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  • Daniela Barros

Nanomateriais de carbono e o cérebro: qual a relação?



Daniela Martí Barros

Profa. Titular, docente do PPG: Ciências Fisiológicas, ICB – FURG

INCT- Nanomateriais de Carbono


Gisele Eva Bruch

Pesquisadora, Núcleo de Neurociências, PPG FisFar, ICB – UFMG

INCT – Nanomateriais de Carbono

NBMrg - NanoBiomedical Research Group


Nanotecnologia é uma área da ciência que estuda e controla os materiais em uma grandeza extremamente diminuta: a escala nanométrica. Para se ter uma ideia prática dessa escala, 1 nanômetro equivale a bilionésima parte do 1 metro, ou ainda, os materiais estão na mesma ordem da dimensão de moléculas e organelas celulares (Figura 1).


Devido as suas potenciais aplicações, a Nanotecnologia é voltada para o desenvolvimento de materiais e componentes para diversas áreas de pesquisa como medicina, desenvolvimento de fármacos, eletrônica, ciência da computação e engenharia de materiais. Dentre essas diversas áreas, o uso dos nanomateriais em aplicações biomédicas, a chamada Nanomedicina, têm conquistado espaço em técnicas de imageamento, implantes, sensores, biomarcadores e desenvolvimento de fármacos (sistemas de carreamento). Dessa forma, há um grande avanço na área das Ciências Médicas, com relação às técnicas clássicas de desenvolvimento de fármacos e outros produtos de uso biomédico.

Figura 1. Escala relacionando os componentes presentes no SNC com o tamanho de nanomaterias.


O aprimoramento do desenvolvimento de nanomateriais, a redução no custo de produção, a maior diversidade de tipos de materiais e suas variações levaram a criação de novas ferramentas para uso em Neurociência, as quais se baseiam nas características físico-químicas únicas desses nanomaterias. Dentre eles salientamos as nanopartículas poliméricas, os lipossomas, os nanopolímeros, nanopartículas de ouro, entre outros. No entanto, acreditamos que uma das classes de nanomateriais com maior potencial para impulsionar o desenvolvimento da Neurociência são os nanomateriais de carbono, sobre os quais focaremos nossa atenção.


Figura 2. Representação esquemática de nanomateriais à base de carbono. Adaptado com permissão de Fernandes et al. (2018).


Os nanomateriais de carbono (Figura 2) têm sido objeto de intensa pesquisa durante os últimos 30 anos devido às suas propriedades únicas relacionadas a estrutura nanométrica. Os fulerenos foram descritos pela primeira vez em 1985 pelo grupo do pesquisador Kroto; os nanotubos de carbono, estruturas tubulares de carbono com diâmetro nanométrico, ganharam a atenção da comunidade científica com a publicação de Iijima em 1991, na qual foi relatada a síntese de “microtúbulos helicoidais de carbono grafítico”. Por fim, o grafeno, formado por uma camada única bidimensional de átomos de carbono, foi relatado pelos pesquisadores Geim e Novoselov em 2004.


O número crescente de pesquisas tem demonstrado que a aproximação da Nanotecnologia com a Neurociência não é apenas uma perspectiva, e sim, uma realidade. O uso da Nanotecnologia como ferramenta para transpor obstáculos complexos relacionados ao Sistema Nervoso Central (SNC) ganhou força em 2013 com o lançamento da Brain Iniciative (pesquisas sobre o cérebro através do avanço das neurotecnologias inovadoras). O objetivo dessa iniciativa foi desvendar detalhadamente o que se passa no cérebro, analisando neurônios e suas conexões para melhor compreender como o cérebro humano lida com emoções, memórias, ações e consciência. Tendo em vista que funcionamento do cérebro é baseado em eventos nanométricos, a necessidade de ferramentas para estudá-lo na nanoescala, se faz necessária (Figura 3). Assim surge a Nanoneurociência, área da Nanotecnologia que utiliza nanomateriais e nanodisposítivos para compreensão de mecanismos fisiológicos e patológicos do SNC, além de diagnóstico e tratamento de doenças neurológicas.


O nanocarreamento é uma das estratégias mais importantes para superar a dificuldade da entrada de fármacos no SNC, devido a presença da barreira hematoencefálica (BHE) que separa a circulação sanguínea do fluído extracelular na maior parte do cérebro, atuando como uma membrana extremamente seletiva. Se por um lado essa permeabilidade seletiva é essencial para a manutenção da estabilidade (homeostase) e proteção do tecido nervoso, por outro lado há a dificuldade na passagem da maioria dos materiais ou moléculas usadas para terapia em casos de patologias do cérebro, como por exemplo, fármacos utilizados para tratamento de tumores no SNC. Dentre a gama de nanomateriais disponíveis salientamos os nanotubos de carbono por apresentarem grande área superficial, permitindo ligação de múltiplas moléculas em sua superfície, e sua propensão para atravessar barreiras biológicas devido ao seu formato tipo “agulha”.


Outra importante aplicação dos nanomateriais de carbono, é o uso para regeneração neuronal. Considerando que o SNC tem uma capacidade regenerativa muito baixa o desenvolvimento de biomateriais para auxiliar efetivamente a regeneração tecidual tem sido amplamente estudada. Os nanotubos de carbono possuem alta condutividade elétrica e uma topografia que lembra as fibras da matriz extracelular no ambiente nativo do sistema nervoso. Essas características podem favorecer o tratamento de situações graves como a perda neuronal (devido a evento isquêmico), diferenciação neuronal, regeneração neural (em casos de dano físico) e promover a formação da bainha de mielina (mielinização).

Ademais, os nanotubos de carbono podem ser funcionalizados, ou seja, ter sua superfície modificada com compostos específicos, como o fator de crescimento neuronal (NGF), importante para o crescimento, manutenção e sobrevivência de determinados neurônios.


Figura 3. Imagem ilustrativa com algumas aplicações dos nanotubos de carbono na Neurociência.


Porém para que essa tecnologia possa ser aplicada na prática clínica é necessário o desenvolvimento de uma área relativamente nova: a Nanotoxicologia. Dessa forma, são necessários avanços na composição desses nanomateriais (para diminuir a toxicidade e aumentar a biocompatibilidade) e desenvolvimento de testes toxicológicos específicos para comprovar totalmente sua efetividade e segurança.


Por fim, somos otimistas e acreditamos que unindo esforços nos estudos com Neurociências, Nanociências e Nanotoxicologia, será apenas uma questão de tempo até que as aplicações da Nanotecnologia para distúrbios do sistema nervoso cheguem à clínica e possam beneficiar a saúde e a qualidade de vida dos indivíduos.



Referências:

BRUCH, Gisele E. et al. Implications of PEGylation of Carbon Nanotubes for Central Nervous System Bioavailability. CNS & Neurological Disorders-Drug Targets (Formerly Current Drug Targets-CNS & Neurological Disorders), v. 16, n. 9, p. 983-989, 2017.

FERNANDES, Lorena F. et al. Recent Advances in the Therapeutic and Diagnostic Use of Liposomes and Carbon Nanomaterials in Ischemic Stroke. Frontiers in neuroscience, v. 12, p. 453, 2018.

IIJIMA, Sumio. Helical microtubules of graphitic carbon. nature, v. 354, n. 6348, p. 56, 1991.

KROTO, Harold W. et al. C60: Buckminsterfullerene. Nature, v. 318, n. 6042, p. 162, 1985.

KUMAR, Anil et al. Nanotechnology for Neuroscience: Promising Approaches for Diagnostics, Therapeutics and Brain Activity Mapping. Advanced Functional Materials, v. 27, n. 39, p. 1700489, 2017.

NOVOSELOV, Kostya S. et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, v. 306, n. 5696, p. 666-669, 2004.



Dr.ª Daniela Martí Barros

Pesquisadora, professora e palestrante


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