Aproveitando Nanomateriais para Terapias Regenerativas Avançadas

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

Um exemplo famoso é a autocura de Wolverine. Embora ainda estejamos longe de alcançar tal feito, às vezes são precisamente essas fantasias que impulsionam os avanços científicos, e talvez em breve possamos torná-las 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 atingir o nível de personagens da Marvel na regeneração de nossos corpos, precisamos elevar o nível e levar nossa tecnologia ao próximo patamar; e parece que começamos com o pé direito.

Cientistas desenvolveram uma nova estratégia que ajuda o corpo humano a regenerar seus próprios tecidos usando abordagens baseadas em nanomateriais para controlar o crescimento celular, a resposta imune e a remodelação tecidual.

Este 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 encolhido 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 ao uni-los 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 todo tipo de contingência, como renovação de tecidos após uma lesão, e ajuda a controlar desequilíbrios ambientais, eliminando toxinas do metabolismo ou substâncias estranhas nocivas.

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

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

Infelizmente, o sistema imunológico frequentemente reconhece o material como uma entidade estranha ao nosso corpo e tenta isolá-lo criando uma parede ao redor composta por tecidos conjuntivos fibrosos através de um processo conhecido como fibrose. Este é um material pobre em células, mas rico em moléculas (macromoléculas como colágeno ou fibrina) que suportam as células estruturalmente. Tem propriedades significativamente diferentes das do tecido original. Muitos de vocês reconheceriam como um tecido cicatricial se sente rígido comparado à 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) Hypertrophic Scar Formation Following Burns and Trauma: New Approaches to Treatment. PLoS Med 4(9): e234. doi:10.1371/journal.pmed.0040234 – https://www.plosmedicine.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pmed.0040234

Destacado 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 usar biomateriais para construir andaimes (estruturas de suporte a serem colonizadas pelas próprias células do paciente) a partir de moléculas, como colágeno. Infelizmente, se implantarmos um andaime composto apenas de fibras de colágeno, o corpo acaba reabsorvendo este material e, na melhor das hipóteses, substituindo-o por fibrose.

Isso pode nos interessar se quisermos criar uma "cicatriz artificial", por exemplo, para reparar a parede abdominal após uma hérnia; no qual poderíamos usar uma Malha Phasix™ feita de Poli-4-hidroxibutirato (P4HB) para corrigir o defeito da parede.

Para alcançar a integração funcional de qualquer implante, devemos impulsionar 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 'transportadores' para entregar as biomoléculas e como sinais para impulsionar este processo.

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

Poderia nós controlar o sistema imunológico?

Por exemplo, a combinação de nanomateriais e anticorpos pode ser usada para aumentar a resposta imune, como na luta contra o câncer (nanopartículas de óxido de ferro modificadas com anticorpos).

Alguns nanomateriais em si já têm efeitos inibitórios ou estimuladores diretos (dependendo do material) na 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 parar um ataque do sistema imunológico a ele. [1]

Figura 2 Nanomateriais com efeitos inibitórios diretos na resposta imune Ngobili Terrika A, Daniele Michael A. Nanoparticles and direct immunosuppression.1 May, 2016 Experimental Biology and Medicine 106 Volume: 241 issue: 10, pages: 1064-1073 ; 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 duas razões principais para querer revestir a superfície de um implante: ou para aumentar sua biocompatibilidade (para evitar que o sistema imunológico o ataque) ou para fixar biomoléculas que estimulem e direcionem a proliferação celular (para substituir o implante pelo próprio tecido do paciente).

A ideia de implantar um andaime 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 o campo médico. Tais andaimes ainda estão na fase de pesquisa, mas é apenas uma questão de anos antes de potencialmente começarmos a vê-los entrar na prática clínica.

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

Mas como podemos fazer tal revestimento?

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

Imobilização não covalente (INC):

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

Este método fornece uma liberação rápida de biomoléculas, então é mais conveniente quando estamos interessados em uma resposta abrupta, mas de curta duração. Sua maior vantagem, além disso, é seu baixo custo de fabricação.

INC pode ser aplicada tanto por adsorção (pequenas partículas de tamanhos entre 500 Å 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, agar 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 é o enclausuramento da biomolécula, que pode ser facilmente realizado usando polímeros, como agarose, poli(etilenoglicol) (PEG), ou poli(N-vinilpirrolidona) (PVP).

Um exemplo deste método é o uso de um andaime de polissulfona preenchido com uma solução de gel de agarose infundida com biomoléculas para guiar a regeneração de fibras nervosas e reduzir inflamação [4].

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

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

Imobilização covalente (IC)

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 de reticulação; esses são compostos químicos que reagem a uma condição física (calor, luz...) e nos ajudam a criar uma ligação que poderia ligar, por exemplo, uma cadeia polimérica a outra (podemos imaginá-los como grilhões que são fechados 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 de longo prazo e estável.

A principal vantagem deste método é que ele nos permite realizar diferenciação tecidual estratificada. 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 diferencialmente.

Como elemento base, andaimes de colágeno-glicosaminoglicano (CG) podem ser usados (usando carbodiimida como agente de reticulação dada a ubiquidade de 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 de superfícies de liga NiTi [5].

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

Processos alternativos de fotolitografia também foram projetados, por exemplo, o Instituto Fraunhofer de Engenharia de Interface e Biotecnologia usa um método que consiste em anexar fatores de crescimento a andaimes CG usando benzofenona (BP). [6, 7]

Outro alvo mais seletivo, devido à sua menor ubiquidade em relação ao grupo NH2, é o grupo SH. Reticuladores baseados em sulfidrila são amplamente usados 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 de Enzima 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

Portanto, 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 de perfil de liberação da biomolécula que você deseja alcançar. A melhor abordagem é uma combinação de diferentes métodos de conjugação, levando em conta que o sistema imunológico não tem natureza estática. Ele mostra uma variação dinâmica ao longo do tempo.

O revestimento de implantes usando nanomateriais (ou complexos nanomateriais-biomoléculas) para aumentar a biocompatibilidade de implantes é amplamente usado hoje em dia. No entanto, este fato contrasta fortemente com o caso de fabricação de andaimes com concentração estratificada de biomoléculas encapsuladas ou ligadas. Apesar da enorme quantidade de atividade neste campo, não há muitas empresas hoje que forneçam esses andaimes, e há muitas ações regulatórias ainda a serem abordadas antes de levar esses produtos ao mercado.

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