Tecnologia Científica

Nanodispositivos para o cérebro podem impedir a formação de placas de Alzheimer
As pessoas afetadas pela doença de Alzheimer têm um tipo específico de placa, feita de moléculas auto-montadas chamadas peptídeos β-amilóide (Aβ) , que se acumulam no cérebro ao longo do tempo.
Por Savannah Mitchem - 30/04/2020


Imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) de amostras de peptídeo Aβ
na presença de dispositivos nanométricos Aβ (barra de escala: 200 nm). A falta de grãos
na imagem indica a eficácia do nanodispositivo na captura dos peptídeos.
Crédito: Argonne's Center for Nanoscale Materials

A doença de Alzheimer é a sexta principal causa de morte nos Estados Unidos, afetando uma em cada 10 pessoas com mais de 65 anos. Os cientistas estão criando nanodispositivos para interromper os processos no cérebro que levam à doença.

As pessoas afetadas pela doença de Alzheimer têm um tipo específico de placa, feita de moléculas auto-montadas chamadas peptídeos β-amilóide (Aβ) , que se acumulam no cérebro ao longo do tempo. Pensa-se que este acúmulo contribui para a perda de conectividade neural e morte celular . Os pesquisadores estão estudando maneiras de impedir que os peptídeos formem essas placas perigosas, a fim de interromper o desenvolvimento da doença de Alzheimer no cérebro.

Em um estudo multidisciplinar, cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), juntamente com colaboradores do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (KIST) e do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coréia (KAIST), desenvolveram uma abordagem para impedir a formação de placas criando um dispositivo de tamanho nano que captura os peptídeos perigosos antes que eles possam se auto-montar.

"Os peptídeos β-amilóides surgem do colapso de uma proteína precursora de amilóide, um componente normal das células do cérebro", disse Rosemarie Wilton, bióloga molecular da divisão de Biociências de Argonne. "Em um cérebro saudável, esses peptídeos descartados são eliminados".

Nos cérebros propensos ao desenvolvimento da doença de Alzheimer, no entanto, o cérebro não elimina os peptídeos, deixando-os conglomerados nas placas destrutivas.

"A idéia é que, eventualmente, uma pasta de nossos nanodispositivos possa coletar os peptídeos à medida que eles caem das células - antes que eles tenham a chance de se agregar", acrescentou Elena Rozhkova, cientista do Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) de Argonne, Facilidade de Usuário do Office of Science do DOE.

Decorando a superfície

Os pesquisadores cobriram a superfície do novo nanodispositivo com fragmentos de um anticorpo - um tipo de proteína - que reconhece e se liga aos peptídeos Aβ. A superfície do nanodispositivo é esférica e porosa, e suas crateras maximizam a área de superfície disponível para os anticorpos cobrirem. Mais área de superfície significa mais capacidade de capturar os peptídeos pegajosos.

Para encontrar o revestimento ideal, os cientistas pesquisaram primeiro a literatura anterior para identificar anticorpos com alta afinidade pelos peptídeos Aβ. Era importante escolher um anticorpo que atraísse os peptídeos, mas não se ligasse a outras moléculas no cérebro. Em seguida, a equipe, liderada por Wilton, produziu os anticorpos em bactérias e testou seu desempenho.

Uma molécula de anticorpo completa pode ter até algumas dezenas de nanômetros de comprimento, o que é grande no campo da nanotecnologia. No entanto, apenas uma fração desse anticorpo está envolvida na atração dos peptídeos. Para maximizar a eficácia e a capacidade dos dispositivos nanodispositivos, o grupo de Wilton produziu pequenos fragmentos de anticorpos para decorar a superfície dos nanodispositivos.

Engenharia e teste do nanodispositivo

Os cientistas da CNM construíram a base dos nanodispositivos porosos e esféricos a partir de sílica, um material que há muito tempo é utilizado em aplicações biomédicas devido à sua flexibilidade na síntese e à sua não toxicidade no corpo. Revestidos com os fragmentos de anticorpo, os nanodispositivos capturam e prendem os peptídeos Aβ com alta seletividade e força.

"Muitas tentativas de prevenir a doença de Alzheimer se concentraram na inibição de enzimas de cortar peptídeos β-amilóides da superfície da célula", disse Rozhkova, que liderou o projeto na CNM. "Nossa abordagem de eliminação é mais direta. Pegamos os blocos de construção da nanotecnologia e da biologia para projetar uma 'gaiola' de alta capacidade que captura os peptídeos e os limpa do cérebro ".

Na CNM, os cientistas testaram a eficácia dos dispositivos comparando como os peptídeos se comportavam na ausência e presença dos nanodispositivos. Usando microscopia eletrônica de transmissão in vitro (TEM), eles observaram um notável declínio na agregação de peptídeos na presença dos nanodispositivos. Eles analisaram ainda as interações usando microscopia confocal de varredura a laser e medição de termoforese em microescala, duas técnicas adicionais para caracterizar interações em nanoescala.

Os cientistas também realizaram a dispersão de raios-X em ângulo pequeno para estudar os processos que tornam os nanodispositivos porosos durante a síntese. Os pesquisadores realizaram a caracterização de raios-X, liderada por Byeongdu Lee, líder do grupo na divisão de ciências de raios-X de Argonne, na linha de luz 12-ID-B da Fonte de fótons avançados do laboratório (APS), um escritório de ciências do DOE.

Esses estudos corroboraram o fato de que os nanodispositivos sequestram os peptídeos do caminho para a agregação em mais de 90% em comparação com as partículas de sílica de controle sem os fragmentos de anticorpos. No entanto, os dispositivos ainda precisavam demonstrar sua eficácia e segurança nas células e cérebros.

Joonseok Lee - que originalmente propôs esse experimento em Argonne como nomeado pós-doutorado do diretor e foi pioneiro no projeto do nanodispositivo - continuou o estudo do potencial terapêutico desse dispositivo no KIST e no KAIST.

"A posição de pós-doutorado do diretor é uma rara oportunidade oferecida em Argonne que permite projetos de pesquisa exclusivos e colaborações em campos que, de outra forma, não seriam possíveis", disse Rozhkova. "Temos mentes incríveis no laboratório que desejam explorar tópicos que não se enquadram em uma área predefinida de pesquisa, e este programa incentiva essa criatividade e inovação".

Os experimentos in vivo - experimentos que ocorreram em células vivas - realizados por Lee e seus colaboradores mostraram que os nanodispositivos não são tóxicos para as células. Eles também testaram a eficácia dos dispositivos no cérebro de camundongos com Alzheimer, demonstrando cerca de 30% de supressão da formação de placas nos cérebros que contêm os nanodispositivos em comparação aos cérebros de controle. A pesquisa em ratos foi realizada no KIST e KAIST na Coréia do Sul com as aprovações governamentais apropriadas.

Este estudo combinou os pontos fortes da engenharia de anticorpos e nanotecnologia, o poder de duas instalações para usuários do DOE em Argonne e a colaboração inovadora resultante do programa de pós-doutorado do laboratório para explorar uma abordagem tecnológica para prevenir a doença de Alzheimer.

Usando uma abordagem semelhante, os cientistas também podem ser capazes de emparelhar as nanopartículas de sílica com anticorpos diferentes que têm como alvo moléculas relacionadas a outras doenças neurodegenerativas, como a doença de Huntington e a doença de Parkinson, que também envolvem agregação anormal de proteínas. As nanopartículas porosas podem ser melhoradas para uso em aplicações de imagem, incluindo imagens fluorescentes e imagens de ressonância magnética.

Um artigo sobre a pesquisa, intitulado "Nanodepletores de sílica: direcionando e limpando as placas β-amilóides da doença de Alzheimer", foi publicado na edição de abril da Advanced Functional Materials e foi apresentado em sua capa.

 

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