Estudos toxicológicos de materiais nano-estruturados de carbono. Algumas aplicações farmacológicas

Palavras-chave: Fulerenos,Partilha membranar,Bioenergética mitocondrial,Toxicidade,Atividade antioxidante,Entrega de acidos nucleicos

Este trabalho descreve um estudo da interação de suspensões aquosas de C60 e de C60(OH)18-22 com sistemas biológicos considerando modelos de complexidade crescente, das membranas aos organismos, passando pelos organelos e células. Enquanto a preparação de suspensões aquosas de C60(OH)18-22 foi realizada por dissolução direta em água, tendo dado lugar a nanopartículas com diâmetro inferior a 3 nm e potencial Zeta de cerca de -37 mV, a obtenção de suspensões aquosas de C60 obrigou a uma dissolução prévia em tolueno, seguida de transferência para água, produzindo nanopartículas de 33 nm e potencial Zeta de cerca de -25 mV. As características físicas das nanopartículas não sofreram alteração nos meios que mimetizaram as condições fisiológicas dos sistemas biológicos. Estudos de supressão de fluorescência mostraram que os fulerenos partilham extensivamente tanto em modelos membranares como em membranas nativas e incorporam em regiões distintas da membrana. C60 apresenta valores de coeficiente de partilha cerca de 6 vezes superiores aos de C60(OH)18-22 e localiza-se preferencialmente no interior hidrofóbico da membrana ao passo que C60(OH)18-22 prefere regiões próximas dos grupos polares dos fosfolípidos.  Os efeitos dos fulerenos na atividade do sistema respiratório mitocondrial, tomada como ilustrativa de uma função celular residente na membrana e fortemente influenciada por agentes que interagem com os componentes da membrana e alteram a sua topologia, foram investigados seguindo as flutuações do potencial elétrico transmembranar, a despolarização induzida pelo ADP e o consumo de oxigénio promovido por diferentes substratos. Foi demonstrado que, na mesma gama de concentrações, C60 exerce uma toxicidade mitocondrial mais severa do que C60(OH)18-22, traduzindo-se por aumento da permeabilidade passiva da membrana interna a protões e inibição da atividade dos complexos respiratórios, sem afetar o sistema fosforilativo. Todavia, C60(OH)18-22 a concentrações superiores à máxima utilizada de C60, inibe a atividade da FoF1-ATPsintase. A um nível de complexidade biológica mais elevado e num contexto de toxicologia ambiental, os efeitos dos fulerenos foram avaliados em dois organismos-modelo: Geobacillus stearothermophilus em representação dos microrganismos decompositores e Lemna gibba em representação das plantas fotossintéticas. Enquanto o crescimento e a estrutura morfológica da bactéria não foram afetados pelos fulerenos na gama de concentrações de 2 a 15 mg/L (para C60) e de 5 a 200 mg/L (para C60(OH)18-22) e a atividade respiratória dos protoplastos só foi inibida pelo fulereno hidroxilado a concentrações muito elevadas (≥1040 g/mg de proteína), a proliferação vegetativa da L. gibba foi fortemente reduzida por C60 (até 10 mg/L) e por C60(OH)18-22 (≥ 100 mg/L). Alterações do conteúdo em clorofilas e da atividade fotossintética de L. gibba, mais severas na presença de C60 do que de C60(OH)18-22, foram igualmente observadas. A toxicidade dos fulerenos foi também avaliada utilizando linhas celulares humanas (HeLa, neuro2a) e culturas primárias de astrócitos de rato, não tendo sido detetados efeitos tóxicos a concentrações até 15 mg/L para C60 e até 100 mg/L para C60(OH)18-22, após 24 e 48 horas de incubação. Estes resultados motivaram a investigação do potencial farmacológico destas nanopartículas. C60, ao contrário do C60(OH)18-22, mostrou capacidade de proteger as células neuro2a da toxicidade de t-butil-hidroperóxido, conhecido por induzir morte celular associada a stresse oxidativo. Já os estudos de peroxidação lipídica em mitocôndrias de fígado de rato mostraram que ambos os fulerenos são capazes de se opor à degradação oxidativa dos lípidos induzida pelo agente oxidante, sendo a proteção conferida por C60 significativamente superior à promovida pelo seu congénere hidroxilado. Estes resultados são discutidos à luz das diferenças na localização e extensão da partilha dos fulerenos nas biomembranas.  Numa perspetiva de aplicação farmacológica dos fulerenos a doenças neurodegenerativas, investigou-se a possibilidade do fulereno C60 conjugar às suas propriedades antioxidantes a capacidade de funcionar como vetor de ácidos nucleicos, num contexto de terapia génica. C60, embora não tenha permitido, nas condições experimentais ensaiadas, promover a expressão de uma proteína-repórter (GFP) em células HeLa, por transfecção com um plasmídeo de DNA, revelou qualidades assinaláveis como vetor de moléculas de RNA de interferência, induzindo o silenciamento da expressão da proteína GFP em células HT-1080 e U87.  Em conclusão, as propriedades físico-químicas dos fulerenos, influenciando a sua incorporação e topologia nas membranas biológicas, revelaram-se determinantes da atividade toxicológica e do potencial farmacológico daqueles compostos. Especificamente, a ausência de toxicidade em células nervosas, o efeito protetor de danos oxidativos e a capacidade de transportar ácidos nucleicos (siRNA) conferem ao C60 elevado potencial neuroprotetor.

Área científica: Ciências Exactas e Naturais