Pesquisadores da National University of Singapore (NUS) desenvolveram uma técnica para observar, em tempo real, como os componentes do sangue individuais interagem e modificam a terapêutica avançada de nanopartículas. O método, desenvolvido por uma equipe interdisciplinar composta por médico-cientista Assistente Professor Chester Lee Drum do Departamento de Medicina da Escola de Medicina NUS Yong Loo Lin, Professor T. Venky Venkatesan, Diretor do Instituto de Nanociência e Nanotecnologia da NUS, e o professor assistente James Kah do Departamento de Engenharia Biomédica da Faculdade de Engenharia da NUS, ajuda a orientar o projeto de futuras nanopartículas para interagir em conjunto com os componentes do sangue humano, evitando assim efeitos colaterais indesejados.

Esta pesquisa foi publicada online no jornal Pequena , um dos principais periódicos multidisciplinares que cobrem pesquisas em nano e microescala, em 10 de setembro de 2015.

Desafios do uso de nanopartículas em sistemas de diagnóstico e entrega de drogas

Com seu tamanho pequeno e múltiplas funcionalidades, nanopartículas têm atraído intensa atenção como sistemas de diagnóstico e de liberação de drogas. Contudo, dentro de minutos após ser entregue na corrente sanguínea, nanopartículas são cobertas por uma camada de proteínas séricas, também conhecida como proteína 'corona'.

"A ligação de proteínas séricas pode mudar profundamente o comportamento das nanopartículas, às vezes levando a uma rápida eliminação pelo corpo e um resultado clínico diminuído, "disse o Asst Prof Kah.

Métodos existentes, como espectroscopia de massa e estimativa de raio de difusão, embora útil para estudar parâmetros de nanopartículas importantes, são incapazes de fornecer detalhes, cinética de ligação em tempo real.

Novo método para entender as interações nanobio

A equipe NUS, junto com o colaborador externo Professor Bo Liedberg da Universidade Tecnológica de Nanyang, mostrou cinética altamente reprodutível para a ligação entre nanopartículas de ouro e as quatro proteínas séricas mais comuns:albumina sérica humana, fibrinogênio, apolipoproteína A-1, e IgG policlonal.

“O que foi notável neste projeto foi a iniciativa de Abhijeet Patra, meu aluno de pós-graduação da NUS Graduate School for Integrative Sciences and Engineering, em conceituar o problema, e reunir as várias equipes na NUS e além para tornar este um programa de sucesso, "disse o Prof Venkatesan." O desenvolvimento chave é o uso de uma nova técnica que usa a tecnologia de ressonância plasmônica de superfície (SPR) para medir a coroa protéica formada quando proteínas comuns na corrente sanguínea se ligam a nanopartículas, " ele adicionou.

Os pesquisadores primeiro imobilizaram as nanopartículas de ouro na superfície de um chip sensor SPR com uma molécula ligante. O chip foi especialmente modificado com uma camada de polímero de alginato que forneceu uma carga negativa e locais ativos para a imobilização do ligante, e evitou a ligação não específica. Usando uma matriz de canal microfluídico 6 x 6, eles estudaram até 36 interações nanopartícula-proteína em um único experimento, executando amostras de teste ao lado de controles experimentais.

"Reprodutibilidade e confiabilidade têm sido um gargalo nos estudos de proteínas coronas, "disse o Sr. Abhijeet Patra." A qualidade e confiabilidade dos dados depende principalmente do projeto de bons experimentos de controle. Nossa configuração SPR multiplexada foi, portanto, fundamental para garantir a confiabilidade de nossos dados. "

Testando diferentes concentrações de cada uma das quatro proteínas, a equipe descobriu que a apolipoproteína A-1 tinha a maior afinidade de ligação para a superfície das nanopartículas de ouro, with an association constant almost 100 times that of the lowest affinity protein, polyclonal IgG. 

"Our results show that the rate of association, rather than dissociation, is the main determinant of binding with the tested blood components, " said Asst Prof Drum.

The multiplex SPR system was also used to study the effect of modification with polyethylene (PEG), a synthetic polymer commonly used in nanoparticle formulations to prevent protein accumulation. The researchers found that shorter PEG chains (2-10 kilodaltons) are about three to four times more effective than longer PEG chains (20-30 kilodaltons) at preventing corona formation.

"The modular nature of our protocol allows us to study any nanoparticle which can be chemically tethered to the sensing surface, " explained Asst Prof Drum. "Using our technique, we can quickly evaluate a series of nanoparticle-based drug formulations before conducting in vivo studies, thereby resulting in savings in time and money and a reduction of in vivo testing, " ele adicionou.

The researchers plan to use the technology to quantitatively study protein corona formation for a variety of nanoparticle formulations, and rationally design nanomedicines for applications in cardiovascular diseases and cancer.