Introdução à Nanobiotecnologia

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1 Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho Introdução à Nanobiotecnologia Bartira Rossi-Bergmann Workshop: Avanços em Engenharia de Proteínas e Síntese de Peptídeos FIOCRUZ - RJ 26/06/08

2 10 mm Top of a nail 1 mm 100 μm Red blood cells 10 μm Visible light wavelenght virus 1 μm 100 nm 10 nm Escala Nano DNA 1 nm Atoms 1 A

3 MERCADO MUNDIAL DA NANOTECNOLOGIA: REGIÕES (2005) Europa 17% Outros 1% Europa 17% Ásia 36% America do Norte 46%

4 MERCADO MUNDIAL DA NANOTECNOLOGIA: SETORES DE APLICAÇÃO INDUSTRIAL (previsão para 2008) Materiais 31% Outros 9% Aeroespacial 6% Eletrônicos 28% Químicos 9% Farmacêuticos 17%

5 MERCADO MUNDIAL DA NANOTECNOLOGIA: APLICAÇÃO INDUSTRIAL (previsão para 2008) Materiais 31% Outros 9% Aeroespacial 6% Eletrônicos 28% Químicos 9% Farmacêuticos 17% Investimento mundial até 2005 US$ 9 bilhões Demanda até 2008 US$ 28 bilhões 2015 US$ 1 trilhão National Science Foundation

6 NANOROBÔS FILME "VIAGEM FANTÁSTICA" (Issac Asimov), 1966

7 RAQUETE DE TÊNIS aro de nanotubos para maior rigidez e leveza. PRODUTOS NO MERCADO SOLAS DE SAPATO com nanoporos para melhor ventilação. COSMÉTICOS com componentes nanoencapsulados. TINTA PARA COZINHA E BANHEIRO com aditivos nanoestruturados para maior durabilidade.

8 ALIMENTOS NANOESTRUTURADOS VITAMINAS EM SPRAY nanogotas para melhor absorção nasal. CHOCOLATE em nanopartículas para melhor textura. SUPLEMENTOS ALIMENTARES nano/micropartículas para melhor absorção intestinal.

9 Língua artificial para medir a qualidade de vinhos e cafés (nanosensores de filmes nanoestruturados de polímeros condutores) analiytes liquid medium Capacitance (nf) sweetness saltness nanostructured film Different sensing units data processing Artificial Neural Networks simple, rapid reversible monitoring sample recognition Quality Control L. Mattoso, Embrapa

10 NASA enzimas de reparo de DNA anti- CD95 Radiação cósmica de alta energia apoptose células reparo no DNA alteração do DNA Nanopartículas contendo enzimas de reparo de DNA e ligantes para reconhecimento das células danificadas, injetadas pelos próprios astronautas. câncer

11 APLICAÇÕES ATUAIS DA NANOMEDICINA 1. Implantes e Próteses 2. Diagnóstico ultra-rápido 3. Nanofármacos

12 APLICAÇÕES ATUAIS DA NANOMEDICINA 1. Implantes e Próteses 2. Diagnóstico ultra-rápido 3. Nanofármacos

13 PRÓTESE ORTOPÉDICA: Molde 3-D de fibras do polímero biodegradável poli-lactídeo (PLA) para regeneração de ligamentos rompidos MOLDE de PLA IMPLANTADO NOVAS CÉLULAS, VASCULARIZAÇÃO BIO DEGRADAÇÃO DO POLÍMERO LIGAMENTO REGENERADO PLA melhor que fibras de colágeno, seda ou compósitos. Casos de rejeição do implante. Outros polímeros estudados para implantes ortopédicos: 1. Poly-glycolide (PGA) and copolymers 2. Polydioxanone (PDS). 3. Trimethylene carbonate (TMC). 4. Polyorthoester (POE). 5. Poly-c-capralacton (PCL).

14 PARAFUSO DE PLA : poli-lactídeo ác. lático 10 MESES APÓS IMPLANTE

15 Fêmur de ovelha 6 meses após implantação de pinos de poliácido glicólico (PGA): Novas trabéculas se formam. Atividade óssea (tetracycline fluorescence): setas vermelhas. Remanescentes do implante: setas brancas Weiler A et al. J Bone Joint Surg Br 1996;78:

16 APLICAÇÕES ATUAIS DA NANOMEDICINA 1. Implantes e Próteses 2. Diagnóstico ultra-rápido 3. Nanofármacos

17 Imagem Imagem melhorada Quantum dots Terapia localizada Cancer diagnosticado Direcionando a medicação Acumulação no tumor Morte das células cancerosas

18

19 Diagnóstico ultra-sensível (Quantum dots >>> fluoresceina)

20 Nanossensores para detecção de biomarcadores de câncer usando Quantum dots sinal elétrico / mudança de cor leitura direta da seqüência do DNA

21 NANOPOROS SENSORES DE TRANSLOCAÇÃO DE DNA Sequenciamento do genoma em tempo real DNA Sol. iônica PRESENTE FUTURO

22 APLICAÇÕES ATUAIS DA NANOMEDICINA 1. Implantes e Próteses 2. Diagnóstico ultra-rápido 3. Nanofármacos

23 NANOFÁRMACOS fármaco nanoestruturado = nanoparticulado DELIVERY SYSTEMS = nano/micropartículas ensaios clínicos MEDICAMENTO NANOESTRUTURADO

24 Terapia Imagem melhorada Quantum dots Terapia localizada Cancer diagnosticado Direcionando a medicação Acumulação no tumor Morte das células cancerosas

25 FÁRMACOS CONVENCIONAIS (livres) Faixa tóxica [droga] sangue dose 1 dose 2 dose 3 dose 4 Faixa terapêutica Faixa sub-terapêutica dias

26 FÁRMACOS CONVENCIONAIS (livres) x NANOFÁRMACOS Faixa tóxica [droga] sangue dose 1 dose 2 dose 3 dose 4 Faixa terapêutica dose única Faixa sub-terapêutica dias

27 FÁRMACOS CONVENCIONAIS (livres) x NANOFÁRMACOS Faixa tóxica [droga] sangue dose 1 dose 2 dose 3 dose 4 Faixa terapêutica dose única Faixa sub-terapêutica dias

28 NANOFÁRMACOS: VANTAGENS 1) CONFORTO PARA O PACIENTE: Administrações mais espaçadas. Menos efeitos colaterais. 2) ASPECTOS ECONÔMICOS: Doses mais baixas do fámaco. Ressussita medicamentos descartados por sua toxidez. Aumenta o tempo de patente do medicamento (formulações). P & D de menor custo (vs descoberta de novas moléculas).

29 NANOFÁRMACOS: DESVANTAGENS Possível toxidez dos polímeros e seus produtos. Dependendo do polímero e do processo utilizado, custo mais elevado que medicamento convencional. Isto, no entanto pode ser compensado pelo menor número de doses utilizadas no tratamento.

30 10 mm MICRO / NANOPARTÍCULAS Top of a nail 1 mm Red blood cells Visible light wavelenght 100 μm 10 μm 1 μm 100 nm Polymeric microparticles Polymeric nanoparticles Liposomes DNA virus 10 nm 1 nm Dendrimers Atoms 1 A Cyclodextrins

31 CHRONOLOGY Ciclodextrins Liposomes Conventional polymeric nanocapsules Solid lipid nanoparticles Pegylated nanoparticles Conventional polymeric nanoparticles Magnetic nanoparticles Stealth nanoparticles

32 NANOPARTÍCULAS COMO SISTEMAS DE ENTREGA DE FÁRMACOS devem ser inertes e biocompatíveis. passagem através de certas barreiras biológicas. podem ser modificadas / funcionalizadas : LIGANTES: para atingir alvo específico (ex: tumor), poupando tecidos saudáveis. PEGUILACÃO: recobertas com polietilenoglicol (PEG) para não ser captadas por células fagocíticas do fígado, permanecendo mais tempo na circulação.

33 FUNCIONALIZAÇÃO

34 SISTEMAS MÚLTIPLOS droga 1 droga 2 Ligantes Ex: anticorpos manana RAR-beta p53 ferro coloidal DIRECIONADOR menor toxidez maior eficácia CAMPO MAGNÉTICO

35 Nanotech approaches to drug delivery Sanjeeb et al. DDT 2003

36 DISTRIBUIÇÃO E DESTINO DAS NANOPARTÍCULAS vias Cerebral Parenteral Oftálmica Oral Pulmonar Cutânea

37 10 mm MICRO / NANOPARTÍCULAS Top of a nail 1 mm Red blood cells Visible light wavelenght 100 μm 10 μm 1 μm 100 nm Polymeric microparticles Polymeric nanoparticles Liposomes DNA virus 10 nm 1 nm Dendrimers Atoms 1 A Cyclodextrins

38 MACRÓFAGO FAGOCITANDO PARTÍCULAS DE 4 um

39 PASSAGEM ATRAVÉS DE CERTAS BARREIRAS BIOLÓGICAS EXTRAVASAMENTO SELETIVO NO TUMOR ENDOTÉLIO VASCULAR SADIO ENDOTÉLIO VASCULAR TUMORAL

40 EXTRAVASAMENTO DE LIPOSSOMAS-PEG CONTENDO A DROGA DOXORUBICINA : TECIDO NORMAL VS TUMORAL lipossomas não extravasam (endotélio sadio) 1 dia após 1 dia após lipossomas extravasam para o tumor (endotélio permeável)

41 PRINCIPAIS TIPOS DE NANOPARTÍCULAS 1. LIPOSSOMAS 2. NANOPARTÍCULAS POLIMÉRICAS 3. CICLODEXTRINAS 4. DENDRÍMEROS CONDIÇÃO 1: BIOCOMPATÍVEIS e BIODEGRADÁVEIS

42 TIPOS DE NANOPARTÍCULAS 1. LIPOSSOMAS 2. ESFERAS / CÁPSULAS POLIMÉRICAS 3. CICLODEXTRINA 4. DENDRÍMEROS

43 LIPOSSOMAS 50 nm Anticorpos bicamada lipídica droga hidrossolúvel no interior aquoso droga lipossolúvel na bicamada Camada protetora de polietilenoglicol(peg) vantagem: totalmente biocompatível desvantagem: fosfatidilcolina é cara

44 LIPOSSOMAS NO MERCADO Medicamento lipossomal Droga Doença Laboratório Doxil / Caelix 1995 Doxorrubicina* câncer Sarcoma Kaposi/AIDS ALZA Myocet Doxorrubicina* câncer ELAN DaunoXome Daunorrubicina* câncer Gilead Sciences Ambisome 1998 Anfotericina B** leishmaniose Gilead Sciences Amphotec Anfotericina B** micose sistêmica ALZA Abelect Anfotericina B** micose sistêmica ELAN * Redução da toxidez cardíaca ** Aumento da solubilidade

45

46 Liposome-based pharmaceuticals on the market or in clinical trials Cancer Infections Barrat et al., 2000

47 TIPOS DE NANOPARTÍCULAS PARA LIBERAÇÃO CONTROLADA DE FÁRMACOS OU VACINAS 1. LIPOSSOMOS 2. PARTÍCULAS POLIMÉRICAS 3. CICLODEXTRINA 1. DENDRÍMEROS

48 Encapsulamento de fármacos em nanocápsulas em água: fechada em etanol : aberta em água: encapsulada

49 NANOPARTICULAS POLIMÉRCAS Mais estáveis que lipossomas - Polímeros biodegradáveis - Mesmo tamanho que lipossomas ( ~ nm) Matriz polimérica O interior contém óleo e é circundado pela parede polimérica nanoesferas nanocápsulas

50 BIODEGRADABLE POLYMERS

51 Polímeros mais utilizados na preparação de partículas poliméricas Naturais Albumina Gelatina Alginato Quitosana Polihidroxialcanoato Sintéticos / semi-sintéticos (2-hidroxi-etil- Poli metacrilato) Poli (N-vinil-pirrolidona). Poli (metil-metacrilato). Poli (vinil alcool). Poli (ácido acrílico). Poli (acrilamida) Poli(etileno-co-vinilacetato) Poli (etileno glicol). Poli (ácido metacrílico) Sintéticos / semi-sintéticos (alta biodegradabilidade) Poli (lactideo) (PLA) Poli (glicolídeo) (PGA) Poli (lactídeo-co-glicolídeo) (PLGA) Poli (anidrido) Poli (ortoéster) Poli (cianoacrilato) Poli (caprolactona)

52 PARTÍCULAS POLIMÉRICAS quitina 5 μm poli(lactato-co-glicolato) = PLGA sacarose + Alcalígenes s.p 133 dias em H20 ac. lático ac. glicólico Quitosana (biopolímero) Poliidroxialcanoato (biopolímero 100% nacional) US$ 3000 / Kg U$ 7 / Kg inerte? U$ 5 / Kg

53 PARTÍCULAS POLIMÉRICAS NO MERCADO Medicamento polimérico Polímero Droga Doença Laboratório Gliadel Wafer pastilha, 1996 polifeprosan 20 carmustina câncer cérebro Aventis Lupron Depot microparts, 1996 PLGA leuprolide câncer próstata TAP Abraxane nanoparts de albumina, 2005 albumina paclitaxel câncer mama Abraxis Todos reduzem efeitos colaterais da droga

54 Protetor solar contendo nanopartículas de óxido de zinco (creme transparente)

55 TIPOS DE NANOPARTÍCULAS PARA LIBERAÇÃO CONTROLADA DE FÁRMACOS OU VACINAS 1. LIPOSSOMOS 2. ESFERAS / CÁPSULAS POLIMÉRICAS 3. β- CICLODEXTRINA 4. DENDRÍMEROS

56 CICLODEXTRINAS (oligossacarídeos cíclicos 3-D) alta solubilidade em H2O interior hidrofóbico Hydrophobic drug 1 nm = SOLUBLE COMPLEX

57 1: 1 1: 2 prostaglandin E2 + gama-cd alfa-cd beta-cd Nature Reviews Drug Discovery 3, (2004)

58 CD Maioria para uso oral (mucosa) Nature Reviews Drug Discovery 3, (2004);

59 ANTIMONIATO DE MEGLUMINA + β-ciclodextrina PARA TRATAMENTO ORAL DA LEISHMANIOSE CUTÂNEA 8 lesion (mm) 6 4 PBS antimonial days after infection antimonial + CD 1) Demicheli C., Ochoa R, Silva JBB, Falcão CAB, Rossi-Bergmann B, Melo AL, Sinisterra, RD and Frezard F. (2004) Antim. Agents Chemother 48(1): ) PCT/BR2004/ : Demicheli, C., Frézard, F., Sinisterra, R.D., Berjarano, R., da Silva, J.B.B., de Melo, A.L., Ferreira,.A.M, Rossi Bergmann, B. Deposito em 24 /06/ 2004.

60 TIPOS DE NANOPARTÍCULAS PARA LIBERAÇÃO CONTROLADA DE FÁRMACOS OU VACINAS 1. LIPOSSOMOS 2. ESFERAS / CÁPSULAS POLIMÉRICAS 3. CICLODEXTRINA 4. DENDRÍMEROS

61 PAMAM: POLY (AMIDOAMINE) DENDRÍMEROS (polímeros globulares ramificados)

62

63 Dendrímeros : uso para transfecção

64 DENDRÍMEROS USO CLÍNICO VIVAGEL (Starpharma) - Herpes genital (em estudo clínico, fase II) -AIDS?

65 NOVA DROGA CONTRA A LEISHMANIOSE CONJUGADA A DENDRÍMEROS PAMAM O OH O O Chalcona CH8 NO 2 + PAMAM dendrimers: G4 NH 2 G4 OH G3,5 COOH

66 ANTILEISHMANIAL ACTIVITY OF DIFFERENT CH8/ PAMAM CONJUGATES (infected macrophages) Molar ratio = 20 : Specific fluorescence CH8 CH8/COOH CH8/OH CH8/NH2 CH8 CH8/COOH CH8/OH CH8/NH2 0 CH8 (μm) * * Pentostam 3 m g/ml Pentostam 15 mg/ml Dendrimer (μm) 0 0,15 0,75

67 NANOTECHNOLOGY: PUBLICATIONS ON DRUGS AND VACCINES (cumulative data) PUBLICATIONS drugs vaccines Source: Web of Science nano* AND drug nano* AND vaccine July 2007

68 NANOTECHNOLOGY: PUBLICATIONS ON DRUGS (2007) PUBLICATIONS Diseases OSTEOPOROSIS COSMETICS 33 DIABETES 82 HEART 107 INFECTION CANCER Source: Web of Science nano* AND drug AND (doença)- July 2007

69 NANOTECHNOLOGY: PUBLICATIONS ON DRUGS (2007) PUBLICATIONS Diseases OSTEOPOROSIS COSMETICS 33 DIABETES 82 HEART 107 INFECTION CANCER Source: Web of Science nano* AND drug AND (doença)- July 2007

70 NANOTECHNOLOGY: PUBLICATIONS ON DRUGS FOR INFECTIONS (2007) PUBLICATIONS mycosis prion Mad Cow bacteria Tuberculosis etc parasites Malaria Leishmaniasis etc virus HIV Hepatitis etc Source: Web of Science nano* AND drug AND (patógeno) July 2007

71 SAFETY CONCERNS Will NP gain access to tissues and cells that normally would be bypassed by larger particles? If nanoparticles enter cells, what effects do they have on cellular and tissue functions? What are the differences in the pharmacokinetic profile of drug in nanoparticles versus larger particles? What preclinical screening tests would be useful to identify potential risks? Can nanoparticles gain access to the systemic circulation from dermal exposure? If nanoparticles enter skin cells, is there an effect on cellular functions? This would be relevant to drugs and cosmetics.

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