O Prêmio Kavli de Nanociência de 2024 é concedido a três pioneiros da nanomedicina que estabeleceram as bases da liberação controlada, da imagem biomédica e do diagnóstico.
Nano é a escala da biologia. O funcionamento interno das células e sua linguagem são construídos sobre interações em nanoescala que ocorrem na superfície da célula ou dentro delas. Decodificar essa linguagem e entender suas regras é o objetivo da biologia celular. Aproveitá-la para propósitos terapêuticos e diagnósticos usando materiais artificiais é a essência da nanomedicina.
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Reconhecendo o papel basic da nanomedicina no avanço do progresso em terapia, imagem e diagnóstico, o Prêmio Kavli deste ano foi concedido a Robert Langer, Paul Alivisatos e Chad Mirkin por seu “trabalho pioneiro integrando materiais sintéticos em nanoescala com função biológica para aplicações biomédicas”1.
Hoje em dia, engenheiros biomédicos projetam todos os tipos de nanomateriais que podem transformar o sistema imunológico contra o câncer, administrar medicamentos e materials de edição genética com especificidade cada vez maior de tecidos e órgãos, e liberar medicamentos de forma controlada e responsiva. Cientistas podem acompanhar o destino de nanomateriais no corpo usando técnicas ópticas e processos celulares de imagem e resultados terapêuticos com alta precisão. Eles podem projetar estratégias de diagnóstico para detectar patógenos com alta sensibilidade e incorporá-los em dispositivos portáteis miniaturizados que podem ser facilmente usados em um ambiente doméstico. Eles podem construir vacinas inteligentes que nos protegem de vírus altamente infecciosos e mortais, como as vacinas COVID. A nanomedicina está ajudando a resolver problemas urgentes na medicina, com muitos produtos já na clínica ou em estágios avançados de ensaios clínicos2.
No entanto, semelhante ao que acontece com outros conceitos científicos inovadores, houve um tempo em que os princípios mais básicos da nanomedicina enfrentaram dúvidas e ceticismo generalizados. Foi preciso visão, paixão e perseverança para mostrar ao mundo acadêmico primeiro, e à sociedade em geral mais recentemente, que materiais artificiais em nanoescala podem ser usados com segurança para aplicações biomédicas.
Nos anos setenta, Robert Langer tinha acabado de se formar na faculdade. Engenheiro químico por formação, ele decidiu aplicar suas habilidades à medicina e se juntou ao laboratório de Judah Folkman, um cirurgião que estava trabalhando na angiogênese tumoral. Sua tarefa period encontrar uma maneira de entregar macromoléculas às células cancerígenas para interromper o crescimento dos vasos. Naquela época, o transporte controlado e a liberação de moléculas de alto peso molecular eram inconcebíveis. Langer passou dois anos na bancada falhando em projetar partículas poliméricas para o transporte de moléculas grandes. Até que ele conseguiu. Em um artigo seminal de 19763 Langer e Folkman mostraram que polímeros cuidadosamente projetados poderiam de fato encapsular proteínas e macromoléculas e liberá-las de forma controlada por até 100 dias, à medida que permeavam os poros dentro da matriz polimérica. Isso abriu o campo da liberação controlada, que Robert Langer tem impulsionado ao longo de toda a sua carreira. Um cientista muito prolífico ainda à frente de um laboratório com mais de 80 pessoas, ele uniu suas realizações acadêmicas com esforços empreendedores desde o início, confiando que essas realizações melhorariam a sociedade.
Cerca de vinte anos após o artigo de Robert Langer, Paul Alivisatos da Universidade da Califórnia em Berkeley e sua equipe publicaram outro artigo marcante para a nanomedicina4. Desta vez, tratava-se de uma nova abordagem de bioimagem. Eles usaram pontos quânticos de tamanhos diferentes, modificados para atingir diferentes compartimentos celulares e para biocompatibilidade, para simultaneamente obter imagens do núcleo e dos filamentos de actina no citoplasma. Usar corantes de fluorescência convencionais para imagens multicoloridas foi desafiador, devido à sua excitação estreita e amplos espectros de emissão. As propriedades de emissão dos pontos quânticos, descobertos no início dos anos 1980, dependem exclusivamente de seus tamanhos. Nanocristais de tamanhos diferentes, portanto, podem ser excitados com um único comprimento de onda e emitir em cores diferentes, expandindo as possibilidades de imagem. Paul Alivisatos posteriormente otimizou a estratégia sintética para obter pontos quânticos de vários tamanhos e formas. Eles agora são amplamente usados em todo o mundo para aplicações de bioimagem in vivo e rastreamento de células.
Chad Mirkin, da Northwestern College, foi reconhecido por seu trabalho em diagnósticos usando ácidos nucleicos esféricos, ou SNAs, publicado pela primeira vez em 19965. SNAs são nanopartículas de ouro de 13 nm (mais tarde ele sintetizou SNAs usando outros metais também) revestidas com oligômeros de DNA não complementares, radialmente ligados. Ele queria controlar as propriedades do materials usando DNA e projetou oligômeros para que eles complementassem com DNA introduzido externamente. Isso causaria agregação de nanopartículas e, crucialmente, mudança de cor, tornando “esses materiais particularmente atraentes para novos sensores colorimétricos”5. A partir dessa primeira prova de princípio, Mirkin desenvolveu uma estratégia de diagnóstico que permite a detecção ultrassensível de patógenos, hoje amplamente utilizada em hospitais e laboratórios analíticos para identificação de infecções do sangue, trato respiratório e gastrointestinal (https://go.nature.com/3WCCmf8).