Protrusion-tip antibody placement on a DNA origami nanoparticle enhances endothelial ICAM-1 targeting through glycocalyx: a single-donor microphysiological pilot study

Dentro do corpo humano, o revestimento de cada vaso sanguíneo não é uma parede lisa e nua. Ele é revestido por uma camada espessa e gelatinosa feita de cadeias de açúcar e proteína, conhecida como glicocálice. Pense nesta camada como uma floresta densa e protetora que cresce diretamente na superfície das células. Esta floresta é vital para a saúde; ela ajuda a regular o fluxo sanguíneo e evita que as paredes dos vasos reajam a cada partícula que passa. No entanto, para cientistas que tentam entregar medicamentos ou ferramentas de diagnóstico à parede do vaso, esta floresta é um obstáculo formidável. Partículas minúsculas convencionais, não importa o quão pequenas ou quimicamente ajustadas sejam, frequentemente ficam presas nos galhos externos desta floresta de açúcar. Elas não conseguem alcançar os receptores específicos na superfície da célula subjacente, que são os alvos pretendidos para tratar a inflamação ou detectar doenças precocemente.

Para resolver este problema, pesquisadores recorreram a um tipo único de estrutura microscópica chamada origami de DNA. Assim como o papel pode ser dobrado em formas complexas, longas fitas de DNA podem ser programadas para se dobrarem em estruturas precisas e rígidas. Ao projetar estas estruturas com formas específicas, os cientistas podem posicionar moléculas exatamente onde elas precisam estar. Em um estudo piloto recente, pesquisadores fizeram uma pergunta simples, mas profunda: se uma nanopartícula tiver um braço longo e rígido saindo dela, colocar uma molécula de direcionamento na ponta desse braço permitirá que ela atravesse melhor a floresta de açúcar do que se essa mesma molécula estivesse presa diretamente ao corpo principal da partícula?

A equipe, trabalhando com as células de um único doador, construiu uma plataforma microscópica em forma de L. A base do L era uma plataforma plana, e estendendo-se dela havia um único braço rígido feito de fitas de DNA agrupadas. Eles criaram duas versões deste dispositivo. Na primeira versão, eles fixaram um anticorpo — uma proteína que busca por um marcador específico chamado ICAM-1 — na ponta do braço longo. Na segunda versão, que serviu como controle, eles fixaram o exato mesmo anticorpo na base plana do L. Ambos os dispositivos foram revestidos com uma camada protetora para evitar que grudassem no que não deveriam, e ambos foram carregados com um corante brilhante para que os pesquisadores pudessem rastreá-los.

Estes dispositivos foram então introduzidos em um modelo laboratorial de um pequeno vaso sanguíneo humano, que era revestido por células vivas. Os pesquisadores testaram os dispositivos sob diferentes condições. Em alguns casos, deixaram as células em um estado calmo e saudável. Em outros, trataram as células com um sinal químico que mimetiza a inflamação em estágio inicial, o que faz a floresta de açúcar afinar ligeiramente e torna os marcadores alvo mais abundantes. O modelo do vaso sanguíneo foi mantido em movimento para simular o fluxo natural do sangue, e os pesquisadores observaram o quão bem as duas versões diferentes do dispositivo conseguiam agarrar-se aos marcadores alvo na superfície celular.

Os resultados mostraram uma vantagem clara para o design com o braço estendido. Quando as células estavam em um estado saudável e basal, com uma floresta de açúcar completa, o dispositivo com o anticorpo na ponta do braço encontrou os marcadores alvo cerca de cinco vezes mais frequentemente do que o dispositivo com o anticorpo na base plana. Mesmo quando as células estavam em um estado inicial de inflamação, onde a floresta de açúcar estava ligeiramente mais fina, o anticorpo colocado na ponta ainda teve um desempenho cerca de duas vezes melhor do que o colocado na base. A diferença não foi apenas uma questão de quanto grudou nas células; foi também uma questão de velocidade. O dispositivo com a ponta alcançou seu alvo rapidamente, enquanto o dispositivo com a base demorou muito mais para atingir um nível semelhante de ligação, sugerindo que estava lutando para atravessar a barreira.

Os pesquisadores observaram que este efeito aconteceu mesmo que o tamanho total dos dois dispositivos fosse o mesmo e que carregassem a mesma quantidade de anticorpo. A única diferença era onde o anticormente estava localizado. Isso sugere que o braço rígido atua como uma ponte, permitindo que o anticorpo se estenda além das camadas externas da floresta de açúcar e toque a superfície celular diretamente, enquanto o anticorpo na base plana permanece preso nos galhos externos. O estudo foi um experimento piloto usando células de um único doador, portanto, os achados são uma forte prova de conceito inicial, e não uma conclusão final para todos os seres humanos. No entanto, os dados indicam claramente que a forma de uma nanopartícula e o posicionamento preciso de suas ferramentas de direcionamento são fatores críticos. Ao mover a molécula de direcionamento do corpo da partícula para a extremidade de uma protuberância rígida, os cientistas podem ter encontrado uma maneira de contornar as defesas naturais dos vasos sanguíneos, abrindo um novo caminho para entregar drogas e diagnósticos a lugares que antes estavam fora de alcance.