contrasta fortemente com o caso de fabricação de scaffolds com concentração estratificada de biomoléculas encapsuladas ou ligadas. Apesar da enorme atividade neste campo, não existem hoje muitas empresas que fornecem esses andaimes, e há muitas ações regulatórias ainda a serem abordadas antes de trazer esses produtos ao mercado.

Isso significa que teremos que esperar um pouco mais para poder realizar uma cicatrização completa sem cicatriz. Mas a espera, muito provavelmente, não será longa. Essa tecnologia promissora pode muito bem ser usada na prática médica diária em poucos anos.