Como a nanotecnologia vai revolucionar o cuidado dos olhos

Um nanômetro é um bilionésimo de um metro. É como comparar o tamanho de uma bola de gude ao tamanho da Terra. ¹

No filme “Viagem Fantástica” de 1966, um cientista disfarçado descobre como minimizar objetos, incluindo pessoas, para o tamanho de células. Mas uma tentativa de assassinar o cientista o deixa em coma com um coágulo de sangue em seu cérebro. Para salvá-lo, um submarino é encolhido para 1μm de comprimento, com uma tripulação minimizada de forma semelhante, e é injetado em sua corrente sanguínea. No final das contas, a missão consegue remover o coágulo e salvar sua vida. ²

Quando este filme foi lançado em 1966, esses conceitos pareciam realmente fantásticos, mas apenas algumas décadas depois, a nanotecnologia de hoje tornou pelo menos algumas dessas ideias uma realidade. O que é nanotecnologia?


Nanotecnologia é a criação e o uso de materiais e dispositivos na mesma escala que as moléculas e estruturas intracelulares, normalmente com menos de 100 nm de tamanho. ³ Para colocar isso em perspectiva, um cabelo humano tem 10.000 nm a 20.000 nm de diâmetro e um eritrócito tem 7.000 nm de largura. ^3,4

“Nano” é derivado do prefixo grego que significa anão. ⁵ Um nanômetro é a quantidade de barba de um homem cresce no tempo que leva para levar sua navalha até o rosto. ⁵ Materiais considerados estáveis ​​em nosso mundo cotidiano podem exibir características muito incomuns em níveis nanométricos; o alumínio, por exemplo, pode explodir espontaneamente quando seu tamanho de partícula atinge 20 nm a 30 nm. ¹

A nanotecnologia existe na natureza. Uma fita de DNA tem 2 nm de diâmetro e a maioria das proteínas tem cerca de 10 nm. Os nanomotores de ocorrência natural incluem cinesina e actina, ambos essenciais para o movimento muscular. ^{5 A} pesquisa e a eventual aplicação da nanotecnologia são compartilhadas entre muitas áreas da ciência. Na área da saúde, o interesse pela nanotecnologia está focado em seu uso como agentes diagnósticos e terapêuticos que aumentam amplamente nossa capacidade de detectar e tratar uma ampla variedade de condições. ⁵

Nanotecnologia e cuidados de saúde
Um bom exemplo da aplicação combinada de diagnóstico e terapia da nanotecnologia pode ser visto no trabalho de pesquisadores do departamento de bioengenharia da Rice University em Houston. Naomi Halas, Ph.D., D.Sc., e Jennifer West, Ph.D., desenvolveram originalmente nanoconchas, que consistem em um núcleo de sílica (essencialmente vidro) cercado por uma camada ultrafina de ouro. ^5,6 A cor da nanoconcha é determinada pelo tamanho de seu núcleo e casca. A maioria das nanoconchas tem cerca de 100 nm de tamanho. Drs. Halsa e West, e colegas, investigaram seu uso para detectar e tratar tumores. A pesquisa sugere que as nanoconchas ganham acesso e se acumulam nos tumores devido ao vazamento dos vasos sanguíneos recém-formados. ⁶

Manipular as espessuras do núcleo e da casca das nanoconchas de ouro pode criar uma ampla gama de cores abrangendo o espectro visível e infravermelho próximo.

André Gobin, BS, um estudante de graduação no mesmo departamento, usou nanoconchas de ouro projetadas para refletir as frequências do infravermelho próximo para aumentar a tomografia de coerência óptica (OCT) em tumores. ⁷ Ele descobriu que as nanoconchas também desempenham uma função vital no tratamento de tumores. A concentração das nanoconchas no tecido tumoral, mas não no tecido normal circundante, permite a irradiação seletiva de tecido anormal. Uma vez que os tumores foram identificados, o laser infravermelho próximo é direcionado para os tumores e é absorvido seletivamente pelas nanoconchas, causando um rápido aumento da temperatura no tecido anormal. O Sr. Gobin e colegas descobriram que este regime de diagnóstico / tratamento estendeu significativamente a vida dos animais de estudo, em comparação com o grupo de controle. ⁷

Existem várias outras aplicações potenciais de saúde para nanotecnologia, incluindo reparo de células pela manipulação de moléculas em uma base individual, reversão de alterações do envelhecimento, remoção de placas e outras alterações relacionadas a doenças cardiovasculares, reparo de tecido ósseo e neural, terapia genética, haste auxiliar células para reparar tecidos danificados, usando lentes de contato nanocompósitos para monitorar a glicose no sangue e usando nanodispositivos e lasers para realizar cirurgias muito focalizadas. ^8,9

Nanotecnologia e o olho
O olho é exclusivamente adequado como um alvo para nanotecnologia. É um pequeno órgão de fácil acesso devido à sua posição exposta. Os nanomateriais têm uma alta proporção entre área de superfície e volume. Este atributo pode ser benéfico na redução ou eliminação de espécies reativas, que são estabelecidas como causa de cataratas e outras doenças oculares. ¹⁰ Especificamente, as nanopartículas de óxido de cério (CeO2) – ou seja, partículas de nanoceria – com um diâmetro de 5 nm têm uma grande área de superfície para relação de volume e podem eliminar os intermediários de oxigênio reativos com eficácia. Sua configuração permite que as partículas de nanoceria regenerem sua função como eliminadores de radicais sem dosagem repetitiva. ¹¹

Junping Chen, MD, Ph.D., e colegas demonstraram que a injeção intravítrea com partículas de nanoceria previne danos à luz em roedores.11 A aplicação futura desta tecnologia pode ser usada para tratar outras condições oculares relacionadas a danos oxidativos, como degeneração macular e Retinopatia diabética. ^{11 A}

flutuação da pressão intraocular (PIO) é característica do glaucoma. Um problema no controle do glaucoma é a medição da PIO ao longo do tempo (ou seja, em vários intervalos durante o dia). ^12,13A capacidade de monitorar continuamente a pressão intraocular seria um recurso valioso. Matteo Leonardi, MD, e colegas na Suíça desenvolveram uma lente de contato descartável com um sensor embutido – este sensor de lente de contato (CLS) permite a medição da curvatura da córnea produzida por mudanças na PIO. ¹⁴

O sensor é um extensômetro de platina-titânio com espessura total de 175 nm. ¹⁴ Os pesquisadores canularam o olho de um porco, aplicaram um CLS à córnea e mudaram a PIO em incrementos de 1 mm. Seu estudo mostrou que o CLS era capaz de medir a PIO dentro de 0,2 mm Hg (intervalo de confiança de 95%) dos valores obtidos com um sensor de pressão acoplado ao olho.

Os pesquisadores alemães Christoph Faschinger, MD, e Georg Mossböck, MD, usaram com sucesso este sistema para monitorar a PIO de 11 pacientes por até 24 horas. Eles registraram perfis de pressão que eram planos, flutuantes ou que apresentavam picos. ¹⁵

Nanotecnologia e entrega de medicamentos
Os pesquisadores estão explorando a nanotecnologia como um meio de entrega de drogas – não apenas para medicamentos sistêmicos, mas também para aplicações oculares. Muitas das doenças que afetam os olhos são tratáveis ​​através da superfície ocular ou vasculatura. Os sistemas de aplicação convencionais nem sempre são ideais devido à dinâmica da lágrima, diluição devido ao lacrimejamento reflexivo, impermeabilidade corneana relativa a muitos medicamentos e à influência da saúde da superfície ocular na absorção do medicamento. A córnea contém estruturas lipofílicas e hidrofílicas e, portanto, apresenta uma barreira para muitos medicamentos tópicos – normalmente, menos de 5% da droga instilada penetra na córnea. ¹⁶

O protótipo de sensor de lente de contato projetado pela Suíça contém medidores de tensão que medem as alterações da curvatura da córnea causadas por variações da pressão intraocular. Um microprocessador e uma antena integrada no contato flexível facilitam a alimentação e a comunicação sem fio.

Os nanomedicamentos são promissores como alternativas viáveis ​​aos colírios, géis ou pomadas convencionais para melhorar a administração da droga ao olho. Devido ao seu pequeno tamanho, são bem tolerados, evitando o desgaste e aumentando a biodisponibilidade. É importante que os nanofármacos sejam bioaderentes para evitar que sejam eliminados rapidamente através do sistema nasolacrimal. As pequenas quantidades de medicamento administradas à superfície ocular podem reduzir o risco de embaçamento, e existe a possibilidade de que as nanopartículas entrem nas células da córnea, prolongando o tempo de contato. ¹⁶

A composição do carreador dos nanofármacos deve ser biodegradável, transparente e confortável. Vários polímeros artificiais biodegradáveis ​​e polímeros naturais (por exemplo, quitosana, gelatina, albumina e alginato de sódio) mostram-se promissores para a entrega de drogas. Piedad Calvo e colegas investigaram a biodisponibilidade da indometacina, um fármaco anti-inflamatório não esteroidal encapsulado em nanopartículas, em comparação com a solução convencional. Eles descobriram que a penetração in vitro da córnea da indometacina encapsulada era mais do que três vezes maior que a dos colírios comerciais. ¹⁷

• Lipossomas: Os lipossomas são vesículas que consistem em uma ou mais camadas de fosfolipídios – o mesmo material de base encontrado nas membranas celulares que normalmente contêm um núcleo de uma substância aquosa. Os lipossomas podem ser positivos, negativos ou neutros, dependendo da composição química e do núcleo. Suas vantagens incluem biocompatibilidade, biodisponibilidade, baixa toxicidade e potencial para acomodar drogas hidrofílicas e lipofílicas. ¹⁷ A dexametasona tópica penetra mal na superfície ocular intacta. Assim, J. Al-Muhammad e colegas formularam a dexametasona em lipossomas e avaliaram as concentrações nos segmentos anteriores de coelhos. Eles encontraram altos níveis da droga na conjuntiva, sugerindo que os lipossomas criam um reservatório de droga que aumenta a penetração ocular. ¹⁸

• Nanopartículas: Nanopartículas são sistemas coloidais que apresentam várias vantagens em relação à entrega convencional. Eles melhoram a eficiência do parto, prolongam o parto e são particularmente úteis em doenças crônicas, como glaucoma, edema retinal, uveíte e neovascularização ocular. Moléculas como fatores de crescimento podem ser entregues por meio de nanopartículas. Em modelos de roedores de glaucoma, nanopartículas carregadas com fator neurotrófico derivado da glia forneceram proteção sustentada de células ganglionares. ⁴

• Dendrímeros: Dendrímeros são nanopolímeros altamente ramificados que têm sido usados ​​para administrar inibidores de gatifloxacina, pilocarpina e fator de crescimento endotelial vascular (VEGF). Os translocadores dendriméricos poliguanidilados (DPT) são estruturas nanométricas usadas para translocar moléculas de maneira eficiente através de barreiras, como as membranas celulares. O uso de DPT produziu um aumento de quatro vezes na solubilidade e entrega de gatifloxacina ao segmento posterior dos olhos de coelho e produziu um aumento significativo nas concentrações de tecido na conjuntiva e na córnea. ^{4 Os} dendrímeros foram formulados como agentes adesivos e usados ​​por pesquisadores em Boston para fazer o reparo da córnea e outras aplicações terapêuticas oculares que requerem um adesivo. Esses produtos são uma grande promessa como alternativa às suturas em lesões oftálmicas penetrantes.¹⁹

Novas Técnicas Cirúrgicas
Uma das tecnologias mais fascinantes é o reparo de axônios na escala subcelular. Axônios cortados no sistema nervoso central (SNC) não se regeneram a partir de seu coto de axônio, pelo menos em parte devido à inibição pelo ambiente circundante. Os neurônios adultos do SNC não podem se regenerar. Os axônios cortados do sistema nervoso periférico (SNP) podem se regenerar, mas devem fazê-lo por meio das bainhas endoneurais que se estendem até o local-alvo original. A cirurgia reconstrutiva atual do SNP visa direcionar precisamente os axônios para as bainhas neurais, uma meta que muitas vezes não é alcançada. ²⁰

Com o advento da nanotecnologia, a cirurgia do SNC está mudando. Atualmente, o SNC usa “construções nervosas”, tecidos fabricados artificialmente que preenchem a lacuna entre o nervo dos cotos proximal e distal. Uma abordagem é usar materiais em nanoescala para unir os nervos. Nanoknitting usa peptídeos de 5 nm para apoiar o nervo e minimizar os fatores inibidores presentes. Esta técnica foi realizada com sucesso em axônios retinais de hamsters. Estudos semelhantes foram realizados em lesões da medula espinhal em ratos. ²⁰

A versão comercial do sensor de lente de contato, o Triggerfish (Sensimed AG, Lausanne, Suíça) recebeu a designação CE em 2009 e difere ligeiramente na aparência do protótipo anterior.

No passado, a cirurgia convencional e a ablação a laser foram usadas para remover o tecido danificado nas extremidades terminais dos axônios danificados. Lasers são relativamente precisos, mas as zonas de ablação com lasers de picossegundo e femtossegundo afetam uma área de 300 nm a 500 nm. Nanoknives fabricados de silicone têm sido usados ​​para fazer cortes muito pequenos e precisos sem danos moleculares e celulares não intencionais ao tecido circundante. O comprimento das lâminas varia de cem a várias centenas de nm, e o formato é determinado pela aplicação para a qual cada instrumento será usado.

Esses instrumentos requerem um meio incrivelmente preciso de manipulação do material a ser cortado; a diaeletroforese (DEP) é um meio de atingir essa precisão. DEP move um objeto polarizável em um campo elétrico não homogêneo, exercendo forças que o fazem se mover em direção a um lado do campo elétrico. A magnitude do movimento é ditada pela DEP e está diretamente relacionada à intensidade do campo elétrico aplicado, a frequência CA, o tamanho e a forma do objeto e suas propriedades dielétricas. O DEP foi utilizado com sucesso para manipular células de bactérias e axônios nervosos. ²⁰

Uma vez que os axônios tenham sido alinhados e o tecido danificado removido, é necessário fundir os dois segmentos. Um método, a eletrofusão, usa pulsos elétricos para criar uma ruptura transitória das membranas celulares e a formação de poros que, se os poros forem formados em regiões de axônios adjacentes, causarão a fusão entre as duas células. Outros métodos, incluindo fusão química e fusão com captura a laser, foram avaliados para o reparo de axônios. ²⁰

O uso da nanotecnologia tem o potencial de revolucionar a maneira como fornecemos e recebemos cuidados de saúde. Isso é particularmente verdadeiro para os olhos e o sistema nervoso. Algumas das tecnologias atualmente em teste eram apenas sonhos há menos de uma década. Tanto a profissão quanto nossos pacientes se beneficiarão à medida que os avanços em novos sistemas de fornecimento de mediação e sistemas de diagnóstico continuarem a surgir. No entanto, isso não é sem riscos e desvantagens possíveis – como com qualquer tecnologia, pode haver efeitos colaterais e complicações imprevistas.

É altamente improvável que qualquer um de nós seja miniaturizado para explorar os olhos de nossos pacientes através de um nanossubmarino, mas a nanotecnologia pode nos oferecer a capacidade de ver e realizar feitos igualmente incríveis.