Este documento discute aplicações da nanobiotecnologia em diagnóstico e terapia, incluindo detecção de doenças, endereçamento de fármacos, terapia gênica e biofármacos. Também aborda potenciais riscos das nanopartículas e a necessidade de avaliação da segurança na nanomedicina.

1. Curso de Extensão Universitária

2. 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

3. BIOLOGIA MOLECULAR
A Biologia Molecular é o estudo da biologia em nível molecular, com
especial foco na estrutura dos ácidos nucléicos e na expressão e função das
proteínas. Portanto, a Biologia Molecular investiga as interações entre os
diversos sistemas celulares, incluindo a relação entre o DNA, os RNAs e as
proteínas.
Conceitos básicos:
http://cibpt.wordpress.com/2008/10/11/ogm-e-engenharia-genetica/

4. A Biologia Molecular é uma disciplina que está na interface entre a
Bioquímica e a Genética uma vez que relaciona os conhecimentos de ambas
as ciências ao investigar os mecanismos de replicação de DNA, transcrição
de RNAm e síntese e função de proteínas.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Biologia_molecular

5. BIOTECNOLOGIA
Biotecnologia é um conceito amplo que pode ser dividido em:
• Biotecnologia tradicional envolve a produção de produtos de interesse
empregando organismos vivos ou parte deles. Nesta definição estão
incluídas uma séria de atividades (realizadas a milhares de anos) que
envolvem, por exemplo, a produção de alimentos fermentados (pão, cerveja,
vinho entre outros).
• Biotecnologia moderna envolve a produção de produtos de interesse com a
aplicação de conhecimentos de Biologia Molecular e de Tecnologias de DNA
Recombinante ou Engenharia Genética.
Conceitos básicos:

6. http://biologia4a-albertoyjuanjo.blogspot.com.br/2010/01/biotecnologia-tradicional.html
http://www.bioloogic.blogspot.com.br/
• Biotecnologia tradicional • Biotecnologia moderna

7. ENGENHARIA GENÉTICA OU TECNOLOGIA DO
DNA RECOMBINANTE
A Engenharia Genética ou Tecnologia do DNA Recombinante consiste
na utilização de uma série de estratégias que permitem alterar o genoma de
organismos, inserindo um ou mais genes no DNA, ou silenciando a expressão
de um gene já existente no genoma com o objetivo de adicionar ou retirar
características de seres vivos de interesse.
Conceitos básicos:

8. NANOTECNOLOGIA / NANOBIOTECNOLOGIA
A nanotecnologia lida com desenvolvimento de materiais, dispositivos ou
outras estruturas que possuem ao menos uma dimensão de tamanho de 1 a 100
nanômetros (Fakruddin et al., 2012).
A nanotecnologia é uma nova abordagem científica que envolve materiais e
equipamentos capazes de manipular as propriedades físicas, bem como as químicas de
uma substância em níveis moleculares. Por outro lado, a biotecnologia utiliza os
conhecimentos e técnicas da biologia para manipular processos moleculares, genéticos
e celulares para desenvolver produtos e serviços e é usada em diversos campos da
medicina à agricultura (Fakruddin et al., 2012).
Nanobiotecnologia é considerada a fusão da nanotecnologia com a
biotecnologia onde a micro-tecnologia clássica pode ser mesclada a uma abordagem
biológica molecular real (Tkachenko et al., 2003).
.
Conceitos básicos:

9. NANOTOXICOLOGIA / NANOECOTOXICOLOGIA
Nanotoxicologia (Oberdörster et al., 2005) e nanoecotoxicologia (Kahru e
Dubourguier, 2010) são disciplinas emergentes que surgiram para lidar com os
potenciais efeitos tóxicos causados pela exposição aos nanomaterias respectivamente
nos seres vivos e no ambiente.
Este assunto é tão importante que um periódico científico foi criado com o
objetivo de divulgar resultados de estudos relacionados ao tema: Nanotoxicology.
Conceitos básicos:
“The peer-reviewed journal Nanotoxicology is
dedicated to Research relating to the potential
for human and environmental exposure,
hazard and risk associated with the use and
development of nano-structured materials.”

10. Recentemente foi publicada uma excelente revisão tratando de perspectivas e
aplicações da nanobiotecnologia sobre uma perspectiva médica. O conteúdo desta
revisão será discutido a seguir.

11. APLICAÇÕES DA NANOBIOTECNOLOGIA
Aplicações em diagnóstico:
• Detecção: A nanobiotecologia oferece uma solução através do uso de nanocristais
semicondutores (também conhecidos como "quantum dots"). Estas minúsculas sondas podem
suportar um número muito maior de ciclos de excitação e de emissões de luz que moléculas
orgânicas comuns, as quais se decompõem mais rapidamente (Drexler, 1992).
• Sondas-alvo individuais: Nanopartículas de ouro com pequenos fragmentos de DNA aderidos
formam 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 demonstrou
resultados promissores na detecção de anthrax, apresentando sensibilidade muito maior que
os testes usados atualmente (Nanosphere Inc, 2004).

12. APLICAÇÕES DA NANOBIOTECNOLOGIA
• Chips de Proteínas: a proteômica representa uma ferramenta importante no diagnóstico de
doenças e para a indústria farmacêutica, onde fármacos podem ser desenvolvidos para
modular rotas de sinalização celulares. Chips de proteínas podem ser tratados com grupos
químicos ou pequenos componentes modulatórios de proteínas que se ligam a alvos protéicos
específicos através de motivos estruturais ou bioquímicos (Lee et al., 2002).
• Nanotecnologia como uma ferramenta de imagem: imagens intracelulares podem ser
obtidas através da marcação de moléculas-alvo com “quantum dots (QD)” ou cromóforos
sintéticos tais como proteínas fluorescentes que facilitam a investigação direta de complexos
de sinalização intracelular por técnicas ópticas, por exemplo, microscopia de fluorescência
confocal ou imagem de correlação (Lin e Datar, 2006; Guccione et al., 2004).

13. APLICAÇÕES DA NANOBIOTECNOLOGIA
Aplicações terapêuticas:
• Endereçamento de fármacos: nanopartículas como agentes terapêuticos podem ser
endereçados aos sítios-alvo incluindo localizações difíceis de serem alcançadas por fármacos
usuais. Muitos agentes, os quais não podem ser administrados oralmente em função da baixa
biodisponibilidade 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 et
al., 2003; Koping-Hoggard et al., 2005). Recentes avanços na encapsulação e
desenvolvimento de modelos animais adequados têm demonstrado que micropartículas e
nanopartículas são capazes de aumentar a imunização (Lutsiak et al., 2002).
• Direcionamento de genes: o sucesso da utilização de nanocarreadores de genes menos
imunogênicos em substituição aos vetores virais parece benéfico na reparação ou substituição
de genes mutados em humanos (Davis, 1997).

14. APLICAÇÕES DA NANOBIOTECNOLOGIA
• Lipossomos: Um lipossomo que é composto por uma bicamada lipídica pode ser usado na
terapia gênica em função de sua habilidade em “atravessar” bicamadas lipídicas e membranas
celulares de uma célula alvo. O uso recente de muitos grupos de lipossomos tem se mostrado
convincentemente efetivo (Hart, 2005; Ewert et al., 2005).
• Superfícies: Na natureza, existem múltiplos exemplos de interações complexas entre
moléculas e superfícies. A nanofabricação revela a complexidade destas interações pela
modificação das características de superfície com resolução em nanoescala que pode levar a
sistemas 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 de
biomoléculas limitam a disponibilidade de moléculas bioativas. A montagem em nanoescala e
técnicas de síntese dão vantajosa alternativa aos métodos tradicionais.

15. APLICAÇÕES DA NANOBIOTECNOLOGIA
• Biofármacos: a nanobiotecnologia pode ajudar a desenvolver drogas para certas doenças
onde medicamentos convencionais não são eficazes. A nanobiotecnologia apresenta a
capacidade de manipular fisicamente alvos, moléculas e átomos em substratos sólidos e
envolve-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 reduzir
o custo da descoberta de novos fármacos, e permitirá que novos componentes sejam avaliados
facilitando o desenvolvimento de fármacos altamente específicos.

16. Embora a expectativa da utilização da nanobiotecnologia na área
médica seja muito alta e os potenciais benefícios sejam infinitamente
promissores, a segurança na nanomedicina está longe de ser completamente
avaliada. O uso da nanotecnologia na medicina terapêutica necessita de uma
avaliação adequada dos seus fatores de segurança e de risco (Fakruddin et al.,
2012). Da mesma forma, a presença de nanoprodutos no ambiente e os efeitos
sobre os seres vivos precisam ser também avaliados e monitorados.
RISCOS POTENCIAIS DAS NANOPARTÍCULAS

17. 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 for
induction 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.
Kahru A, Dubourguier H-C: From ecotoxicology to nanoecotoxicology. Toxicology 2010;269:105-19.
Koping-Hoggard M, Sanchez A, Alonso MJ: Nanoparticles as carriers for nasal vaccine delivery. Expert Rev Vaccines 2005;4:185–196.
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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.

18. REFERÊNCIAS
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macrophages in vitro. Pharm Res 2002;19:1480–1487
Nanosphere Inc: 2004. Available at http://www.nanosphere-inc.com.
NBTC (Nano-biotechnology Center, Cornell University): 2004. Available at http://www.nbtc.cornell.edu/default.htm.
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Oberdörster G, Oberdörster E, Oberdörster J: Nanotoxicology: An Emerging Discipline Evolving from Studies of Ultrafine Particles. Environmental Health
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