Pesquisadores liderados por Jin Kim Montclare (à esquerda) desenvolveram proteínas autoiluminadas usadas para fornecer medicamentos a áreas discretas do corpo, como visto nas patas traseiras de um camundongo (à direita). Crédito:Escola de Engenharia Tandon da NYU Quando se trata de entregar medicamentos ao corpo, um grande desafio é garantir que eles permaneçam na área que estão tratando e continuem a entregar sua carga com precisão. Embora grandes avanços tenham sido feitos na distribuição de medicamentos, monitorá-los é um desafio que muitas vezes requer procedimentos invasivos como biópsias.
Pesquisadores da NYU Tandon liderados por Jin Kim Montclare, professor de Engenharia Química e Biomolecular, desenvolveram proteínas que podem se agrupar em fibras para serem usadas como agentes terapêuticos para potenciais tratamentos de múltiplas doenças.
Esses biomateriais podem encapsular e fornecer terapêutica para uma série de doenças. Mas embora o laboratório de Montclare trabalhe há muito tempo na produção destes materiais, houve outrora um desafio difícil de superar:como garantir que estas proteínas continuassem a fornecer a sua terapêutica no local correto do corpo durante o período de tempo necessário.
Em um estudo recente publicado pela revista ACS Applied Nano Materials , seu laboratório conseguiu criar biomateriais fluorados. Graças a esta fluoração, podem ser monitorizados por simples exames de FMRI, permitindo aos profissionais médicos garantir que os medicamentos permanecem nas áreas de tratamento através de tecnologia de imagem não invasiva.
O material é composto por proteínas naturais, mas a equipe de pesquisa introduziu o aminoácido não natural, a trifluoroleucina. Como o flúor é raro no corpo, ele permite que os biomateriais se iluminem como uma exibição de férias quando o corpo é submetido a uma ressonância magnética.
“Como agente teranóstico, ele pode não apenas fornecer uma terapêutica para o câncer ou doenças articulares, por exemplo, mas agora podemos ver que ainda está presente no corpo e liberando o medicamento onde deveria”, diz Montclare. “Isso elimina a necessidade de cirurgias invasivas ou biópsias para ver o que está acontecendo”.
O laboratório da Montclare realiza pesquisas inovadoras em engenharia de proteínas para imitar a natureza e, em alguns casos, funcionar melhor que a natureza. Ela trabalha na personalização de proteínas artificiais com o objetivo de atingir distúrbios humanos, distribuição de medicamentos e regeneração de tecidos, bem como criar nanomateriais para eletrônicos. Através do uso da química e da engenharia genética, ela fez contribuições para doenças que vão desde a COVID-19 até a osteoartrite e muitas outras.
Esta inovação utiliza os mesmos aminoácidos e proteínas que caracterizam grande parte da pesquisa da Montclare. Por serem feitos de materiais orgânicos, quando esses biomateriais completam seu trabalho e fornecem a terapêutica, o corpo pode decompô-los sem qualquer tipo de efeito adverso.
Isto o separa de outros tratamentos que utilizam materiais não orgânicos que podem causar uma resposta imunológica grave ou outras reações. Em combinação com a técnica de fluoração, estes materiais poderiam fornecer um tratamento para doenças localizadas que pode ser muito menos invasivo do que os tratamentos actuais e é muito mais fácil e menos perturbador de monitorizar.
Montclare trabalhou em estreita colaboração com o corpo docente da Faculdade de Medicina da NYU neste estudo, incluindo o co-autor Youssef Z. Wadghiri no departamento de Radiologia, bem como Richard Bonneau no Flatiron Institute.
A equipe de Montclare mostrou suas pesquisas em modelos de camundongos, mas ela já está procurando fazer experiências em camundongos com doenças específicas para provar a capacidade da proteína no tratamento de doenças.
As proteínas de automontagem usadas pela equipe de Montclare são apenas um subconjunto daquilo em que ela e seu laboratório estão trabalhando. Em outro artigo publicado em Biomacromolecules , seu laboratório conseguiu usar design computacional para criar proteínas que poderiam formar hidrogéis, graças a um programa escrito por seu Ph.D. estudante Dustin Britton.
Esses hidrogéis têm diferentes temperaturas de transição – a temperatura em que os géis podem permanecer gelificados sem se dissolverem ou se tornarem instáveis. Anteriormente, o limite superior de gelificação era de cerca de 17° Celsius. Para aplicações biomédicas, isso não era o ideal, pois derreteria à medida que se aproximasse da temperatura do corpo humano. Através do uso de suas proteínas projetadas computacionalmente, Britton conseguiu mudar esse limite para 33,6° Celsius.
Devido a esta nova estabilidade, as proteínas desenvolvidas por Britton e Montclare poderiam ser usadas para tratamentos tópicos, incluindo a cicatrização de feridas. E além da maior tolerância ao calor, a nova proteína pode gelificar muito mais rapidamente do que as versões anteriores, tornando-a muito mais eficiente e mais útil para aplicações médicas.
Ao mudar a temperatura, Britton também conseguiu projetar uma proteína que também é fluorescente, o que significa que tem o mesmo potencial de visualização que as proteínas fluoradas em seu outro estudo. Isso permite que os médicos monitorem sua presença em feridas e garantam que ele esteja entregando sua carga terapêutica. E o gel tem os mesmos benefícios das proteínas de laboratório destinadas ao uso interno, pois será capaz de se degradar e se dissipar no corpo com poucos ou nenhum efeito prejudicial.
O modelo computacional de Britton faz mais do que projetar essa proteína específica. De acordo com Monclare, o campo dos biomateriais de engenharia de proteínas tem sido dominado por tentativa e erro – testando projetos hipotéticos na esperança de ver se eles serão estáveis. Mas o modelo de Britton foi capaz de criar géis consistentemente bem-sucedidos, gerando sequências com uma taxa de sucesso extremamente alta e criando novas proteínas com novas propriedades para potenciais usos terapêuticos.
“Para a fabricação de biomateriais, isso irá acelerar absolutamente o que somos capazes de fazer”, diz Montclare. "Da maneira como é feito tradicionalmente, você faz mudanças racionais e vê se funciona, e 90% das vezes não funciona. Com este novo modelo, todos eles funcionam, e podemos então escolher o melhor deles. isso funciona. Vai revolucionar a forma como fabricamos biomateriais."
No laboratório de Monclare, isso mudou a forma como eles criarão novas proteínas e materiais no futuro – não há como voltar à prática de iteração racional que teve uma taxa de falha tão alta. E irá certamente acelerar a produção de biomateriais revolucionários que em breve irão curar algumas das condições médicas mais graves em todo o mundo.
Mais informações: Dustin Britton et al, Protein-Engineered Fibers For Drug Encapsulation Traceable via 19F Magnetic Resonance, ACS Applied Nano Materials (2023). DOI:10.1021/acsanm.3c04357 Dustin Britton et al, Predição Computacional da Dinâmica e Estrutura da Gelificação de Proteínas Enroladas, Biomacromoléculas (2023). DOI:10.1021/acs.biomac.3c00968
