Graphical Abstract
The biocompatible magnetic nanoparticles allowed the development of cancer diagnosis and treatment techniques, such as magnetic resonance imaging (MRI), drug release.
NANOPARTÍCULAS MAGNÉTICAS PARA APLICAÇÃO EM TERAPIA ONCOLÓGICA
Amanda S. V. Paula a*, Bárbara F.D. Guilherme a, Erick V. Santos a e Tatiana C.O. Costa a
a Faculdade Ciências Extas e Tecnologias, Centro Universitário Newton Paiva, 30494-225 Belo Horizonte – MG, Brasil
*e-mail:
[email protected]
MAGNETIC NANOPARTICLE FOR APPLICATION TO ONCOLOGIC THERAPY
Magnetic nanoparticles (MNPs) have been the subject of numerous investigations because of its great potential application in many different fields of technology. Among many, they stand out in the biomedical area. Biocompatible magnetic nanoparticles have enabled the development of techniques for diagnosis and treatment of cancer, such as magnetic resonance imaging (MRI), drug delivery and magnetic hyperthermia. These techiniques aim to minimize side effects and to maximize response to cancer treatment.
Advances in the use of NPMs in biomedical applications depend on the improvement of the synthesis methods for the production of specific samples with appropriate characteristics. Thus, the main objective of this work was to gather information ranging from the synthesis of nanoparticles to their behavior in the cellular interior, emphasizing the best conditions for each procedure.
Keywords: Magnetic nanoparticles1; Oncologic2; Drug delivery3; Biomedical4.
INTRODUÇÃO
Com o advento da Nanotecnologia, grandes avanços em Ciência e Tecnologia foram alcançados. Na Medicina, esses avanços abriram um leque enorme de aplicações, com especial atenção para o uso no tratamento oncológico, uma vez que as terapias convencionais têm efeitos adversos muito agressivos.
Nanopartículas magnéticas (NPMs) são materiais nanoestruturados entre 1 e 100 nm de diâmetro que direcionam sua movimentação na presença de campo magnético. De maneira geral, a composição básica de uma NPM é um metal (M) diretamente ligado a um óxido de ferro, que pode ser exemplificado como MFe2O4. As NPs magnéticas possuem propriedades físico-químicas diferenciadas que estão diretamente correlacionadas com a estrutura cristalina, morfologia e tamanho das partículas; que por sua vez estão correlacionadas com o método de síntese escolhido e o controle de seus parâmetros (pH, temperatura, concentração de reagentes).1
A redução do tamanho característico das partículas traz diversas mudanças às suas propriedades físicas.2 Uma das mudanças mais marcantes refere-se ao regime magnético que esses sistemas podem apresentar, chamado de regime superparamagnético (SPM).3 Este termo refere-se à influência das flutuações térmicas sobre o momento magnético quando as nanopartículas monodomínio tem um diâmetro menor que o chamado diâmetro crítico, Dc. Nesta faixa de tamanho a energia associada à anisotropia diminui até que a energia térmica seja suficiente para superar a orientação preferencial do momento da partícula.
As técnicas que utilizam NPs magnéticas na terapia oncológica podem ser usadas dentro (in vivo) ou fora (in vitro) do organismo. As aplicações in vivo podem ser divididas em diagnósticas (imagens de ressonância magnética) ou terapêuticas (marcação celular, vetorização de medicamentos e hipertermia magnética); enquanto as aplicações in vitro são apenas diagnósticas (separação e seleção).4
Nanopartículas magnéticas
Para uso in vivo, o recobrimento das NPMs é um fator determinante, uma vez que possibilita a estabilidade das partículas e suas interações com o organismo.
Quando dispersas em solução, elas tendem a formar aglomerados sob duas formas diferentes: através da floculação (pequenos agregados) ou coagulação (agregados mais densos), dependendo do tempo que permanecem em repouso. Nesse sentido, o recobrimento impede essa aglomeração, aumentando a estabilidade das NPMs, assim como pode torná-las solúveis em água, com baixa toxicidade, biocompatíveis, prover grupos funcionais à superfície para favorecer a derivação, evitar a captação (uptake) imediata pelo sistema reticulo endotelial e finalmente evitar a ligação do ferro com componentes do sangue.1,3 Outra característica importante advinda do recobrimento é a funcionalização da superfície com agentes biologicamente ativos (Figura 1), como íons específicos, anticorpos, nucleotídeos, peptídeos, vitaminas, hormônios, antibióticos e outras moléculas que possam guiar as NPMs a um alvo específico (célula, tecido ou órgão).5
Figura 1. Nanopartícula magnética (NPM) funcionalizada (Adaptado de [18])
Basicamente a estabilização das NPMs em meio liquido pode ocorrer de duas formas principais: estérica e eletrostática.7 Na estabilização estérica, uma camada de revestimento evita o contato das nanopartículas, conseguido através do uso de surfactantes, polímeros ou outras espécies orgânicas (Figura 2). Já na estabilização eletrostática, as NPMs se repelem por possuírem superfícies com a mesma carga (repulsão Coulombiana).
Figura 2. Mecanismos de estabilização de nanopartículas: (a) estabilização por efeito estérico e (b) estabilização eletrostática
Não somente as características de superfície são fatores cruciais que determinam o sucesso das partículas in vivo, mas também o tamanho delas. Para aplicações in vivo, as NPMs devem ter tamanho menor do que 150 nm e altas magnetizações para permitir que sejam guiadas dentro dos vasos sanguíneos por meio de campos magnéticos externos e para atravessarem as barreiras biológicas.5,7
Quanto às propriedades magnéticas, NPMs com comportamento superparamagnético à temperatura ambiente apresentam melhores respostas a aplicação de campos magnéticos e, por isso, podem ser ministradas em doses menores. Por serem superparamagnéticas, após a retirada do campo magnético elas perdem magnetização e contribuem na dispersão das partículas em solução ou até mesmo em órgãos.8
Carregadores de fármacos
Dentre as várias aplicações das nanopartículas magnéticas uma que se destaca é o transporte de fármacos através da aplicação de um campo magnético que permite direcionar sua localização para um alvo específico.
A utilização de nanopartículas magnéticas como carregadores de fármacos visa a redução de muitos problemas relacionados à administração sistêmica de fármacos. Estes problemas incluem a biodistribuição de fármaco no corpo, a falta de especificidade, a necessidade de grandes doses para alcançar altas concentrações locais e outros efeitos colaterais derivados de altas doses de fármaco.9,10 São inúmeras as vantagens da utilização do sistema de liberação controlada de fármacos magneticamente direcionada quando comparados a outros de dosagem convencional. As vantagens da utilização destes sistemas incluem a maior eficácia terapêutica, redução significativa da toxidez e maior tempo de permanência na circulação; administração segura (sem reações inflamatórias locais) e conveniente (menor número de doses); direcionamento a alvos específicos; incorporação tanto de substâncias hidrofílicas quanto lipofílicas.5,9 O sistema básico para liberação magneticamente direcionada de fármacos consiste de um núcleo magnético revestido por um material biocompatível, no qual a droga encontra-se imobilizada. O revestimento tem a função de proteger a nanopartícula magnética do meio e acoplar a droga citotóxica ou anticorpos específicos a tal partícula. É necessário que os materiais do revestimento sejam biocompatíveis, sendo comum a utilização de polímeros como PVA ou dextran, além de materiais inorgânicos como a sílica.5 O complexo droga-carregador, usualmente na forma de ferrofluido biocompatível, é injetado na corrente sanguínea e arrastado até o alvo específico através da aplicação de um campo magnético. A droga concentrada no alvo é liberada por atividade enzimática ou mudanças nas condições fisiológicas como pH ou temperatura. Os princípios físicos envolvidos no processo de liberação dependem da força magnética exercida na nanoparticula superparamagnética por um gradiente de campo magnético. A efetividade do tratamento depende de parâmetros físicos como a força do campo magnético aplicado e propriedades magnéticas das nanopartículas. Parâmetros hidrodinâmicos como a taxa de fluxo de sangue, concentração do ferrofluido, rota de infusão e tempo de circulação também devem ser considerados, já que as partículas são administradas intravenosamente ou intra-arterialmente.
Hipertermia magnética
O tratamento consiste na dispersão de partículas magnéticas no tecido doente e aplicação de um campo magnético alternado com intensidade e freqüência suficientes para provocar o aquecimento das partículas. Este tratamento está baseado na observação de que células tumorais são menos resistentes ao aumento da temperatura quando comparadas com uma célula saudável.
A temperaturas em torno de 41- 42ºC haverá lise das células tumorais sem haver danos às células normais.
Além disso, a hipertermia pode ser aplicada junto com outros tratamentos, como radioterapia e quimioterapia potencializando os efeitos.9,11 O método é baseado no princípio da geração de calor por uma nanoparticula magnética devido à perda de histerese na presença de um campo magnético alternado.9
Para que as nanopartículas sejam utilizadas no tratamento são exigidas algumas propriedades com baixa toxidez, biocompatibilidade, injetabilidade, alto nível de acumulação no tumor alvo e efetiva absorção de energia do campo magnético alternado.12 Para permitir uma melhores pecificidade as nanopartículas podem ser acopladas a anticorpos, podendo ser levadas a células individuais e específicas.5
O sucesso do tratamento está baseado naescolha de partículas magnéticas com alta capacidade de responder ao campo magnético externo aplicado, além do controle da intensidade e da frequência do campo magnético externo usadas para gerar o calor. O uso de campos magnéticos de altas intensidades e freqüências é limitado por provocar respostas danosas ao organismo como a estimulação dos músculos periféricos e esqueléticos, estímulo cardíaco e possível arritmia e também o aquecimento de tecidos não desejados.9,12
As partículas introduzidas no tumor produzem uma quantidade de calor após aplicação do campo magnético alternado que depende das propriedades magnéticas do material, da intensidade do campo, da frequência de oscilação e da capacidade de aquecimento do fluxo de sangue em torno do tumor. Um dos desafios deste tipo de tratamento é a obtenção da quantidade adequada de partículas magnéticas que aqueça suficientemente o tecido tumoral, usando-se um campo magnético alternado em condições clinicamente aceitáveis.8,12
Contraste para imagem por ressonância magnética
O uso de nanoparticulas magnéticas como agente de contraste em ressonância magnética por imagem (MRI) tem sido bastante pesquisado nos últimos anos.
A ressonância magnética por imagem é uma das mais poderosas técnicas de diagnóstico utilizadas atualmente em medicina, sendo inclusive uma técnica não invasiva. A aplicação das nanoparticulas como agente de contraste requer que as nanoparticulas apresentem certas características como biocompatibilidade e superparamagnetismo, além disso, é desejável que não haja agregação entre as partículas. Para que seja obtida maior biocompatíbilidade e menor agregação as partículas podem ser revestidas com materiais inorgânicos como ouro, sílica ou ainda por polímeros biocompatíveis como dextran.5
Síntese
Importantes propriedades magnéticas das nanopartículas que influenciam bastante no seu comportamento e definem sua aplicação são diretamente afetadas por alguns parâmetros das nanopartículas como o tamanho, a morfologia e uniformidade dos grãos que devem ser controlados durante a síntese. A determinação de condições experimentais que levem a obtenção de partículas com um controle dos parâmetros citados não é tão simples e tem sido um desafio para a pesquisa de nanopartículas magnéticas.6
As rotas sintéticas úmidas são as que apresentam um melhor resultado com controle de propriedade morfológica. Estas rotas incluem síntese por microemulsão, síntese pelo método sol-gel, reações hidrotérmicas e coprecipitação. O método de síntese mais utilizado é a coprecipitação de sais de ferro divalentes e trivalentes em presença de base forte devido à simplicidade e eficiência da técnica.5
Geralmente, as sínteses são realizadas sob atmosfera inerte (nitrogênio ou argônio) e na presença de moléculas de recobrimento (ligante). Para obter um melhor resultado na distribuição dos tamanhos, é importante que a agitação do sistema se mantenha vigorosa, evitando assim gradientes de temperatura ou concentração na solução.
Co-precipitação controlada
Óxidos de ferro podem ser sintetizados através da co-precipitação de soluções aquosas de sais de Fe2+ e Fe3+ com a adição de uma base. O controle de tamanho, forma e composição das NPs depende do tipo de sal utilizado (cloretos, sulfatos, nitratos, percloratos, etc...), razão (Fe2+:Fe3+), pH e força iônica do meio.13 Convencionalmente, magnetita é preparada adicionando-se uma base (NaOH ou NH4OH) a uma mistura aquosa de cloretos de Fe2+ e Fe3+ a uma razão molar de (1:2).14 A reação química é dada pela equação:
É importante que a reação se realize sob atmosfera inerte, livre de oxigênio. Caso contrário, ocorre também a reação de oxidação de Fe3O4:
Nas sínteses por co-precipitação, a morfologia das partículas depende da natureza da base utilizada e da temperatura da reação, sendo que partículas maiores são obtidas a temperaturas mais altas.14 Esse método é simples, reprodutível, apropriado para produções em massa e possui a vantagem de, por ser realizado em solução aquosa, fornecer amostras diretamente hidrofílicas e biocompatíveis, uma vez que se use o ligante apropriado. Porém, devido ao baixo limite de temperatura na qual essa síntese pode ser realizada (máximo de 100ºC, temperatura de ebulição da água), geralmente há pouco controle de tamanho, distribuição, forma e cristalinidade.12
Decomposição térmica
Nesse método, precursores organometálicos, que geralmente contém elementos-chave para o material nanocristalino desejado, são injetados em um solvente orgânico aquecido (~ 100°C– 350°C) juntamente com o ligante escolhido. Assim é induzido um aumento rápido na concentração de monômeros através da decomposição térmica do precursor, o crescimento dos nanocristais pela agregação de monômeros à superfície dos núcleos e o posterior recobrimento da superfície do nanocristal com as moléculas do ligante.14 Essas sínteses orgânicas geralmente fornecem amostras com baixa polidispersão porque a nucleação a altas temperaturas ocorre quase instantaneamente, e, assim, o estágio de crescimento das partículas é bem separado do evento inicial de nucleação. Além disso, a alta temperatura da reação facilita a remoção de defeitos cristalinos e resulta em partículas magnéticas de alta qualidade.12 Esse método possui vários aspectos sintéticos controláveis, tais como a escolha do precursor molecular, tipos de ligantes, temperatura da reação e tempo de crescimento. Porém, por ser realizado com solventes orgânicos, geralmente apolares, uma posterior troca de ligantes das NPs é necessária a fim de torná-las hidrofílicas e passíveis de serem aplicadas em testes biomédicos.
Revestimentos
Os materiais utilizados para revestir a superfície das nanopartículas de óxido de ferro com função de evitar a agregação e sedimentação das partículas, bem como conceder a elas propriedades superficiais para aplicações específicas, incluem estabilizadores monoméricos e poliméricos e também certos materiais inorgânicos.
Os estabilizadores monoméricos mais utilizados compreendem moléculas que apresentam grupos funcionais como carboxilatos, fosfatos e sulfatos. Já os revestimentos poliméricos mais comuns na literatura são dextran, polietileno glicol, álcool polivinílico, quitosano entre outros.5,10
Materiais cerâmicos, como sílica, e metálicos, como ouro e gadolíneo, têm sido investigados como revestimentos para nanoparticulas magnéticas. Estes revestimentos permitem a ligação de ligantes biológico à superfície das nanoparticulas, além de estabilizarem as partículas em solução.6,10
Caracterização
Para avaliar a qualidade das amostras, relacioná-las aos diferentes métodos de síntese adotados e analisar as possibilidades de aplicações em biomedicina, uma caracterização detalhada e completa se faz necessária. Sendo assim, técnicas complementares são utilizadas para investigar a morfologia, estrutura, composição estequiométrica e comportamento magnético desses sistemas.
Difração de raio-X (DRX)
A difração de raios-X é uma técnica importante na caracterização estrutural de sólidos, na identificação dos parâmetros de rede, de fases e do tamanho do cristal. Todos os materiais cristalinos apresentam um padrão de difração característico.
Sendo as NPMs sólidos cristalinos, elas apresentam padrões de DRX característicos, os quais podem ser utilizados qualitativamente para identifica-las e quantitativamente para determinar o grau de pureza e/ou cristalinidade e os parâmetros de cela unitária.15
A cristalinidade de uma amostra pode ser estimada através do alargamento das linhas de difração, que pode ser causado pelo pequeno tamanho de cristalito, pela distorção estrutural ou pela presença defases com reflexões sobrepostas. Se a amostra é formada de nanopartículas cristalinas menores que 50 nm, o alagamento dos picos de difração de Bragg poderá ser grande o suficiente para misturar-se ao background do sinal.15,16
Os tamanhos médios das partículas podem ser calculados a partir da equação de Debye-Scherrer (equação 1), válida somente para materiais na escala manométrica.17
d(hkl)=kδ θ.cosθ (1)
Onde:
d(hkl)..........tamanho médio de cristalito
k.................fator de forma (normalmente utiliza-se k=0,9 para partículas esféricas)
£.................comprimento de ondado raio-X em nm
θ...............abertura a meia altura do pico mais intenso
cos θ..........ângulo de Bragg (difração)
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
O microscópio eletrônico de varredura é um equipamento versátil que permite a obtenção de informações de superfícies de amostras diversas. Um feixe fino de elétrons de alta energia incide na superfície da amostra na qual, ocorrendo uma interação, parte do feixe é refletida e coletada por um detector que converte este sinal em imagem de ES (elétrons secundários).17 Ocorre também a emissão de raios X que fornece a composição química elementar de um ponto ou região da superfície, possibilitando a identificação de praticamente qualquer elemento presente através da análise de EDS (Sistema de Energia Dispersiva).
Magnetometria
Os diferentes óxidos de ferro podem ser caracterizados pelas suas propriedades magnéticas, medidas através de um magnetômetro. De um modo geral, o magnetômetro é usado para medir o momento magnético de uma amostra para um determinado valor de campo aplicado, gerando a curva de histerese. A fonte fornece corrente elétrica para as bobinas do eletroímã que geram um campo magnético na amostra.18
Potencial Zeta
Do ponto de vista teórico, todos os materiais macroscópicos ou nanoparticulados em contato com um líquido adquirem uma carga elétrica em sua superfície. A carga líquida na superfície da partícula afeta a distribuição de íons na sua vizinhança, aumentando a concentração de contra-íons junto à superfície. Dessa maneira, forma-se uma dupla camada elétrica na interface da partícula com o líquido, que difere do bulk da solução. O potencial zeta (ξ) é a medida do potencial elétrico no plano hidrodinâmico de cisalhamento e prevê a estabilidade de suspensões coloidais, consideradas eletrostaticamente estabilizadas na faixa de potencial de ± 30mV. Se o potencial da solução estiver fora dessa faixa, então a solução pode ser considerada estável. As medidas de potencial zeta dependem não somente da superfície da partícula, mas do dispersante. Pode ser afetado pelo pH ou força iônica do meio, valores de condutividade, entre outros fatores.17
CONCLUSÃO
Este trabalho teve como principal foco o estudo de NPs magnéticas obtidas para o tratamento oncológico, destacando os diferentes métodos de síntese e suas características morfológicas, estruturais e magnéticas em função do método sintético adotado.
Apesar das dificuldades encontradas para a sintese das NPMs, podemos dizer que é possível analisar as vantagens de cada tipo e obter partículas com potencialidade para aplicações biomédicas, indo desde as etapas de fabricação de amostras, passando por ampla caracterização e finalizando com a interpretação dos resultados obtidos para esses sistemas. Devido ao grande interesse da comunidade científica nessa área, visando também os inumeros beneficios encontrados no uso das nanopartículas, amplas pesquisas são investidas para que haja uma melhoria significativa e eficaz nas terapias oncologicas.
REFERÊNCIAS
[1] Batlle, X., Labarta, A., Finite-size effects in fine particles: magnetic and transport properties. J. Phys. D: Appl. Phys. 2002, 35, 15–42.
[2] PELECKY, D. L.; RIEKE, R. D. Magnetic properties of nanostructured materials. Chemical Mater, 8, p. 1770-1783, 1996.
[3] CHIEN, G. L. Granular magnetic solids (invited). Journal of Applied Physics, 69, p. 5267-5272, 1991.
[4] MRINMOY, D.; GHOSH, P. S.; ROTELLO, V. M. Applications of nanoparticles in biology. Advanced Materials, 20, p. 4225-4241, 2008.
[5] LAURENT, S.; FORGE, D.; PORT, M.,;ROCH, A.; ROBIC, C.; ELST, L.V.; MULLER, R.N. Magnetic iron oxide nanoparticles: synthesis, stabilization, vectorization, physicochemical characterizations, and biological applications. Chemical Review, v. 108, p. 2064-2010, 2008.
[6] GUPTA, A. K., GUPTA, M. Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications. Biomaterials, v.26, 3995-4021, 2005.
[7] BABES, L., DENIZOT, B., TANGUY, G., LE JEUNE, J. J., JALLET, P., Synthesis of iron oxide nanoparticles used as MRI contrast agents: a parametric study. Journal of Colloid Interface and Science, v. 212, 474-482, 1999.
[8] TARAT, P., MORALES, M. P., GONZÁLEZ-CARRENO, T., VEINTEMILLAS-VERDAGUER, S., SERNA, C.J. Advances in magnetic nanoparticles for biotechnology applications. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, v. 290, 28-34, 2005.
[9] BERRY, C.C.; CURTIS, A.S.G. Functionalisation of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine. Journal of Physics D: Applied Physics, v. 36, p. 198-206, 2003
[10] FARAJI, A.H., WIPF, P. Nanoparticles in cellular drug delivery. Bioorganic & Medicinal Chemistry, v.17, 2950-2962, 2009.
[11] SUGIMOTO, T., MATIJEVIC, E., Formation of uniform spherical magnetite particles by crystallization from ferrous hydroxide gels. Journal of Colloid and Interface Science, v.74, 227-243, 1980.
[12] SUN, S., ZENG, H., Size-Controlled synthesis of magnetite nanoparticles. Journal of the American Chemical Society, v. 124, 8204-8205, 2002.
[13] Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications, A. S. Edelstein, R. C. Cammarata, Taylor & Francis Group (1996).
[14] Z. L. LIU, Y. J. LIU, K. L. YAO, Z. H. DING, J. TÃO, X. WANG, J. MATER. SYNTH. Process. 10, 83 (2002).
[15] Gaoa, J., Xu B., Applications of nanomaterials inside cells. Nano Today, 4, 37—51, 2009
[16] P. S. HADDAD, T. M. MARTINS, M. KNOBEL, D. ZANCHET. Evolution of colloidal iron oxides nanoparticles under thermal treatment. (2010)
[17] Patterson, A. L., The Scherrer formula for X-ray particlesize determination. Physical Review, 56, 978-982, 1939
[18] Sampaio, L.C. et al., Técnicas de Magnetometria. Revista Brasileira de Ensino de Física,22, 3, 2000
[19] Magalhães, F, Síntese e Caracterização de Óxidos de Ferro e Compósitos para Aplicações no Tratamento Redox de Efluentes Aquosos, Tese, UFMG, 2008
