Cada ano, existem cerca de 13,3 milhões de novos casos de lesão renal aguda (IRA), uma doença séria. Anteriormente conhecido como insuficiência renal aguda, a doença produz um rápido acúmulo de resíduos nitrogenados e diminui a produção de urina, geralmente dentro de horas ou dias após o início da doença. Muitas vezes ocorrem complicações graves.

AKI é responsável por 1,7 milhões de mortes anualmente. Proteger rins saudáveis ​​de danos e tratar os já feridos continua sendo um desafio significativo para a medicina moderna.

Em nova pesquisa publicada no jornal Nature Biomedical Engineering , Hao Yan e seus colegas da Universidade de Wisconsin-Madison e na China descrevem um novo método para tratar e prevenir IRA. Sua técnica envolve o uso de minúsculos, formas de automontagem medindo apenas bilionésimos de um metro de diâmetro.

O triangular, formas tubulares e retangulares são projetadas e construídas usando um método conhecido como origami de DNA. Aqui, as propriedades de emparelhamento de base dos quatro nucleotídeos do DNA são usadas para projetar e fabricar nanoestruturas de origami de DNA (DONs), que se auto-organizam e se acumulam preferencialmente nos rins.

"A colaboração interdisciplinar entre a nanomedicina e a equipe de imagem in vivo liderada pelo professor Weibo Cai da Universidade de Wisconsin-Madison e a equipe de nanotecnologia de DNA levou a uma nova aplicação - aplicação de nanoestruturas de origami de DNA para tratar lesão renal aguda, "Yan diz." Isso representa um novo horizonte para a pesquisa da nanotecnologia de DNA. "

Os experimentos descritos no novo estudo - conduzidos em camundongos e também em células renais embrionárias humanas - sugerem que os DONs atuam como um protetor renal rápido e ativo e também podem aliviar os sintomas de AKI. A distribuição de DONs foi examinada com tomografia por emissão de pósitrons (PET). Os resultados mostraram que as nanoestruturas retangulares foram particularmente bem-sucedidas, protegendo os rins de danos tão eficazmente quanto a terapia medicamentosa líder e aliviando uma das principais fontes de IRA conhecida como estresse oxidativo.

O estudo é o primeiro a explorar a distribuição de nanoestruturas de DNA em um sistema vivo por meio de imagens quantitativas com PET e abre caminho para uma série de novas abordagens terapêuticas para o tratamento de IRA, bem como de outras doenças renais.

"Este é um excelente exemplo de ciência de equipe, com colaboração multidisciplinar e multinacional, "Cai disse." Os quatro grupos de pesquisa estão localizados em países diferentes, mas eles se comunicam regularmente e têm experiência sinérgica. Os três primeiros autores igualmente contribuintes (Dawei Jiang, Zhilei Ge, Hyung-Jun Im) também têm origens muito diferentes, um em radiomarcação e imagem, um em nanoestruturas de DNA, e o outro em medicina nuclear clínica. Juntos, eles levaram o projeto adiante. "

Órgão vital

Os rins desempenham papéis essenciais no corpo, remoção de resíduos e água extra do sangue para formar a urina. A urina então flui dos rins para a bexiga através dos ureteres. Os resíduos no sangue são produzidos a partir da degradação normal do músculo ativo e dos alimentos, que o corpo necessita para energia e auto-reparo.

A lesão renal aguda pode variar consideravelmente em gravidade. Em AKI avançado, o transplante renal é necessário, bem como as terapias de suporte, incluindo reidratação e diálise. AKI induzida por contraste, uma forma comum da doença, é causada por agentes de contraste, algumas vezes usados ​​para melhorar a clareza das imagens médicas. Um medicamento antioxidante conhecido como N-acetilcisteína (NAC) é usado clinicamente para proteger os rins de ataques tóxicos durante tais procedimentos, mas a baixa biodisponibilidade da droga nos rins pode limitar sua eficácia. (Atualmente, não há cura conhecida para AKI.)

Nanomedicina - a engenharia de átomos ou moléculas em nanoescala para aplicações biomédicas - representa um novo e excitante caminho de exploração e terapia médicas. Pesquisas recentes no campo impulsionaram avanços que levam a imagens e terapêuticas aprimoradas para uma série de doenças, incluindo AKI, embora o uso de nanomateriais em sistemas vivos para tratar doenças renais tenha sido limitado até agora.

As propriedades de emparelhamento de bases de ácidos nucléicos como DNA e RNA permitem o projeto de estruturas programáveis ​​minúsculas de forma e tamanho previsíveis, capaz de realizar uma infinidade de tarefas. Avançar, essas nanoarquiteturas são desejáveis ​​para uso em sistemas vivos devido à sua estabilidade, baixa toxicidade, e baixa imunogenicidade.

Novos designs

O estudo atual marca a primeira investigação de nanoestruturas de origami de DNA em organismos vivos, usando imagens quantitativas para rastrear seu comportamento. A imagem PET utilizada no estudo permitiu um método quantitativo e confiável em tempo real para estudar a circulação de DONs em um organismo vivo e avaliar sua distribuição fisiológica. DONs retangulares foram identificados como o terapêutico mais eficaz para tratar IRA em camundongos, com base na análise PET.

Yan e seus colegas prepararam uma série de DONs e usaram rotulagem de rádio para estudar seu comportamento no rim de camundongo, usando imagens PET. Os exames de PET mostraram que os DONs se acumularam preferencialmente nos rins de camundongos saudáveis, bem como naqueles com IRA induzida. Das três formas usadas nos experimentos, os DONs retangulares forneceram o maior benefício em termos de proteção e terapia e eram comparáveis ​​em seu efeito ao NAC do medicamento, considerado o tratamento padrão ouro para IRA.

Pacientes com doença renal frequentemente apresentam doenças associadas, incluindo uma alta incidência de doenças cardiovasculares e malignidades. A doença renal aguda pode ser induzida por meio do processo de estresse oxidativo, que resulta de um aumento nos produtos residuais que contêm oxigênio, conhecidos como espécies reativas de oxigênio, que causam danos aos lipídios, proteínas e DNA. Isso pode ocorrer quando o delicado equilíbrio de radicais livres e defesas antioxidantes se torna desestabilizado, causando inflamação e acelerando a progressão da doença renal. (Alimentos e suplementos ricos em antioxidantes atuam para proteger as células dos efeitos nocivos das espécies reativas de oxigênio.)

Protegendo os rins com a geometria do DNA

Os efeitos protetores e terapêuticos dos DONs descritos no novo estudo são devido à capacidade das nanoestruturas de eliminar espécies reativas de oxigênio, isolando assim as células vulneráveis ​​de danos devido ao estresse oxidativo. Este efeito foi estudado em linhas de células renais embrionárias humanas, bem como em camundongos vivos. O acúmulo de nanoestruturas em rins saudáveis ​​e doentes proporcionou um maior efeito terapêutico em comparação com a terapia AKI tradicional. (DONs aliviaram o estresse oxidativo dentro de 2 horas de incubação com células renais afetadas.)

A melhora na função renal de AKI - comparável à administração de altas doses do medicamento NAC - foi observada após a introdução de nanoestruturas. O exame de amostras de tecido corado confirmou ainda os efeitos benéficos dos DONs no rim.

Os autores propõem vários mecanismos para explicar a persistência nos rins de nanoestruturas de origami devidamente dobradas, incluindo sua resistência a enzimas digestivas, evasão da vigilância imunológica e baixa absorção de proteínas.

Os níveis de creatinina sérica e nitrogênio ureico no sangue (BUN) foram usados ​​para avaliar a função renal em camundongos. Camundongos AKI tratados com DONs retangulares exibiram função excretora renal melhorada comparável aos camundongos que receberam tratamento usando o medicamento de linha principal NAC.

Avançar, a equipe estabeleceu a segurança dos DONs retangulares, avaliar seu potencial para induzir uma resposta imune em camundongos, examinando os níveis sanguíneos de interleucina-6 e fator de necrose tumoral alfa. Os resultados mostraram que os DONs não eram imunogenéticos e a coloração do tecido do coração, fígado, pulmões e rins do baço revelaram sua baixa toxicidade em órgãos primários, tornando-os candidatos atraentes para uso clínico em humanos.

Com base na eliminação eficaz de espécies reativas de oxigênio por DONs em cultura de células de rim humano e rim de camundongo vivo, o estudo conclui que a abordagem pode, de fato, fornecer proteção localizada para os rins contra IRA e pode até oferecer tratamento eficaz para rins danificados por IRA ou outros distúrbios renais.

O estudo de prova de conceito bem-sucedido expande o potencial para uma nova geração de nanoestruturas programáveis ​​terapêuticas, projetado para lidar com desafios médicos remotos, desde a administração inteligente de medicamentos até o reparo de órgãos e tecidos precisamente direcionados.