Pausando a simetria cristalina da natureza para promover a administração de medicamentos direcionados

Ao adicionar mais "cerdas" de polímero aos polímeros de escova de garrafa (à esquerda), os pesquisadores descobriram uma maneira de iniciar e interromper a automontagem de cristais a partir da solução. Os cristais poderiam um dia ser usados ​​para encapsular medicamentos para terapias medicamentosas direcionadas.

De flocos de neve a quartzo, as estruturas cristalinas da natureza se formam com uma simetria sistêmica confiável. Pesquisadores da Drexel University, que estudam a formação de materiais cristalinos, mostraram que agora é possível controlar como os cristais crescem – inclusive interrompendo o crescimento simétrico de cristais planos e induzindo-os a formar esferas de cristal ocas. A descoberta faz parte de um esforço de design mais amplo focado no encapsulamento de medicamentos para tratamentos com drogas direcionadas.

O novo desenvolvimento, recentemente relatado na revista científica Nature Communications, foi liderado porChristopher Li, PhD , professor da Faculdade de Engenharia de Drexel, cuja pesquisa no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais se concentrou em estruturas de polímeros de engenharia para aplicações especiais, em colaboração com Bin Zhao, PhD, professor do Departamento de Química da Universidade do Tennessee, Knoxville. Seu trabalho mostra como essas estruturas, como esferas de cristal de polímero, podem ser formadas simplesmente misturando produtos químicos em uma solução – em vez de manipular fisicamente seu crescimento.

"A maioria dos cristais cresce em um padrão regular, se você pensar em flocos de neve, há uma simetria translacional que guia a célula unitária repetindo-se ao longo do floco cristalino. O que descobrimos é uma maneira de manipular quimicamente a estrutura macromolecular para que essa simetria translacional é quebrado quando a molécula cristaliza", disse Li. “Isso significa que podemos controlar a forma geral do cristal à medida que ele se forma – o que é um desenvolvimento muito empolgante, tanto por seu significado científico quanto pelas implicações que poderia ter para a produção em massa de terapias direcionadas”.

A técnica que Li usa para obrigar o que normalmente seria um cristal semelhante a um floco a se transformar em uma esfera se baseia em seu trabalho anterior com polímeros que se parecem com pincéis e cristais de polímero formados a partir de gotículas de emulsão. A incorporação desses polímeros flexíveis de "escova de garrafa" como sistema estrutural do cristal permite que o Li molde seu crescimento ajustando as "cerdas" da escova.

"Um polímero de escova de garrafa tem cerdas de revestimento em torno de uma lombada, o que descobrimos é que podemos fazer essa lombada dobrar após a cristalização, colocando as cerdas em um lado dela", disse Li. “Isso define o padrão que se repete à medida que o cristal cresce – então, em vez de crescer plano, ele se curva tridimensionalmente para formar uma esfera”.

Isso significa que a quantidade de polímeros de cerdas na solução determinará o quanto a espinha da escova de garrafa se curva e, portanto, a forma e o tamanho da bola de cristal.

A equipe de Li também relata como interromper a formação do cristal, deixando buracos na esfera que podem ser úteis para inserir uma carga medicinal durante o processo de fabricação. Uma vez preenchido, ele pode ser fechado com polímeros adaptados para ajudar a direcioná-lo ao seu alvo no corpo.

"Estamos trabalhando para alcançar essa conquista há algum tempo", disse Li. "Essa cristalografia esférica se manifesta em estruturas robustas que vemos na natureza, desde cascas de ovos até capsídeos de vírus, por isso acreditamos que é a forma ideal para sobreviver aos rigores da administração de medicamentos no corpo. Ser capaz de controlar as propriedades do cristal como forma é um passo importante para a concretização desta aplicação."

Leia o artigo completo aqui: https://www.nature.com/articles/s41467-020-15477-5

Esta pesquisa foi financiada pela National Science Foundation.

Além de Li e Zhao, Hao Qi, PhD; Xiting Liu, da Drexel, e Daniel M. Henn, PhD, da Universidade do Tennessee, são os primeiros autores deste trabalho. Shan Mei, PhD; e Mark C. Staub, da Drexel, também participaram desta pesquisa.

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