Representação de uma porta "SIM" simples. As barras cinza e laranja representam todo o portão, que se conecta aos polímeros que mantêm o hidrogel unido (linhas onduladas pretas e roxas). O portão abrirá - liberando o conteúdo do hidrogel - apenas se um mecanismo de disparo específico (rotulado como "A") estiver presente e quebrar a parte laranja do portão. Crédito:Cole DeForest / Universidade de Washington
Os tratamentos com medicamentos podem salvar vidas, mas às vezes também acarretam custos não intencionais. Afinal, a mesma terapêutica que tem como alvo patógenos e tumores também pode prejudicar células saudáveis.
Para reduzir este dano colateral, cientistas há muito buscam especificidade em sistemas de entrega de drogas:um pacote que pode envolver um medicamento e não vai liberar sua carga tóxica até chegar ao local do tratamento - seja um tumor, um órgão doente ou um local de infecção.
Em um artigo publicado em 15 de janeiro na revista Química da Natureza , cientistas da Universidade de Washington anunciaram que construíram e testaram um novo sistema de entrega baseado em biomaterial - conhecido como hidrogel - que envolverá uma carga desejada e se dissolverá para liberar sua carga somente quando condições fisiológicas específicas forem atendidas. Essas pistas ambientais podem incluir a presença de uma enzima ou mesmo as condições ácidas que podem ser encontradas em um microambiente tumoral. Criticamente, os gatilhos que causam a dissolução do hidrogel podem ser desligados facilmente no processo de síntese, permitindo que os pesquisadores criem muitos pacotes diferentes que se abrem em resposta a combinações únicas de sinais ambientais.
O time, liderado pelo professor assistente de engenharia química da UW Cole DeForest, projetou este hidrogel usando os mesmos princípios por trás de declarações lógicas matemáticas simples - aquelas no coração dos comandos básicos de programação em ciência da computação.
"A estratégia modular que desenvolvemos permite que os biomateriais atuem como computadores autônomos, "disse DeForest, que também é membro do Institute for Stem Cell &Regenerative Medicine e do Molecular Engineering &Sciences Institute. "Esses hidrogéis podem ser programados para realizar cálculos complexos com base em entradas fornecidas exclusivamente por seu ambiente local. Essas operações baseadas em lógica avançada são sem precedentes, e deve render novas e estimulantes direções na medicina de precisão. "
Representação de uma porta "AND", que só está aberto quando os gatilhos separados (A e B) dividem as regiões verde e roxa do portão, respectivamente. À direita está a estrutura química de uma porta "E" específica. A região mostrada em verde é um peptídeo curto que pode ser clivado pela enzima MMP associada ao tumor. A região roxa é um grupo químico sintético denominado éster orto-nitrobenzílico (oNB), que pode ser clivado por luz focada. Crédito:Universidade de Washington
Os hidrogéis são mais de 90 por cento de água; o restante consiste em redes de polímeros bioquímicos. Os hidrogéis podem ser projetados para transportar uma variedade de terapêuticas, como produtos farmacêuticos, células especiais ou moléculas de sinalização, para finalidades incluindo entrega de drogas ou mesmo engenharia de tecidos 3-D para transplante em pacientes.
A chave para a inovação da equipe está na forma como os hidrogéis foram sintetizados. Quando os pesquisadores montaram a rede polimérica que compõe o biomaterial, eles incorporaram portas de "ligação cruzada" química que são projetadas para abrir e liberar o conteúdo do hidrogel em resposta a sinais especificados pelo usuário - muito parecido com a forma como os portões trancados em uma cerca irão apenas "responder, "ou abra com um conjunto específico de chaves.
"Nossos 'portões' consistem em cadeias químicas que poderiam, por exemplo, ser clivadas apenas por uma enzima produzida exclusivamente em certos tecidos do corpo; ou ser abertos apenas em resposta a uma determinada temperatura ou condições ácidas específicas, "disse DeForest." Com esta especificidade, percebemos que poderíamos projetar de forma mais geral hidrogéis com portas que se abririam se apenas certas condições químicas - ou declarações lógicas - fossem atendidas. "
DeForest e sua equipe construíram essas portas de hidrogel usando princípios simples da lógica booleana, que se concentra em entradas para comandos binários simples:"SIM, "" E "ou" OU ". Os pesquisadores começaram construindo três tipos de hidrogéis, cada um com um portão "SIM" diferente. Eles apenas abririam e liberariam sua carga de teste - moléculas de corante fluorescente - em resposta a sua sugestão ambiental específica.
Da esquerda para a direita:Barry Badeau, Christopher Arakawa, Jared Shadish, Cole DeForest. Crédito:Dennis Wise / Universidade de Washington
One of the "YES" gates they designed is a short peptide—one of the constituent parts of cellular proteins. This peptide gate can be cleaved by an enzyme known as matrix metalloprotease (MMP). If MMP is absent, the gate and hydrogel remain intact. But if the enzyme is present in a cell or tissue, then MMP will slice the peptide gate and the hydrogel will burst open, releasing its contents. A second "YES" gate that the researchers designed consists of a synthetic chemical group called an ortho-nitrobenzyl ester (oNB). This chemical gate is immune to MMP, but it can be cleaved by light. A third "YES" gate contains a disulfide bond, which breaks upon reaction with chemical reductants but not in response to light or MMP. A hydrogel containing one of these types of "YES" gates is essentially "programmed" to respond to its physiological surroundings using the Boolean logic of its cross-link gate. A hydrogel with an oNB gate, por exemplo, will open and release its contents in the presence of light, but not any of the other cues like the MMP enzyme or a chemically reductive environment.
They also created and tested hydrogels with multiple types of "YES" gates, essentially creating hydrogels with gates that would open and release their cargo in response to multiple combinations of environmental cues, not just one cue:light AND enzyme; reductant OR light; enzyme AND light AND reductant. Hydrogels with these more complex types of gates could still carry cargo, either fluorescent dyes or living cells, and release it only in response to the particular gate's unique combination of environmental triggers.
The team even tested how well a hydrogel with an "AND" gate—reductant and the enzyme MMP—could ferry the chemotherapy drug doxorubicin. The doxorubicin-containing hydrogel was mixed with cultures of tumor-derived HeLa cells, which doxorubicin should kill easily. But the hydrogel remained intact, and the HeLa cancer cells remained alive unless the researchers added both triggers for the "AND" gate:MMP and reductant. One cue alone was insufficient to cause HeLa cell demise.
DeForest and his team are building on these results to pursue even more complex gates. Afinal, specificity is the goal, both in medicine and tissue engineering.
"Our hope is that, by applying Boolean principles to hydrogel design, we can create a class of truly smart therapeutic delivery systems and tissue engineering tools with ever-greater specificity for organs, tissues or even disease states such as tumor environments, " said DeForest. "Using these design principles, the only limits could be our imagination."
