Curso de Extensão Universitária

Módulo:Biologia Molecular aplicada à Nanotoxicologia

Responsáveis:

Prof. Dr. Maurício Reis Bogo

Dra. Luiza Wilges Kist

Laboratório de Biologia Genômica e Molecular

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS

BIOLOGIA MOLECULAR

A Biologia Molecular é o estudo da biologia em nível molecular, comespecial foco na estrutura dos ácidos nucléicos e na expressão e função dasproteínas. Portanto, a Biologia Molecular investiga as interações entre osdiversos sistemas celulares, incluindo a relação entre o DNA, os RNAs e asproteínas.

Conceitos básicos:

http://cibpt.wordpress.com/2008/10/11/ogm-e-engenharia-genetica/

A Biologia Molecular é uma disciplina que está na interface entre aBioquímica e a Genética uma vez que relaciona os conhecimentos de ambasas ciências ao investigar os mecanismos de replicação de DNA, transcriçãode RNAm e síntese e função de proteínas.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Biologia_molecular

BIOTECNOLOGIA

Biotecnologia é um conceito amplo que pode ser dividido em:

• Biotecnologia tradicional envolve a produção de produtos de interesseempregando organismos vivos ou parte deles. Nesta definição estãoincluídas uma séria de atividades (realizadas a milhares de anos) queenvolvem, por exemplo, a produção de alimentos fermentados (pão, cerveja,vinho entre outros).

• Biotecnologia moderna envolve a produção de produtos de interesse com aaplicação de conhecimentos de Biologia Molecular e de Tecnologias de DNARecombinante ou Engenharia Genética.

Conceitos básicos:

http://biologia4a-albertoyjuanjo.blogspot.com.br/2010/01/biotecnologia-tradicional.htmlhttp://www.bioloogic.blogspot.com.br/

• Biotecnologia tradicional • Biotecnologia moderna

ENGENHARIA GENÉTICA OU TECNOLOGIA DO DNA RECOMBINANTE

A Engenharia Genética ou Tecnologia do DNA Recombinante consistena utilização de uma série de estratégias que permitem alterar o genoma deorganismos, inserindo um ou mais genes no DNA, ou silenciando a expressãode um gene já existente no genoma com o objetivo de adicionar ou retirarcaracterísticas de seres vivos de interesse.

Conceitos básicos:

NANOTECNOLOGIA / NANOBIOTECNOLOGIA

A nanotecnologia lida com desenvolvimento de materiais, dispositivos ououtras estruturas que possuem ao menos uma dimensão de tamanho de 1 a 100nanômetros (Fakruddin et al., 2012).

A nanotecnologia é uma nova abordagem científica que envolve materiais eequipamentos capazes de manipular as propriedades físicas, bem como as químicas deuma substância em níveis moleculares. Por outro lado, a biotecnologia utiliza osconhecimentos e técnicas da biologia para manipular processos moleculares, genéticose celulares para desenvolver produtos e serviços e é usada em diversos campos damedicina à agricultura (Fakruddin et al., 2012).

Nanobiotecnologia é considerada a fusão da nanotecnologia com abiotecnologia onde a micro-tecnologia clássica pode ser mesclada a uma abordagembiológica molecular real (Tkachenko et al., 2003).

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Conceitos básicos:

NANOTOXICOLOGIA / NANOECOTOXICOLOGIA

Nanotoxicologia (Oberdörster et al., 2005) e nanoecotoxicologia (Kahru eDubourguier, 2010) são disciplinas emergentes que surgiram para lidar com ospotenciais efeitos tóxicos causados pela exposição aos nanomaterias respectivamentenos seres vivos e no ambiente.

Este assunto é tão importante que um periódico científico foi criado com oobjetivo de divulgar resultados de estudos relacionados ao tema: Nanotoxicology.

Conceitos básicos:

“The peer-reviewed journal Nanotoxicology isdedicated to Research relating to the potentialfor human and environmental exposure,hazard and risk associated with the use anddevelopment of nano-structured materials.”

Recentemente foi publicada uma excelente revisão tratando de perspectivas eaplicações da nanobiotecnologia sobre uma perspectiva médica. O conteúdo destarevisão será discutido a seguir.

APLICAÇÕES DA NANOBIOTECNOLOGIA

Aplicações em diagnóstico:

• Detecção: A nanobiotecologia oferece uma solução através do uso de nanocristaissemicondutores (também conhecidos como "quantum dots"). Estas minúsculas sondas podemsuportar um número muito maior de ciclos de excitação e de emissões de luz que moléculasorgânicas comuns, as quais se decompõem mais rapidamente (Drexler, 1992).

• Sondas-alvo individuais: Nanopartículas de ouro com pequenos fragmentos de DNA aderidosformam a base do teste “easy-to-read” para a presença de uma dada sequencia de um gene.Esta tecnologia permite/facilita a detecção de organismos patogênicos e já demonstrouresultados promissores na detecção de anthrax, apresentando sensibilidade muito maior queos testes usados atualmente (Nanosphere Inc, 2004).

APLICAÇÕES DA NANOBIOTECNOLOGIA

• Chips de Proteínas: a proteômica representa uma ferramenta importante no diagnóstico dedoenças e para a indústria farmacêutica, onde fármacos podem ser desenvolvidos paramodular rotas de sinalização celulares. Chips de proteínas podem ser tratados com gruposquímicos ou pequenos componentes modulatórios de proteínas que se ligam a alvos protéicosespecíficos através de motivos estruturais ou bioquímicos (Lee et al., 2002).

• Nanotecnologia como uma ferramenta de imagem: imagens intracelulares podem serobtidas através da marcação de moléculas-alvo com “quantum dots (QD)” ou cromóforossintéticos tais como proteínas fluorescentes que facilitam a investigação direta de complexosde sinalização intracelular por técnicas ópticas, por exemplo, microscopia de fluorescênciaconfocal ou imagem de correlação (Lin e Datar, 2006; Guccione et al., 2004).

APLICAÇÕES DA NANOBIOTECNOLOGIA

Aplicações terapêuticas:

• Endereçamento de fármacos: nanopartículas como agentes terapêuticos podem serendereçados aos sítios-alvo incluindo localizações difíceis de serem alcançadas por fármacosusuais. Muitos agentes, os quais não podem ser administrados oralmente em função da baixabiodisponibilidade podem agora ser empregados na terapêutica com a ajuda da nanotecnologia(El-Shabouri, 2002; Hu et al., 2004).

Outra aplicação da nanotecnologia é a disponibilização de antígenos para vacinação (Diwan etal., 2003; Koping-Hoggard et al., 2005). Recentes avanços na encapsulação edesenvolvimento de modelos animais adequados têm demonstrado que micropartículas enanopartículas são capazes de aumentar a imunização (Lutsiak et al., 2002).

• Direcionamento de genes: o sucesso da utilização de nanocarreadores de genes menosimunogênicos em substituição aos vetores virais parece benéfico na reparação ou substituiçãode genes mutados em humanos (Davis, 1997).

APLICAÇÕES DA NANOBIOTECNOLOGIA

• Lipossomos: Um lipossomo que é composto por uma bicamada lipídica pode ser usado naterapia gênica em função de sua habilidade em “atravessar” bicamadas lipídicas e membranascelulares de uma célula alvo. O uso recente de muitos grupos de lipossomos tem se mostradoconvincentemente efetivo (Hart, 2005; Ewert et al., 2005).

• Superfícies: Na natureza, existem múltiplos exemplos de interações complexas entremoléculas e superfícies. A nanofabricação revela a complexidade destas interações pelamodificação das características de superfície com resolução em nanoescala que pode levar asistemas biológicos híbridos. Este material híbrido pode ser usado para a triagem de fármacos,como sensores ou ainda como dispositivos médicos e implantes (Fakruddin et al., 2012).

• Engenharia biomolecular: O custo e o tempo envolvido no desenho tradicional debiomoléculas limitam a disponibilidade de moléculas bioativas. A montagem em nanoescala etécnicas de síntese dão vantajosa alternativa aos métodos tradicionais.

APLICAÇÕES DA NANOBIOTECNOLOGIA

• Biofármacos: a nanobiotecnologia pode ajudar a desenvolver drogas para certas doençasonde medicamentos convencionais não são eficazes. A nanobiotecnologia apresenta acapacidade de manipular fisicamente alvos, moléculas e átomos em substratos sólidos eenvolve-los em biomembranas para controlar quando e onde as reações químicas irão ocorrer.Tudo isto de forma rápida e empregando poucos reagentes e soluções. Este avanço irá reduziro custo da descoberta de novos fármacos, e permitirá que novos componentes sejam avaliadosfacilitando o desenvolvimento de fármacos altamente específicos.

Embora a expectativa da utilização da nanobiotecnologia na áreamédica seja muito alta e os potenciais benefícios sejam infinitamentepromissores, a segurança na nanomedicina está longe de ser completamenteavaliada. O uso da nanotecnologia na medicina terapêutica necessita de umaavaliação adequada dos seus fatores de segurança e de risco (Fakruddin et al.,2012). Da mesma forma, a presença de nanoprodutos no ambiente e os efeitossobre os seres vivos precisam ser também avaliados e monitorados.

RISCOS POTENCIAIS DAS NANOPARTÍCULAS

REFERÊNCIAS

Chen Z, Meng H, Xing G, Chen C, Zhao Y, Jia G, et al: Acute toxicological effects of copper nanoparticles in vivo. Toxicol Lett 2006;163:109–120.

Davis SS: Biomedical applications of nanotechnology—implications for drug targeting and gene therapy. Trends Biotechnol 1997;15:217–224.

Diwan M, Elamanchili P, Lane H, Gainer A, Samuel J: Biodegradable nanoparticle mediated antigen delivery to human cord blood derived dendritic cells forinduction of primary T cell responses. J Drug Target 2003;11:495–507.

Drexler EK: Nanosytems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation. New York: John Wiley & Sons; 1992.

El-Shabouri MH: Positively charged nanoparticles for improving the oral bioavailability of cyclosporin-A. Int J Pharm 2002;249:101–118.

Ewert K, Evans HM, Ahmad A, Slack NL, Lin AJ, Martin-Herranz A, et al: Lipoplex structures and their distinct cellular pathways. Adv Genet 2005;53:119–155.

Fakruddin et al. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:31

Guccione S, Li KC, Bednarski MD: Vascular-targeted nanoparticles for molecular imaging and therapy. Methods Enzymol 2004;386:219–236

Hart SL: Lipid carriers for gene therapy. Curr Drug Deliv 2005;2:423–428.

Hu L, Tang X, Cui F: Solid lipid nanoparticles (SLNs) to improve oral bioavailability of poorly soluble drugs. J Pharm Pharmacol 2004;56:1527–1535.

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Koping-Hoggard M, Sanchez A, Alonso MJ: Nanoparticles as carriers for nasal vaccine delivery. Expert Rev Vaccines 2005;4:185–196.

Lam CW, James JT, McCluskey R, Hunter RL: Pulmonary toxicity of singlewall carbon nanotubes in mice 7 and 90 days after intratracheal instillation.Toxicol Sci 2004;77:126–134.

Lee KB, Park SJ, Mirkin C, Smith J, MrKisch MA: Protein Nanoarrays generated by Dip-Pen Nanolithography. Science 2002;295:1702–1705.

Lin H, Datar RH: Medical applications of nanotechnology. Natl Med J India 2006;19:27–32.

REFERÊNCIAS

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