Uma classe especial de minúsculas partículas de ouro pode facilmente deslizar através das membranas celulares, tornando-os bons candidatos para entregar medicamentos diretamente às células-alvo.

Um novo estudo de cientistas de materiais do MIT revela que essas nanopartículas entram nas células aproveitando uma rota normalmente usada na fusão vesícula-vesícula. um processo crucial que permite a transmissão de sinais entre os neurônios. Na edição de 21 de julho da Nature Communications , os pesquisadores descrevem em detalhes o mecanismo pelo qual essas nanopartículas são capazes de se fundir com uma membrana.

As descobertas sugerem possíveis estratégias para projetar nanopartículas - feitas de ouro ou outros materiais - que podem entrar nas células ainda mais facilmente.

"Identificamos um tipo de mecanismo que pode ser mais prevalente do que se conhece atualmente, "diz Reid Van Lehn, um estudante de pós-graduação do MIT em ciência e engenharia de materiais e um dos principais autores do artigo. "Ao identificar esta via pela primeira vez, também sugere não apenas como projetar esta classe particular de nanopartículas, mas que esta via pode estar ativa em outros sistemas também. "

A outra autora principal do artigo é Maria Ricci, da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), na Suíça. A equipe de pesquisa, liderado por Alfredo Alexander-Katz, professor associado de ciência e engenharia de materiais, e Francesco Stellacci da EPFL, também incluiu cientistas do Instituto Carlos Besta de Neurologia na Itália e da Universidade Durham no Reino Unido.

A maioria das nanopartículas entra nas células por meio de endocitose, um processo que captura as partículas em compartimentos intracelulares, que pode danificar a membrana celular e fazer com que o conteúdo da célula vaze. Contudo, Em 2008, Stellacci, que estava então no MIT, e Darrell Irvine, professor de ciência e engenharia de materiais e de engenharia biológica, descobriram que uma classe especial de nanopartículas de ouro revestidas com uma mistura de moléculas poderia entrar nas células sem qualquer interrupção.

"Por que isso estava acontecendo, ou como isso estava acontecendo, era um mistério completo, "Van Lehn diz.

Ano passado, Alexander-Katz, Van Lehn, Stellacci, e outros descobriram que as partículas estavam de alguma forma se fundindo com as membranas celulares e sendo absorvidas pelas células. Em seu novo estudo, eles criaram simulações atomísticas detalhadas para modelar como isso acontece, e realizaram experimentos que confirmaram as previsões do modelo.

Entrada furtiva

Nanopartículas de ouro usadas para entrega de drogas são geralmente revestidas com uma fina camada de moléculas que ajudam a ajustar suas propriedades químicas. Algumas dessas moléculas, ou ligantes, são carregados negativamente e hidrofílicos, enquanto o resto é hidrofóbico. Os pesquisadores descobriram que a capacidade das partículas de entrar nas células depende das interações entre os ligantes hidrofóbicos e os lipídios encontrados na membrana celular.

As membranas celulares consistem em uma camada dupla de moléculas de fosfolipídios, que têm caudas lipídicas hidrofóbicas e cabeças hidrofílicas. As caudas lipídicas estão voltadas uma para a outra, enquanto as cabeças hidrofílicas ficam voltadas para fora.

Em suas simulações de computador, os pesquisadores primeiro criaram o que eles chamam de "bicamada perfeita, "em que todas as caudas lipídicas permanecem no lugar dentro da membrana. Nessas condições, os pesquisadores descobriram que as nanopartículas de ouro não podiam se fundir com a membrana celular.

Contudo, se o modelo de membrana inclui um "defeito" - uma abertura pela qual as caudas de lipídios podem escorregar - as nanopartículas começam a entrar na membrana. Quando essas saliências lipídicas ocorrem, os lipídios e partículas aderem uns aos outros porque são hidrofóbicos, e as partículas são engolfadas pela membrana sem danificá-la.

Em membranas celulares reais, essas saliências ocorrem aleatoriamente, especialmente perto de locais onde as proteínas estão embutidas na membrana. Eles também ocorrem com mais frequência em seções curvas da membrana, porque é mais difícil para as cabeças hidrofílicas cobrirem totalmente uma área curva do que uma plana, deixando lacunas para as caudas lipídicas se projetarem.

"É um problema de embalagem, "Alexander-Katz diz." Há um espaço aberto onde as caudas podem sair, e haverá contato com a água. Isso apenas torna 100 vezes mais provável que uma dessas saliências saia em regiões altamente curvas da membrana. "

Imitando a natureza

Esse fenômeno parece imitar um processo que ocorre naturalmente nas células - a fusão das vesículas com a membrana celular. As vesículas são pequenas esferas de material semelhante a uma membrana que transportam cargas, como neurotransmissores ou hormônios.

A semelhança entre a absorção de vesículas e a entrada de nanopartículas sugere que as células onde ocorre uma grande quantidade de fusão das vesículas podem ser bons alvos para a entrega de drogas por nanopartículas de ouro. Os pesquisadores planejam analisar mais a fundo como a composição das membranas e as proteínas embutidas nelas influenciam o processo de absorção em diferentes tipos de células. "Queremos realmente entender todas as restrições e determinar a melhor forma de projetar nanopartículas para atingir determinados tipos de células, ou regiões de uma célula, "Van Lehn diz.

"Pode-se usar os resultados deste artigo para pensar sobre como alavancar essas descobertas em veículos de entrega de nanopartículas aprimorados - por exemplo, talvez novos ligantes de superfície para nanopartículas possam ser projetados para ter afinidade aprimorada para ambos os grupos de superfície e caudas lipídicas, "diz Catherine Murphy, um professor de química da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign que não estava envolvido no estudo.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.