Aplicações da nanotecnologia contra o coronavírus

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Gabriel Aleks - 23/10/20

O uso de máscara e equipamento de limpeza são essenciais na prevenção e diminuição do espalhamento do coronavírus.

Observação: Feito com base no artigo "Technology Against COVID-19: Nano Insights Into Prevention, Diagnosis, and Treatment", do StatNano. Sugiro a leitura deste artigo para uma lista mais extensa de produtos com tecnologia nano no combate ao Sars-CoV-2, estejam eles em desenvolvimento ou já no mercado.

Coronavírus é uma família de vírus que pode causar doenças em animais e humanos. SARS-CoV-2, o coronavírus mais recente e responsável pela pandemia de 2020, causa a doença COVID-19. Até o dia em que este artigo começou a ser escrito (18/10/20) o vírus já atingiu 217 países, infectou mais de 39,959,651 de pessoas e matou mais de 1,114,636 ao redor do mundo (dados do worldometer). Cientistas de todo o planeta procuram maneiras de lutar contra o vírus, que possui de 65 a 125 nanômetros de diâmetro. Uma maneira de lutar contra algo tão pequeno é utilizando armas também pequenas - e aí entra a nanotecnologia! Vejamos algumas aplicações nano criadas até agora no combate ao coronavírus. Para facilitar a didática, vamos dividir essas aplicações em 3 frentes: prevenção, diagnóstico e tratamento da doença.

Prevenção

Quando falamos de prevenção ao vírus estamos falando de medidas que podem ser tomadas para evitar a contaminação. A mais óbvia forma de prevenção é a vacina, porém outros exemplos são a higienização das mãos com sabão ou álcool em gel, manter o distanciamento social, usar máscara e passar desinfetantes em superfícies possivelmente contaminadas.

Máscara

A utilização de máscaras em larga escala busca suprimir a transmissão do vírus. Isso se deve à redução do risco de contaminação de pessoas saudáveis por pessoas que estão infectadas, estejam elas apresentando sintomas ou não. A evidência na efetividade das máscaras é sólida e, por isso, seu uso é recomendado pela OMS (Organização Mundial da Saúde). É importante lembrar que embora o vírus possua até 125 nanômetros (ou 0.1 micrômetro) de diâmetro, ele não sai do corpo sozinho. Seu transporte acontece através de gotículas e aerossóis, cujo tamanho varia de 1 a 10 micrômetros. Portanto, a máscara não precisa bloquear partículas do tamanho do vírus para ser efetiva.

Um grupo da UFRJ coordenado pela professora Renata Simão (com quem já conversamos, leia aqui) desenvolveu um tecido cujo objetivo é ser utilizado na produção de máscaras. Esse tecido, que é fruto de uma parceria da Coppe/UFRJ com o INMETRO e o CTC-PUC-Rio, possui uma camada externa altamente hidrofóbica, logo evita o acoplamento de gotículas. Além disso, o tecido tem uma camada intermediária que contém nanopartículas de óxidos metálicos e carbono, que já possuem ação anti-viral conhecida. Portanto, mesmo que algumas gotículas consigam atravessar a primeira camada elas são inativadas nessa segunda. Outros diferenciais desse tecido são a pouca diminuição na respirabilidade (apenas 15%) e a utilização de materiais biodegradáveis na sua produção. Segundo a professora Renata, o projeto ainda está em desenvolvimento mas busca-se chegar no produto até o final do ano.

Ainda no Brasil, vale citar também o aditivo antiviral de micropartículas de prata e sílica produzido pela empresa Nanox, de São Carlos (SP). De acordo com Daniel Minozzi, diretor da empresa, o aditivo já existia e já era utilizado na indústria antes da pandemia. Com o surgimento do SARS-CoV-2 a Nanox realizou estudos em conjunto com a Universidade de São Paulo, a Universidade de São Carlos e a Universidade Jaume I, da Espanha, para analisar a eficácia do aditivo contra o vírus. Esses estudos mostraram que as micropartículas eliminam 99,9% da quantidade do vírus de dois a cinco minutos após o contato. Por conta disso, não só mascaras que utilizam esse aditivo foram produzidas como também um plástico adesivo que pode ser usado para revestir superfícies - como corrimãos e maçanetas. Embora estejamos fugindo momentaneamente da escala nano ao citar um aditivo que utilize micropartículas - ao invés de nano -, vale citar a Nanox por conta do seu enfoque na produção e fornecimento de diversos outros produtos nanotecnológicos.

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Exemplo de aplicação do plástico adesivo com aditivo antiviral produzido pela Nanox. Créditos: Reprodução/Agência Fapesp

A Respilon é uma empresa tcheca que trabalha desde 2013 desenvolvendo produtos com tecnologia de nanofibras. Atualmente a empresa vende máscaras da linha RespiPro, que possui uma camada de nanofibras em conjunto com uma camada de fibra de carbono, porém uma membrana com duas camadas de ACuO (óxido de cobre acelerado) está em desenvolvimento e deve incorporar a linha de máscaras Virus Killer até o final do ano.

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Camadas presentes na ReSpimask VK, da Respilon. Créditos: site da Respilon

Desinfetante

Como o vírus se propaga através de gotículas respiratórias, uma forma de combater a sua disseminação é limpando o ar, a pele e superfícies constantemente. Um artigo publicado em julho deste ano comenta como os desinfetantes químicos amplamente utilizados (como cloro ou peróxidos) para a limpeza de superfícies, embora eficazes, precisam estar em altas concentrações para desativar 100% do vírus presente. Outras desvantagens são a redução da efetividade com o passar do tempo e os riscos à saúde que essas substâncias geram. Sendo assim, uma alternativa seria a implementação de nanopartículas metálicas (como prata, cobre, dióxido de titânio), que possuem atividade antiviral em dosagens bem pequenas e são persistentes com o tempo. Um exemplo é a empresa americana FN Nano Inc, que desenvolveu um coating fotocatalítico (ou seja, a reação é acelerada quando há exposição à luz) baseado em dióxido de titânio capaz de decompor compostos orgânicos, como bactérias e vírus. Esse produto pode ser aplicado em lugares em que há um grande fluxo de pessoas, como hospitais e prédios públicos, para suprimir a contaminação de superfícies do Sars-CoV-2.

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Desinfetantes constituídos de nanopartículas metálicas podem ser utilizados para substituir os desinfetantes mais comuns, como os de cloro. Créditos: Clay Banks, Unsplash

Vacina

A vacina tem importância crucial na batalha contra o Sars-CoV-2. Ela instrui nosso organismo a organizar uma defesa contra o vírus e, dessa forma, torna-se imune a ele. Será através de um rápido desenvolvimento, distribuição e administração da vacina para a população mundial que a pandemia poderá realmente ser controlada - e as restrições, superadas. Para isso, diversas vacinas estão sendo pesquisadas no mundo todo: de acordo com o Coronavirus Vaccine Tracker, do NY Times, até o dia 20 de outubro de 2020 havia 48 vacinas em testes clínicos em humanos e ao menos outras 89 vacinas sendo testadas em animais (estágio pré-clínico).

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O site do NY Times fez uma página interativo dando informações sobre cada uma das vacinas contra o coronavírus atualmente em desenvolvimento. A soma dos números é maior do que 48 porque existem vacinas que estão simultaneamente em mais de um estágio e, dessa maneira, são contadas mais de uma vez. Leia sobre as vacinas no site do NY Times.

Falaremos aqui de dois tipos de vacina que empregam alguma ferramenta nanotecnológica: as vacinas baseadas em mRNA e as vacinas de subunidades.

Vacinas baseadas em mRNA

O esforço para o desenvolvimento de vacinas é global e diferentes métodos estão sendo empregados na sua elaboração. Enquanto algumas empresas desenvolveram suas vacinas através de métodos mais maduros - como a vacina inativada ou a vacina de vetores virais -, outras empresas adotaram uma tecnologia que ainda não é utilizada em nenhuma vacina licenciada: a vacina de ácido nucleico. Nesta vacina, um trecho do ácido nucleico (DNA ou RNA) do Sars-CoV-2 entra na célula e utiliza os mecanismos próprios dela para produzir uma proteína do vírus. O sistema imune reconhece este corpo estranho (o qual chamamos de antígeno) e reage a ele, gerando assim a imunidade. As vantagens são as altas velocidade, estabilidade e escalabilidade que esse método possui quando comparado a outros. A agilidade com que essa vacina é produzida pôde ser visto no início de 2020, quando a vacina da Moderna foi aplicada no primeiro participante humano apenas 63 dias depois da sequência de mRNA ter sido escolhida.

As aplicações da nanotecnologia na vacina de ácido nucleico estão relacionadas à entrega da vacina para a localização correta dentro do organismo ao mesmo tempo que mantêm o ácido nucleico estável dentro de si. Há diversas plataformas (chamadas nanocarriers/nanocarreadores) utilizadas atualmente para fazer essa entrega: nanopartículas lipídicas, nanoemulsões catiônicas, lipossomos e outros. Outro conceito importante é o de adjuvante, um agente estimulador do sistema imune que é administrado em conjunto com a vacina e cuja função é aumentar a intensidade das respostas imunológicas. Nanopartículas também são capazes de atuar como adjuvantes.

As duas vacinas que vamos falar aqui, a da Moderna e a da BioNtech/Pfizer, encapsulam o antígeno em nanopartículas lipídicas (NPL). A vacina da Moderna, a mRNA-1273, é um mRNA que codifica uma subunidade da proteína S, uma importante proteína do Sars-CoV-2. O mRNA é encapsulado em uma NPL composta de 4 lipídeos (que não foram divulgados pela empresa). Embora não tenha sido dito pela empresa se há o uso de um adjuvante, é provável que a própria NPL aja como tal visto que há evidências de que ela é capaz disso. Esta vacina está atualmente na fase 3 de testagem. Já a vacina da BioNtech/Pfizer, chamada de BNT162b1, carrega um mRNA que também codifica uma subunidade da proteína S. Esta vacina também tem o mRNA encapsulado em uma NPL cuja fórmula exata é desconhecida. A BioNtech/Pfizer não informa se utiliza algum adjuvante, porém menciona que o próprio RNA age como tal. A vacina está nas fases 2 e 3 de testagem - é comum no desenvolvimento de vacinas que fases combinadas ocorram para acelerar o processo.

Essas 2 vacinas são bem semelhantes em seus princípios básicos, porém há diferenças em diversas especificidades. Não entraremos aqui no detalhe dessas diferenças. O vídeo abaixo (disponível no site da Moderna e em seu canal do Youtube) ilustra o mecanismo dessas duas vacinas de mRNA.

Vacinas de subunidades

As vacinas de subunidades utilizam os antígenos, que como vimos são pequenos fragmentos do vírus. Eles são reconhecidos pelo sistema imune e uma reação de defesa é desencadeada. Enquanto que nas vacinas de ácido nucleico o RNA (ou DNA) do vírus deve entrar na célula, sintetizar o antígeno e aí sim interagir com o sistema imune, nas vacinas de subunidades o próprio antígeno já entra no corpo, portanto há uma etapa a menos. As vacinas de subunidades feitas para o Sars-CoV-2 são de duas formas: ou possuem a proteína S inteira como antígeno ou então possuem subunidades dessa proteína junto com adjuvantes.

A vacina da Novavax atualmente é a única que emprega este método que está na fase 3 de testagem. De nome NVX-CoV2373, a vacina utiliza a proteína S do Sars-CoV-2 como antígeno em conjunto com a Matrix-M, um adjuvante próprio da empresa.

Segundo o site da Novavax, a empresa utiliza uma tecnologia de vacina de nanopartículas recombinantes para produzir uma "nova classe de partículas altamente imunogênicas que miram em uma variedade de patógenos virais". Ser "altamente imunogênico" significa provocar uma forte resposta imunológica, algo muito almejado por vacinas. Ou seja, a empresa utilizou sua tecnologia - que já vem sendo empregada no desenvolvimento de vacinas para gripe, MERS e SARS, por exemplo - para desenvolver uma vacina para o Sars-CoV-2. Ela consiste de proteínas S recombinantes que se organizam como nanopartículas, como visto na imagem abaixo, que são enviadas juntas com seu adjuvante Matrix-M.

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Nanopartícula feita de proteínas S recombinantes criada pela Nanovax. Créditos: Site da Novavax.

Diagnóstico

O diagnóstico é essencial na luta contra uma pandemia, sendo de importância fundamental o reconhecimento rápido dos indivíduos infectados para que eles possam ser afastados dos demais e assim dificultar a disseminação do vírus.

A empresa canadense Sona Nanotech desenvolveu um kit de teste cujo resultado demora de 5 a 15 minutos para sair. A empresa utilizou sua tecnologia de nanorods para criar um teste do tipo lateral flow (mesmo tipo do teste caseiro de gravidez) que detecta a proteína S do Sars-CoV-2 e cuja vantagem é a simplicidade. O teste da empresa ainda está sendo avaliado e, por isso, não entrou no mercado.

O comment "Nanotechnology-based disinfectants and sensors for SARS-CoV-2" publicado na Nature Nanotechnology apresenta também algumas possibilidades de aplicação da nanotecnologia para detecção viral. Um exemplo dado é o uso de nanomateriais com propriedades magnéticas decorados com receptores específicos do vírus. Esses nanomateriais poderiam ser aplicados em fluidos biológicos, como sangue ou amostras nasais/da garganta. Após a mistura do fluido com os nanomateriais, um campo magnético externo separaria os dois e a análise posterior indicaria a ligação ou não do vírus com os receptores, ou seja, determinaria se o paciente está infectado ou não.

Tratamento

Enquanto não há uma vacina disponível para o público, as medidas de prevenção - como o uso de máscaras e o distanciamento social - devem ser tomadas para suprimir o contágio do vírus. Ainda assim, há as pessoas que se infectam e estratégias devem ser buscadas para conter os efeitos do vírus e a doença causada por ele no organismo. De acordo com o review "How can nanotechnology help to combat COVID-19? Opportunities and urgent need", diversas drogas foram sugeridas para o tratamento da doença mas nenhuma teve eficácia comprovada até o momento. O objetivo de muitas dessas drogas é conter a replicação do vírus ou inativar alguma proteína de superfície sua, impedindo assim sua entrada na célula. O problema é que essas drogas acabam gerando efeitos colaterais - muitas vezes causados pela acumulação dos antivirais em órgãos que não são o alvo. Um approach da nanotecnologia se mostra, então, interessante, pois através de nanocarreadores o fármaco poderia ser entregue ao órgão-alvo, resolvendo o problema da toxicidade e aumentando a eficiência do tratamento. Por conta disso, o review sugere que a união entre drogas já aprovadas pela FDA (Food and Drug Administration, equivalente americano da Anvisa) com nanocarreadores é um caminho a se explorar nessa busca pela diminuição da toxicidade e efetividade antiviral aumentada.

Outras fontes de informação

Como dito no início, o objetivo deste artigo foi dar uma visão geral das aplicações já existentes da nanotecnologia no combate à Covid-19 e, por isso, ignoramos uma série de detalhes técnicos - como por exemplo uma descrição mais completa da forma como os nanomateriais combatem o vírus ou da ação das nanopartículas quando aplicadas em vacinas. Caso você tenha interesse pelo assunto e queira saber mais sobre, recomendo alguns textos que li para escrever este artigo: "How can nanotechnology help to combat COVID-19? Opportunities and urgent need", um review (de autoria brasileira!) publicado na Journal of Nanobiotechnology; "Nanotechnology-based disinfectants and sensors for SARS-CoV-2", um comment publicado na Nature Nanotechnology; "COVID-19 vaccine development and a potential nanomaterial path forward", um artigo (também publicado na Nature Nanotechnology) que cobre os approaches do design de uma vacina via nanotecnologia; "COVID-19 Vaccine Frontrunners and Their Nanotechnology Design", um artigo publicado na ACS Nano que também trata do desenvolvimento da vacina.

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