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Divisão de Projetos e Atividades

PTDC/QEQ-MED/3521/2014

PTDC


Código da Operação:
POCI-01-0145-FEDER-016864

Acrónimo: FOTOGENE

Referência: PTDC/QEQ-MED/3521/2014

Título: Permeabilização Fotoacústica de Barreiras Biológicas – Uma Janela para a Entrega de Fármacos e Transfecção de Genes

Área Científica: Química e Engenharia Química - Química Medicinal

Síntese do Projeto: Imagine deslocar uma célula ou deformar a membrana celular exercendo uma força mecânica. Uma força capaz de o fazer poderia permeabilizar membranas biológicas, facilitando a entrega transdérmica de fármacos ou tornando possível a transfeção de genes com baixa toxicidade e grande especificidade. Aqui desvendamos os fundamentos de materiais piezofotónicos que conseguem gerar pulsos de ultrassons de GHz, com comprimentos de onda acústicos "a = 1 #m e gradientes de pressão 20 bar/#m, quando absorbem pulsos de um laser de picossegundos. São estes gradientes de pressão que podem deslocar e deformar células. Neste projeto iremos: (i) sintetizar materiais piezofotónicos que produzem tensões mecânicas comensuráveis com as células; (ii) descobrir o mecanismo de interação entre o ultrassom de alta frequência e a estrutura da pele, e usá-lo para promover a entrega de fármacos na pele; (iii) permeabilizar a membrana celular e facilitar a transfeção de genes. O ultrassom de diagnóstico (2-20 MHz, gradiente de pressão < 0,5 bar/#m) é uma das tecnologia médicas mais seguras. A sonoforese (20 kHz-16 MHz) aumenta a permeabilidade da pele graças ao colapso violento de bolhas de cavitação que perfuram a sua superfície. Ultrassom de 1,5 MHz focado, com picos de rarefação de pressão entre 2 e 5 bar, associado a agentes de contraste, perturba a barreira hematoencefálica e facilita a entrega no cérebro de fármacos com 3 kDa [1]. A terapia génica com ultrassom terapêutico (1-3 MHz) na presença de agentes de contraste permitiu a expressão baixa mas sustentada de proteínas durante 7 a 14 dias [2]. Nós liderámos o uso de lasers pulsados para gerar ondas fotoacústicas (PA), que são ultrassom de banda larga e frequência elevada [3,4]. Mostrámos que ondas PA de 100 MHz e picos de pressão pmax $ 20 bar podem perturbar de forma segura e indolor a função protetora da pele e promover a entrega transdérmica de moléculas grandes e de proteínas [5]. Os nossos resultados preliminares também mostram que essas ondas PA facilitam a transfeção de plasmídeos sem comprometer a viabilidade celular. Neste projeto propomos desenhar, fabricar, caracterizar e optimizar para a entrega transdérmica e para a transfeção de genes, os primeiros materiais piezofotónicos com eficiências de conversão de luz em pressão superiores a 1% (para energias abaixo do limite da ablação) e distribuição de frequências centrada acima de 100 MHz. As oportunidades criadas pela permeabilização de membranas biológicas serão ilustradas pela entrega tópica de um fotossensibilizador seguida de terapia fotodinâmica, e pela terapia génica não-viral num modelo de hemofilia. Materiais piezofotónicos eficientes devem ter um coeficiente de absorção linear (μa) elevado, transições não-radiativas ultra-rápidas e grandes expansões térmicas. Quando tais materiais são confinados por barreiras rígidas e irradiados com com pulsos de laser de curta duração, produzem ondas PA intensas. Os picos de pressão (pmax) são proporcionais a energia absorvida (%Hth) e inversamente proporcionais à espessura (h) do material [3,4]. O espectro de frequências da onda PA corresponde ao do pulso de laser quando a duração da expansão do volume aquecido — &s = 1/(μa cs), onde cs é a velocidade do som — é menor do que a duração do pulso do laser, &s < &L. Os esforços para fazer materiais piezofotónicos têm sido orientados pela imagiologia e incluem o uso de óxido de grafeno [6] e de nanotubos de carbono (CNT) [7], porque estes materiais absorvem intensamente a luz e rapidamente dissipam o excesso de energia em calor. Porém, o grafeno e os CNTs contraem, em vez de expandir, com a temperatura, e têm que ser modificados para melhorar as suas propriedades termoelásticas. Novos avanços em materiais piezofotónicos precisam da Química para:i) aumentar a solubilidade de CNTs com substituintes (ex. –COOH) que permitam atingir maiores valores de μa e menores h; ii) introdução de ligações muito anarmónicas (ex. Si-O) para aumentar a expansão térmica; iii) reticulação de unidades estruturais para obter elastómeros CNT com melhor termoelasticiadade. A equipa deste projeto inclui a liderança do grupo Estrutura, Energia Reatividade do Centro de Química de Coimbra e investigadores de duas empresas (Laserleap SA e Luzitin SA). Esta equipa está preparada para fabricar e aplicar materiais piezofotónicos à entrega transdérmica de fármacos e à transfeção de genes. A equipa manteve a liderança global em fotoacústica ao longo dos últimos 20 anos [8], e tem competências em: i)funcionalização de materiais inorgânicos [9,10], incluindo CNTs (Fig. 3); ii) espectroscopia vibracional [11], com a adição recente de mapeamento Raman e infravermelho para seguir as mudanças na pele e a difusão de fármacos na pele; iii) entrega transdérmica de fármacos [5], com uma tecnologia de ultrassons patenteada; iv) terapia fotodinâmica [12], com um fármaco patenteado e em ensaios clínicos; v) transporte através de membranas celulares [13,14].

Investigador Responsável: Doutor Luís Arnaut Moreira

Programa de Financiamento: PT2020 – SAICT –PTDC/ICDT

Instituição Financiadora: FCT - Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Data de início: 12-08-2016

Data de conclusão: 11-08-2019

Instituições participantes no Projeto: Universidade de Coimbra (Proponente), LaserLeap Technologies SA, Luzitin, S.A.

Custo total elegível (EUR): 232.800,00€

Apoio financeiro da UE: 193.580,00€

Apoio financeiro público nacional: 25.020,00€

Técnico do Projeto: Ana Carolina Patrício

Contacto: 239247018