O ultrassom abre as estruturas supramoleculares e liberta a cisplatina, um fármaco anticancerígeno
As nanoestruturas à base de paládio podem ser abertas mecanicamente, a sua carga útil libertada e totalmente restauradas
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Investigadores da Universidade Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) deram um passo importante no sentido do desenvolvimento de materiais moleculares inteligentes. A equipa liderada pelo Dr. Bernd M. Schmidt (Instituto de Química Orgânica e Química Macromolecular) e pelo Professor Dr. Jan Meisner (Instituto de Química Física) demonstrou que nanoestruturas moleculares complexas podem ser ativadas seletivamente, desmontadas de forma controlada e até mesmo remontadas utilizando ultrassons. Os resultados foram agora publicados na revista científica *Nature Communications*. Estas descobertas poderão, por exemplo, contribuir para o desenvolvimento de medicamentos oncológicos mais direcionados no futuro.
As gaiolas supramoleculares estão entre as estruturas mais fascinantes da química moderna. São construídas a partir de blocos de construção moleculares individuais, que se auto-organizam em arquiteturas tridimensionais. A investigação sobre estas nanoestruturas centra-se em aplicações como câmaras de reação molecular, sensores ou potenciais sistemas de administração de fármacos terapêuticos. Embora a sua montagem direcionada seja bem compreendida, a desmontagem seletiva continua a representar um desafio.
É aqui que entra o estudo de Düsseldorf, agora publicado na conceituada revista científica «Nature Communications». Os investigadores anexaram cadeias de polímeros flexíveis — que funcionam, essencialmente, como minúsculas cordas moleculares — a gaiolas moleculares baseadas no elemento químico paládio. Quando estes sistemas são submetidos a irradiação por ultrassons, as cadeias de polímero transmitem forças mecânicas à estrutura da nanoestrutura, permitindo que as ligações sejam seletivamente quebradas e que as gaiolas sejam abertas de forma controlada. Este mecanismo é importante, por exemplo, para permitir a administração direcionada de fármacos terapêuticos no organismo.
«As moléculas auto-montadas são frequentemente descritas como sistemas dinâmicos. Até à data, porém, não existiam métodos que permitissem uma intervenção mecânica direcionada nestes processos. O nosso trabalho demonstra que o ultrassom pode ser uma ferramenta extremamente eficaz para controlar tais nanoestruturas», explica o Dr. Bernd M. Schmidt.
É particularmente digno de nota o facto de os investigadores não se terem limitado a observar a desmontagem das estruturas. Em condições adequadas, conseguiram também remontar totalmente os sistemas ativados.
Os investigadores aplicaram os benefícios práticos diretamente num outro foco do estudo, nomeadamente a libertação controlada do fármaco anticancerígeno cisplatina. Em primeiro lugar, o fármaco foi encapsulado nos contentores moleculares. A irradiação com ultrassons desencadeou então a abertura seletiva dos transportadores do fármaco para permitir a libertação do medicamento.
«A libertação da cisplatina serviu de modelo de investigação, demonstrando que as forças mecânicas podem ser utilizadas para libertar carga molecular do interior de nanoestruturas supramoleculares de forma direcionada», afirma o autor principal, Tim David. «Isto abre perspetivas interessantes a longo prazo para o desenvolvimento de sistemas de transporte inteligentes.»
Para compreender as observações experimentais a nível molecular, os investigadores combinaram as suas experiências com simulações computacionais avançadas. A dimensão e a complexidade dos sistemas analisados representaram um desafio particular. Dependendo da arquitetura, as estruturas solvatadas compreendem entre várias centenas e mais de 4 000 átomos. A interação entre estes átomos tem de ser calculada com um elevado grau de precisão, a fim de garantir que as quebras de ligações induzidas pela força mecânica sejam representadas corretamente. Os métodos de simulação convencionais atingem rapidamente os seus limites neste contexto: ou é necessária demasiada capacidade de computação para sistemas tão grandes, ou os métodos simplesmente não conseguem representar as quebras de ligações com precisão suficiente.
Consequentemente, a equipa liderada pelo Professor Jan Meisner utilizou um potencial interatómico especial baseado em aprendizagem automática, que otimizaram explicitamente para a descrição de ligações metal-ligante. Isto permitiu a realização de simulações que são muito mais rápidas do que os cálculos quimico-quânticos convencionais, mas que conseguem representar as reações químicas com praticamente o mesmo grau de precisão. Como resultado, os investigadores conseguiram determinar as forças às quais as ligações individuais paládio-azoto se rompem e o processo de desmontagem das gaiolas sob tensão mecânica.
«As novas simulações permitiram-nos determinar quais as forças necessárias para quebrar ligações individuais no interior das estruturas em forma de gaiola», explica o professor Jan Meisner. «Isto dá-nos uma visão direta de processos que são praticamente impossíveis de observar experimentalmente. A utilização da aprendizagem automática permitiu-nos simular sistemas grandes e complexos de forma eficiente e examinar a reatividade induzida mecanoquimicamente.»
O estudo oferece, assim, insights fundamentais sobre a forma como as forças mecânicas podem ser transmitidas através de sistemas supramoleculares. Ao mesmo tempo, abre novas possibilidades para o desenvolvimento de materiais adaptativos, sistemas moleculares comutáveis e futuros sistemas de administração de fármacos.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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