Biofuncionalização de nanocristais de celulose para o desenvolvimento de novos sistemas para o tratamento e diagnóstico do cancro

Abstract

Anualmente milhões de pessoas são diagnosticadas com cancro. O diagnóstico desta doença pode passar pela realização de análises clínicas, por técnicas de imagiologia e biópsia enquanto o seu tratamento envolve tipicamente quimioterapia, radioterapia e/ou cirurgia. No entanto, a quimioterapia e a radioterapia apresentam efeitos secundários muitas vezes graves, como a queda de cabelo, vómitos e perda de apetite. De forma a reduzir estes efeitos secundários emergiu a nanotecnologia aplicada à medicina, que faz uso de nanomateriais para o desenvolvimento de sistemas de diagnóstico e tratamento, designados de sistemas nanoteranósticos. A celulose é o polímero natural mais abundante na natureza, sendo os nanocristais de celulose (CNCs), uma das suas formas nanométricas. Estes podem ser funcionalizados com moléculas apropriadas tornando-os interessantes para diversas aplicações biomédicas. Neste trabalho, os CNCs foram funcionalizados com conjugados de quitosano-ácido fólico (CS-FA) ou quitosano-ácido fólico-isotiocianato de fluoresceína (CS-FA-FITC), tendo-se posteriormente adsorvido nanopartículas de ouro (AuNPs) à sua superfície de forma a preparar novos sistemas nanoteranósticos. Inicialmente, os conjugados CS-FA e CS-FA-FITC foram preparados e caracterizados por espetroscopia ótica, verificando-se a presença dos máximos de absorção característicos do FA e do marcador fluorescente, respetivamente, o que confirma o sucesso da reação de modificação do CS com estas moléculas. Estes conjugados foram também analisados por espetroscopia de infravermelho com transformada de Fourier acoplada à reflexão total atenuada (FTIR-ATR), tendo-se também observado a presença das bandas características tanto do CS como do FA e FITC, respetivamente, assim como as bandas características da formação de uma ligação entre o CS e o FA e FITC, respetivamente. Os conjugados CS-FA-FITC foram ainda caracterizados por espetroscopia de fluorescência, detetando-se emissão de radiação a 558 nm quando excitados a 495 nm. Posteriormente, os CNCs (34 ± 10 nm de largura e 391 ± 60 nm de comprimento e índice de cristalinidade de 59%) foram funcionalizados com os conjugados de CS e com AuNPs por forma a produzir os sistemas nanoteranósticos. Os nanomateriais resultantes foram caracterizados por espetroscopia ótica, verificando-se a presença dos máximos de absorção característicos dos respetivos conjugados. Também por FTIR-ATR foi possível identificar bandas características dos CNCs e dos respetivos conjugados e assim confirmar o sucesso da funcionalização. Estes foram ainda caracterizados por microscopia eletrónica de varrimento em modo de transmissão (STEM), verificando-se a manutenção das dimensões manométricas e da morfologia em bastonete. Por fim, os materiais revestidos com AuNPs foram caracterizados por STEM, verificando-se, mais uma vez, a manutenção das dimensões manométricas e a formação das NPs na superfície dos CNCs. Os padrões de difração de raio-X (XRD) destes sistemas permitiram também identificar a presença dos planos cristalográficos característicos das AuNPs. Assim, pode-se concluir que a funcionalização dos CNCs com vista ao desenvolvimento de um novo sistema nanoteranóstico ocorreu com sucesso.

Every day millions of people are diagnosed with cancer. Usually, cancer diagnosis can go through the achievement of clinical analysis, imagiology and biopsy while its treatment typically involves chemotherapy, radiotherapy and surgery. However, chemotherapy and radiotherapy shows serious side effects as hair and appetite and nausea. In this context, nanotechnology emerges as a promising approach to reduce these side effects. Nanotechnology takes advantage of nanomaterials for the development of diagnosis and treatment systems, also called as theranostic systems. Cellulose is the most abundant biopolymer on earth, with cellulose nanocrystals (CNCs) being one of its nanometric forms. CNCs can be functionalized with suitable molecules which makes them interesting for diverse medical applications. In this work, CNCs were functionalized with folate conjugated chitosan (CS-FA) or isothiocyanate fluorescein-folate conjugated chitosan (CS-FA-FITC). These complexes were then coated with gold nanoparticles (AuNPs) to their surface in order to prepare a new cancer nanotheranostic system. Initially, the synthesized conjugates were characterized by optical spectroscopy, with the presence of a maximum absorption peak characteristic of FA and of the fluorescent marker, respectively, confirming the successful modification of the CS with these molecules. These conjugates were also analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy coupled with attenuated total reflection (FTIR-ATR), where the presence of characteristic bands of both CS, FA, and FITC, were observed, as well as the characteristic bands of the formation of a link between CS and FA and FITC, respectively. The CS-FA-FITC conjugates were further characterized by fluorescence spectroscopy, detecting the emission of radiation at approximately 558 nm when excited at 495 nm. Subsequently, CNCs (34 ± 10 nm in width, 391 ± 60 nm in length, and with a crystallinity index of 59%) were functionalized with the CS conjugates and coated with AuNPs to produce the nanotheranostic systems. The resulting nanomaterials were characterized by optical spectroscopy and the characteristic absorption bands of the respective conjugates were observed. It was also possible to identify by FTIR-ATR the characteristic bands of the CNCs and their conjugates confirming the success of the functionalization. These materials were also characterized by scanning transmission electron microscopy (STEM), confirming the preservation of the nanometric dimensions and the rod-like morphology of the functionalized CNCs. Finally, the materials coated with AuNPs were characterized by STEM, showing the preservation of the nanometric dimensions and the formation of the AuNPs at CNCs surface. The X-ray diffraction (XRD) patterns of these systems also allowed to identify the presence of the crystalline structure of the AuNPs. Thus, we can conclude that the functionalization of the CNCs for the development of a new nanotheranostic system has been successful achieved.