estudo da interação de proteínas com nanopartículas de...

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE QUÍMICA FLÁVIA ELISA GALDINO ESTUDO DA INTERAÇÃO DAS PROTEÍNAS ALBUMINA E LISOZIMA COM NANOPARTÍCULAS DE SÍLICA: TERMODINÂMICA DA INTERAÇÃO E EFEITO DA SUPERFÍCIE DAS PARTÍCULAS CAMPINAS 2018

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

INSTITUTO DE QUÍMICA

FLÁVIA ELISA GALDINO

ESTUDO DA INTERAÇÃO DAS PROTEÍNAS ALBUMINA E LISOZIMA COM

NANOPARTÍCULAS DE SÍLICA: TERMODINÂMICA DA INTERAÇÃO E EFEITO

DA SUPERFÍCIE DAS PARTÍCULAS

CAMPINAS

2018

FLÁVIA ELISA GALDINO

ESTUDO DA INTERAÇÃO DAS PROTEÍNAS ALBUMINA E LISOZIMA COM

NANOPARTÍCULAS DE SÍLICA: TERMODINÂMICA DA INTERAÇÃO E EFEITO

DA SUPERFÍCIE DAS PARTÍCULAS

Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto de

Química da Universidade Estadual de Campinas como

parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título

de Mestra em Química na área de Físico-Química.

Orientador: Prof. Dr. Watson Loh

Coorientador: Prof. Dr. Mateus Borba Cardoso

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO

DEFENDIDA PELA ALUNA FLÁVIA ELISA GALDINO, E ORIENTADA PELO PROF.

DR. WATSON LOH.

CAMPINAS

2018

Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): FAPESP, 2016/11118-0; CNPq,

135840/2016-3

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7799-3077

Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas

Biblioteca do Instituto de Química

Camila Barleta Fullin - CRB 8462

Galdino, Flávia Elisa, 1991-

G131e GaEstudo da interação das proteínas albumina e lisozima com nanopartículas

de sílica: termodinâmica da interação e efeito da superfície das partículas /

Flávia Elisa Galdino. – Campinas, SP : [s.n.], 2018.

Orientador: Watson Loh.

Coorientador: Mateus Borba Cardoso.

Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Instituto de

Química.

1. Albumina. 2. Lisozima. 3. Nanopartículas de sílica. 4. Calorimetria de

titulação isotérmica. I. Loh, Watson, 1965-. II. Cardoso, Mateus Borba. III.

Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Química. IV. Título.

1 Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Albumin and lysozyme interaction with silica nanoparticles:

thermodynamics and effect of the nanoparticles surface properties

Palavras-chave em inglês:

Albumin

Lysozyme

Silica nanoparticles

Isothermal titration calorimetry

Área de concentração: Físico-Química

Titulação: Mestre em Química na área de Físico-Química

Banca examinadora:

Watson Loh [Orientador]

Edvaldo Sabadini

Fernando Carlos Giacomelli

Data de defesa: 17-07-2018

Programa de Pós-Graduação: Química

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Watson Loh (Orientador)

Prof. Dr. Fernando Carlos Giacomelli (CCNH-UFABC/Santo André)

Prof. Dr. Edvaldo Sabadini (IQ-UNICAMP)

A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no

processo de vida acadêmica do(a) aluno(a).

Este exemplar corresponde à redação final da

Dissertação de Mestrado defendida pelo(a) aluno(a)

FLÁVIA ELISA GALDINO, aprovada pela Comissão

Julgadora em 17 de julho de 2018.

Dedico esta dissertação primeiramente a Deus, por

sempre iluminar o meu caminho. Dedico também às

pessoas mais valiosas da minha vida: meu pai

Wilson José Galdino, minha mãe Marilisa

Nascimento Galdino, minha irmã Caroline Elisa

Galdino e ao meu esposo Diogo Saboto Barros.

Agradecimentos

A Deus por sempre guiar o meu caminho e por me abençoar imensamente.

Aos meus pais e minha irmã que sempre me incentivaram e torceram por

mim durante a minha vida.

Ao meu esposo pela compreensão, apoio emocional e conversas que foram

fundamentais para que eu permanecesse forte durante a caminhada.

A todos os professores que passaram pela minha vida, plantando em mim

a semente da busca pelo conhecimento.

Aos meus orientadores Watson Loh e Mateus Cardoso pela orientação,

apoio, confiança e conselhos que contribuíram para o meu crescimento pessoal e

profissional.

A todos os meus colegas de laboratório (alunos de IC, pós-graduação e

técnicos) pelo auxílio, discussões, apoio e momentos de descontração que tornaram

essa caminhada mais leve.

Ao professor Edvaldo Sabadini por disponibilizar o equipamento PEAQ-

ITC.

À Unicamp, universidade que me recebeu de portas abertas e propiciou

para mim um universo de descobertas, oportunidades e aprendizados.

Ao IQ-Unicamp e ao CNPEM pela infraestrutura fornecida.

À Fapesp, processo: n° 2016/11118-0, Fundação de Amparo à Pesquisa

do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo apoio financeiro fornecido.

Ao CNPq (processo: 135840/2016-3) pelo apoio financeiro fornecido.

Resumo

O fenômeno conhecido como protein corona é caracterizado pela adsorção

espontânea e inespecífica de proteínas na superfície das nanopartículas (NPs). Essa

camada de proteínas adsorvida tem uma grande influência sobre a ação e eficiência

dos nanomateriais aplicados na nanomedicina. Dentre as estratégias para evitar a

ocorrência desse fenômeno está a funcionalização da superfície das partículas com

grupos zwitteriônicos (ZW) ou com polietilenoglicol (PEG). Em vista disso, o objetivo

do trabalho aqui descrito consiste em sintetizar nanopartículas de sílica e estudar a

interação delas com diferentes proteínas (albumina bovina e lisozima). Para tal, são

considerados três tipos de nanopartículas de sílica, sendo uma sem modificação

(SiO2NPs) e as outras duas modificadas (através de ligações químicas) com o PEG e

o zwitteriônico silano sulfobetaína (SBS), identificadas como SiO2NPs-PEG e

SiO2NPs-SBS, respectivamente. Essas nanopartículas foram caracterizadas por

espalhamento de luz dinâmico (DLS), potencial zeta, microscopia eletrônica de

varredura (MEV), termogravimetria (TGA) e ressonância magnética nuclear de

hidrogênio (1H-RMN). Os estudos de interação foram realizados através das técnicas

de DLS, absorção na região do ultravioleta, dicroísmo circular (CD) e calorimetria de

titulação isotérmica (ITC). Três fatores foram considerados nesses estudos: pH,

temperatura e força iônica. As três nanopartículas apresentaram uma distribuição de

tamanho monomodal em torno de 100 nm e formato aproximadamente esférico. As

modificações de superfície com SBS e PEG foram comprovadas através das técnicas

de RMN e TGA. Mediante os experimentos de interação dessas nanopartículas com

as proteínas verificou-se a interação da proteína albumina bovina apenas com as

SiO2NPs. Portanto, para a albumina bovina, proteína carregada negativamente em pH

fisiológico, as modificações com SBS e PEG foram eficientes para evitar a adsorção

dessa proteína. Ainda com relação a esses experimentos, observou-se que a

interação da albumina bovina com as SiO2NPs é controlada pela entalpia e que os

fatores força iônica, pH e temperatura influenciaram nos resultados. Com relação à

lisozima, proteína carregada positivamente em pH fisiológico, foi observada a

interação com as três nanopartículas deste projeto. Ou seja, a propriedade corona

free das SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-PEG não foi observada para essa proteína.

Abstract

Protein corona is a phenomenon characterized by the spontaneous and

nonspecific adsorption of proteins on nanoparticles’ surface. This protein shell

influences on the action and efficiency of nanomaterials applied in nanomedicine.

Particles functionalization with zwitterionic groups and polyethylene glycol (PEG) are

two strategies to avoid the occurrence of this phenomenon. Considering these facts,

this work’s motivation is to synthesize silica nanoparticles and to study their interaction

with different proteins (bovine serum albumin and lysozyme). For this, three types of

silica nanoparticles were considered: I) unmodified (SiO2NPs), II) modified with

zwitterionic sulfobetaine silane (SiO2NPs-SBS) and III) modified with polyethylene

glycol (SiO2NPs-PEG). These nanoparticles were characterized by dynamic light

scattering (DLS), zeta potential, scanning electron microscopy (SEM),

thermogravimetry (TGA) and nuclear magnetic resonance (NMR) measurements. The

interaction studies were performed using DLS, ultraviolet absorption, circular dichroism

(CD) and isothermal titration calorimetry (ITC). Three factors were considered in these

studies: pH, temperature and ionic strength. The three nanoparticles presented a

monomodal size distribution around 100 nm and approximately spherical shape.

Surface modifications with SBS and PEG were confirmed by NMR and TGA

techniques. Bovine serum albumin (BSA) was found to interact only with SiO2NPs.

Therefore, for BSA, a negatively charged protein at physiological pH, modifications

with SBS and PEG were efficient to avoid its adsorption. It was also observed that the

interaction of BSA with SiO2NPs is controlled by enthalpy and that the factors ionic

strength, pH and temperature influenced the results. Lysozyme, a positively charged

protein at physiological pH, interacted with three nanoparticles of this project. Thus,

the corona free property of SiO2NPs-SBS and SiO2NPs-PEG nanoparticles was not

verified for this protein.

Lista de Figuras

Figura 1. Representação esquemática do efeito EPR. Adaptado da Referência 13. 18

Figura 2. TEM das SiO2NPs obtida por Li e colaboradores.20 ................................... 19

Figura 3. Estratégias utilizadas para reverter a formação da protein corona não

específica. Imagem adaptada da Referência 35. ...................................................... 21

Figura 4. Ilustração de uma membrana celular e a fórmula estrutural do composto

zwitteriônico fosfatidilcolina. Adaptado da Referência 46. ......................................... 22

Figura 5. Mecanismo da resistência de adsorção: A) efeito estérico governado pela

instabilidade entrópica e B) formação da camada de hidratação via solvatação iônica

(ZW) e ligação de hidrogênio (PEG e ZW). Adaptado da Referência 49. ................. 23

Figura 6. Representação esquemática do aparato de um ITC, representativo dado

bruto de um experimento e representativa isoterma de ligação ajustada com o modelo

de One set of sites. Imagem adaptada da Referência 65. ........................................ 25

Figura 7. Estrutura química do SBS .......................................................................... 27

Figura 8. Estrutura química do PEG2000 silanizado. .................................................. 28

Figura 9. Ilustração da superfície das A) SiO2NPs, B) SiO2NPs-SBS e C) SiO2NPs-

PEG. .......................................................................................................................... 33

Figura 10. Distribuição de tamanho das SiO2NPs, SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-PEG em

função da intensidade. .............................................................................................. 34

Figura 11. Ilustração de algumas das possíveis associações do SBS na superfície das

nanopartículas de sílica. Adaptado da Referência 44. .............................................. 35

Figura 12. Variação do potencial zeta das SiO2NPs, SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-PEG

em função do pH. ...................................................................................................... 36

Figura 13. MEV e correspondente distribuição de diâmetro das A) SiO2NPs, B)

SiO2NPs-SBS e C) SiO2NPs-PEG ............................................................................ 37

Figura 14. Curvas de TGA das SiO2NPs, SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-PEG. ............... 38

Figura 15. Espectros de 1H-RMN das nanopartículas SiO2NPs, SiO2NPs-SBS,

SiO2NPs-PEG e dos compostos SBS e PEG2000-TESPI. .......................................... 40

Figura 16. Esquema das condições experimentais estudadas.................................. 41

Figura 17. Distribuição do diâmetro hidrodinâmico das SiO2NPs em presença de A)

BSA e B) lisozima. Estudos realizados na condição padrão. .................................... 42

Figura 18. A) Diâmetro hidrodinâmico (DH) e B) variação do DH das SiO2NPs em

função da concentração de BSA a 25 e 37 °C. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-

1 PB com o pH em 7,4. .............................................................................................. 43

Figura 19. A) Isotermas de adsorção de BSA em SiO2NPs nas temperaturas de 25 e

37 °C obtidas através de medidas de absorbância da proteína. B) Gráfico utilizado no

cálculo de NS referente ao experimento a 25 °C. Dois pontos foram desconsiderados

da curva..................................................................................................................... 45

Figura 20. Dado bruto da titulação de 0,38 mmol.L-1 de BSA em 5 g.L-1 de SiO2NPs.

Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB, pH 7,4, 25 °C. ................................... 46

Figura 21. Demonstração da baixa relação sinal/ruído observada durante as medidas

de ITC. Ampliação do pico da A) primeira injeção de diluição e B) penúltima injeção

de interação da Figura 20. ........................................................................................ 47

Figura 22. Isoterma da titulação calorimétrica: A) variação de calor e B) variação de

entalpia por mol de titulante após cada injeção de 2 μL de uma solução 0,38 mmol.L-

1 BSA em uma suspensão de 5 g.L-1 de SiO2NPs. Experimentos realizados em 0,01

mol.L-1 PB, pH 7,4, 25 e 37 °C. ................................................................................. 48

Figura 23. A) Somatória dos calores envolvidos nas interações entre BSA e SiO2NPs

em função do volume de BSA. Dados relacionados ao experimento realizado em 0,01

mol.L-1 PB, pH 7,4 a 25 e 37 °C. B) Isoterma da entalpia integral de adsorção (Δrh )

versus a fração molar obtida da titulação a 25 °C. A reta apresentada é a forma

linearizada da isoterma. ............................................................................................ 49

Figura 24. Níveis de organização estrutural das proteínas. Adaptado da Referência

80. ............................................................................................................................. 51

Figura 25. Espectro CD das estruturas secundárias mais comumente encontradas em

proteínas. O espectro foi adaptado da Referência 83 referente às análises de poli-L-

lisina nas diferentes estruturas secundárias.............................................................. 51

Figura 26. Dicroísmo circular da A) BSA livre a 25 e 37 °C, B) BSA livre e adsorvida

nas SiO2NPs incubadas a 25 °C e C) BSA livre e adsorvida nas SiO2NPs incubadas a

37 °C. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB com pH ajustado em 7,4. ........ 52

Figura 27. Gel de eletroforese revelado das soluções e suspensões utilizadas nos

testes de CD. ............................................................................................................. 53

Figura 28. Variação do A) diâmetro hidrodinâmico e da B) polidispersidade das

SiO2NPs em tampão PB contendo 0 e 2,3 μmol.L-1 de BSA em diferentes forças

iônicas. ...................................................................................................................... 54

Figura 29. Variação do diâmetro hidrodinâmico das SiO2NPs em função da

concentração de BSA. Estudos realizados a 0 e 4 g.L-1 de NaCl adicionados ao tampão

PB em pH 7,4, a 25 °C. ............................................................................................. 55

Figura 30. Ilustração de alguns dos possíveis posicionamentos da BSA sobre as

SiO2NPs. ................................................................................................................... 55

Figura 31. Isotermas de adsorção de BSA em SiO2NPs em PB com 0 e 4 g.L-1 de NaCl

obtidas através de medidas de absorbância da proteína. Experimentos realizados em

pH 7,4 e a 25 °C. ....................................................................................................... 56

Figura 32. Isoterma da titulação calorimétrica: variação de entalpia por mol de titulante

após cada injeção de 2 μL de uma solução 0,38 mmol.L-1 de BSA em uma suspensão

de 5 g.L-1 de SiO2NPs. Resultados obtidos variando-se a força iônica do meio: sem

adicionar NaCl ao PB e adicionando 4 g.L-1 desse sal. Experimentos realizados em

pH 7,4 e a 25 °C. ....................................................................................................... 57

Figura 33. Dicroísmo circular da A) BSA livre em PB sem NaCl e com 4 g.L-1 NaCl. B)

BSA livre e adsorvida em SiO2NPs em PB sem NaCl e C) BSA livre e adsorvida em

SiO2NPs em PB com 4 g.L-1 NaCl. ............................................................................ 58

Figura 34. Diagrama da variação do formato e das dimensões da BSA de acordo com

o pH. Adaptado da Referência 85. ............................................................................ 58

Figura 35. Variação do diâmetro hidrodinâmico das SiO2NPs em função da

concentração de BSA. Estudos realizados em 0,01 mol.L-1 PB, 25 °C, pH 6,0 e 7,4.

.................................................................................................................................. 59

Figura 36. Isotermas de adsorção de BSA em SiO2NPs pH 6,0 e 7,4 obtidas através

de medidas de absorbância da proteína. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB

a 25 °C. ..................................................................................................................... 60

Figura 37. Isoterma da titulação calorimétrica: variação de entalpia após cada injeção

de 2 μL de uma solução 0,38 mmol.L-1 de BSA em uma suspensão de 5 g.L-1 de

SiO2NPs. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB, 25 °C, pH 6,0 e 7,4. .......... 61

Figura 38. Dicroísmo circular da A) BSA livre em PB pH 6,0 e pH 7,4, B) BSA livre e

adsorvida em SiO2NPs em PB pH 7,4 e C) BSA livre e adsorvida em SiO2NPs em PB

pH 6,0. Experimentos realizados a 25 °C. ................................................................. 62

Figura 39. Distribuição de diâmetro hidrodinâmico das SiO2NPs-SBS na ausência e

presença de A) BSA na condição padrão, B) lisozima na condição padrão e C) lisozima

em PBS. .................................................................................................................... 63

Figura 40. Diâmetro hidrodinâmico das SiO2NPs-SBS em diferentes concentrações de

proteínas. O experimento com a BSA foi realizado em 0,01 mol.L-1 PB, pH 7,4, 25 °C.

O experimento com a lisozima foi realizado em 0,01 mol.L-1 PBS, pH 7,4 e 25 °C. .. 64

Figura 41. Dado bruto da titulação de A) BSA em 5 g.L-1 de SiO2NPs-SBS na condição

padrão e de B) lisozima em 5 g.L-1 de SiO2NPs-SBS em PBS. ................................ 64

Figura 42. Isoterma de titulação calorimétrica: variação da entalpia por mol de titulante

após cada injeção de 2 μL das soluções de proteínas em uma suspensão de 5 g.L-1

de SiO2NPs-SBS. Experimentos com BSA e lisozima realizados respectivamente, na

condição padrão e em PBS. ...................................................................................... 65

Figura 43. Isotermas de adsorção de BSA e lisozima nas SiO2NPs-SBS em PB e PBS,

respectivamente, obtidas através de medidas de absorbância das proteínas. ......... 65

Figura 44. Isoterma da titulação calorimétrica: variação de entalpia por mol de titulante

após cada injeção de 2 μL de uma solução de BSA em uma suspensão de 5 g.L-1 de

SiO2NPs-SBS. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB pH 7,4 a 25 e 37 °C. .. 67

Figura 45. Isoterma da titulação calorimétrica: variação da entalpia por mol de titulante

após cada injeção de 2 μL da solução de BSA em uma suspensão de 5 g.L-1 de

SiO2NPs-SBS. Experimentos realizados a 25 °C, pH 7,4, 0,01 mol.L-1 PB sem adição

de NaCl e com 4 g.L-1 desse sal. .............................................................................. 68

Figura 46. Isoterma da titulação calorimétrica: variação de entalpia por mol de titulante

após cada injeção de 2 μL da solução de BSA em uma suspensão de 5 g.L-1 de

SiO2NPs-SBS. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB, 25 °C, pH 6,0 e 7,4. .. 68

Figura 47. Variação do diâmetro hidrodinâmico das SiO2NPs-PEG em função da

concentração das proteínas BSA e lisozima. Experimento realizado em 0,01 mol.L-1

PB, pH 7,4, 25 °C. ..................................................................................................... 69

Figura 48. Dado bruto da titulação de A) BSA e B) lisozima em 5 g.L-1 de SiO2NPs-

PEG. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB, pH 7,4, 25 °C. .......................... 70

Figura 49. Isoterma da titulação calorimétrica: variação da entalpia por mol de titulante

após cada injeção de 2 μL da solução de proteínas em uma suspensão de 5 g.L-1 de

SiO2NPs-PEG. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB, pH 7,4, 25 °C. .......... 70

Figura 50. Isotermas de adsorção de BSA e lisozima nas SiO2NPs-PEG obtidas

através de medidas de absorbância da proteína. ...................................................... 71

Lista de Tabelas

Tabela 1. Diâmetro hidrodinâmico médio (DH), polidispersidade (PDI) e potencial zeta

das SiO2NPs, SiO2NPs precursoras das modificações, SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-

PEG. .......................................................................................................................... 33

Tabela 2. Parâmetros termodinâmicos e NS da interação entre BSA e SiO2NPs nas

temperaturas de 25 e 37 °C. ..................................................................................... 50

Tabela 3. Valores de DH e potencial zeta da BSA e das SiO2NPs nos pH 6,0 e 7,4. 59

Lista de Abreviaturas e Siglas

1H-RMN: Ressonância magnética nuclear de hidrogênio

BSA: Albumina de soro bovino

CD: Dicroísmo circular

DH: Diâmetro hidrodinâmico

DLS: Espalhamento de luz dinâmico

DMAPTMS: N,N-dimetil-3-aminopropiltrimetoxissilano

EPR (efeito): Efeito de aumento de permeabilidade e retenção das nanopartículas em

tecidos tumorais

ITC: Calorimetria de titulação isotérmica

Lys: Lisozima

MEV: Microscopia eletrônica de varredura

NPs: Nanopartículas

PB: Tampão fosfato

PBS: Tampão fosfato salino (9 g.L-1 NaCl)

PEG: Polietilenoglicol

PEG2000: Polietilenoglicol de massa molar 2000 g.mol-1

PEG2000-TESPI: Polietilenoglicol silanizado

SBS: Composto zwitteriônico silano sulfobetaína

SiO2NPs: Nanopartículas de sílica sem modificação

SiO2NPs-PEG: Nanopartículas de sílica modificadas com PEG

SiO2NPs-SBS: Nanopartículas de sílica modificadas com SBS

TEM: Microscopia eletrônica de transmissão

MEV: Microscopia eletrônica de varredura

TEOS: Ortosilicato de tetraetila

TGA: Análise termogravimétrica

UV-vis: Espectrometria na região de comprimento de onda do ultravioleta e visível

ZW: Composto zwitteriônico

Sumário

1. Introdução ......................................................................................................... 17

1.1. Nanomateriais .............................................................................................. 17

1.2. Nanopartículas de sílica ............................................................................... 18

1.3. Protein corona .............................................................................................. 20

1.4. Nanopartículas corona free .......................................................................... 21

1.5. Albumina e lisozima ...................................................................................... 24

1.6. ITC ................................................................................................................ 24

2. Objetivo ............................................................................................................. 26

3. Metodologia ....................................................................................................... 26

3.1. Síntese e purificação das nanopartículas de sílica (SiO2NPs)...................... 26

3.2. Síntese do Silano Sulfobetaína (SBS) .......................................................... 27

3.3. Funcionalização das SiO2NPs com SBS (SiO2NPs-SBS) ............................ 27

3.4. Síntese do PEG2000 silanizado (PEG2000-TESPI) .......................................... 28

3.5. Funcionalização das SiO2NPs com PEG2000-TESPI (SiO2NPs-PEG) ........... 28

3.6. Caracterização das nanopartículas .............................................................. 29

3.6.1. Microscopia eletrônica de varredura (MEV) ........................................... 29

3.6.2. Espalhamento de luz dinâmico (DLS) .................................................... 29

3.6.3. Potencial zeta ........................................................................................ 29

3.6.4. Análise termo-gravimétrica (TGA) ......................................................... 30

3.6.5. Ressonância magnética nuclear de hidrogênio (1H-RMN) .................... 30

3.7. Estudo de interação de proteínas com nanopartículas ................................. 30

3.7.1. Titulação calorimétrica (ITC) .................................................................. 30

3.7.2. Espalhamento de luz dinâmico (DLS) .................................................... 31

3.7.3. Quantificação de proteínas por espectroscopia UV-vis .......................... 31

3.7.4. Dicroísmo circular ................................................................................... 32

3.7.5. Eletroforese ............................................................................................ 32

4. Resultados e discussão ................................................................................... 32

4.1. Caracterização das SiO2NPs, SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-PEG ..................... 32

4.2. Avaliação do efeito Protein corona ............................................................... 41

4.2.1. Interação das proteínas albumina e lisozima com as SiO2NPs .............. 42

4.2.2. Efeito da temperatura ............................................................................. 43

4.2.3. Efeito da força iônica .............................................................................. 53

4.2.4. Efeito do pH ............................................................................................ 58

4.3. Avaliação do efeito corona free nas SiO2NPs-PEG e SiO2NPs-SBS ........... 62

4.3.1. Interação das proteínas albumina e lisozima com SiO2NPs-SBS .......... 62

4.3.2. Interação das proteínas albumina e lisozima com SiO2NPs-PEG .......... 69

5. Conclusões ....................................................................................................... 71

6. Bibliografia ........................................................................................................ 74

7. Apêndice ............................................................................................................ 82

17

1. Introdução

1.1. Nanomateriais

Nanomateriais são definidos como materiais que possuem pelo menos uma

de suas dimensões na escala nanométrica compreendida entre 1 e 100 nm.1 Além

disso, eles são conhecidos por apresentarem propriedades físicas, químicas e ópticas

diferentes de materiais na escala macroscópica de mesma composição. Devido a

essa singularidade, os nanomateriais vêm recebendo grande destaque em diversas

pesquisas e aplicações.2 Nesse contexto, uma área que despertou grande interesse

por essas características é a nanomedicina.3

O conceito de utilização de nanomateriais na nanomedicina é baseado na

possibilidade de criar nanopartículas com alta especificidade e afinidade a algum tipo

de célula. Essas características se tornam muito relevantes ao serem aplicadas tanto

em diagnósticos, como em terapias e na liberação controlada de fármacos.4 Para o

último caso, é possível citar algumas vantagens, como por exemplo: a) a diminuição

da dosagem do medicamento e dos efeitos colaterais em decorrência da entrega do

fármaco ser mais eficiente, b) a possibilidade de utilizar fármacos hidrofóbicos5,6, algo

completamente inviável nos métodos de dosagem convencional e c) propiciar

proteção ao medicamento contra alteração de pH, atuação de enzimas e/ou

degradação química, proporcionando maior estabilidade e tempo de circulação do

fármaco.7

Até o ano de 2016, a FDA (Food and Drug Administration – Administração

de comidas e remédios) dos Estados Unidos havia aprovado 51 agentes terapêuticos

ou de imageamento compostos por nanomateriais para aplicação na nanomedicina.8

De fato, mais de 50% dessas nanopartículas são compostas por lipossomas,

nanocristais e emulsões.9 Além disso, o direcionamento desses materiais até as

células cancerosas ocorre principalmente através de um mecanismo passivo,

chamado de Efeito EPR (Enhanced Permeability and Retention)10, conforme explicado

a seguir e ilustrado na Figura 1. O Efeito EPR é baseado no aumento da

permeabilidade das nanopartículas nos envoltórios dos vasos sanguíneos em regiões

próximas à tecidos tumorais. Essa permeabilidade é uma consequência da criação de

poros entre as células endoteliais que revestem esses vasos sanguíneos. Em

18

decorrência do tamanho desses poros formados, as nanopartículas de até 100 nm

apresentam a permeação facilitada.5 Dessa forma, elas conseguem atingir o tecido

tumoral e são internalizadas pelas células.11 No entanto, as internalizações ocorrem

tanto em células cancerosas como também em células sadias. Ou seja, esse

mecanismo leva a uma acumulação não específica do nanomaterial.12

Figura 1. Representação esquemática do efeito EPR. Adaptado da Referência 13.

Somente por meio de modificação da superfície das partículas é possível

obter uma acumulação do nanomaterial predominantemente em células doentes.

Esses grupos modificadores devem interagir especificadamente com moléculas alvos

presentes apenas na superfície dessas células. No entanto, não são todas as

nanopartículas que possibilitam esse tipo de modificação.

1.2. Nanopartículas de sílica

As nanopartículas de sílica estão entre as nanoestruturas mais promissoras

para aplicação na biomedicina.14,15,16 Sua síntese, baseada no método de Stöber, é

geralmente realizada em meio etanólico, por meio de condensação dos grupos

ortosilicatos de tetraetila (TEOS), utilizando hidróxido de amônio como catalisador. As

nanopartículas obtidas usualmente possuem tamanho uniforme, o qual pode ser

controlado pela concentração dos reagentes durante a síntese.17 Além disso, a

morfologia e a porosidade também podem ser controladas através de outras rotas

sintéticas.18

19

Li e colaboradores19,20 têm demonstrado que as nanopartículas de sílica

obtidas através do método de Stöber são formadas por um processo de agregação de

partículas primárias. Em decorrência disso, uma microporosidade interna é criada. Na

Figura 2 é apresentada a imagem de TEM obtida por tal grupo de pesquisa, mostrando

as partículas primárias constituindo cada nanopartícula de sílica.

Figura 2. TEM das SiO2NPs obtida por Li e colaboradores.20

A funcionalizações químicas dos poros e da superfície das nanopartículas

de sílica pode ser realizada de forma simples e eficiente através de reação com os

grupos silanóis (SiOH) presentes nessas regiões.21,22 Por exemplo, pode-se obter

nanopartículas com alta especificidade a um determinado tipo de célula por meio de

modificação da superfície com grupos direcionadores. Peptídeos, anticorpos,

proteínas, glicose, aptâmeros e moléculas pequenas são os principais tipos de

direcionadores estudados atualmente.23,24 Através desse tipo de funcionalização, a

entrega do medicamento às células doentes torna-se muito mais eficiente. Dessa

forma, no caso de células cancerosas, além do direcionamento pelo efeito EPR,

também obteria o direcionamento ativo através da interação específica entre as

superfícies das nanopartículas e das células. Consequentemente, as células sadias,

que também estão no meio ou próximas à massa tumoral, não seriam tão afetadas.

Contudo, em virtude do fenômeno conhecido como protein corona, as

funcionalizações com apenas grupos direcionadores não são suficientes para obter

nanopartículas eficazes em meios biológicos.25,26

20

1.3. Protein corona

Protein corona é um termo utilizado para descrever a formação de uma

camada de biomoléculas, geralmente proteínas, na superfície de nanomateriais

quando expostos aos meios biológicos.27 A protein corona pode ser dividida em duas

camadas. A primeira, conhecida por hard corona, é aquela que interage diretamente

com a superfície da nanopartícula, uma vez que possui alta afinidade por ela. A

segunda camada, denominada soft corona, é constituída por proteínas que possuem

baixa afinidade pela superfície, e interagem com a hard corona por interações fracas.28

Em decorrência da formação da protein corona, as nanopartículas adquirem uma

identidade biológica completamente diferente da identidade sintética.29,30 Além disso,

a protein corona encobre as modificações feitas previamente à sua formação.

Consequentemente, a acessibilidade do grupo direcionador ao receptor da célula é

reduzida.31

Atualmente duas estratégias estão sendo investigadas para reverter essas

limitações. A primeira é baseada em induzir apenas adsorção de proteínas que

possam atuar como direcionadores. Isso pode ser obtido tanto por meio de

modificações da superfície das nanopartículas que as tornem seletivas a um tipo de

proteína, como por recobrimento dessa superfície com uma proteína específica que

possa atrair apenas proteínas similares.32,33,34 Para tal estratégia, o principal objetivo

é entender como a protein corona é formada e quais são as classes de proteínas que

têm maior afinidade a um determinado tipo de superfície35 (Figura 3 – Protein corona

controlada).

A segunda estratégia é baseada em evitar a formação da protein corona.

Nesse caso, a superfície das nanopartículas pode ser modificada com moléculas que

impeçam esse processo, ocasionando o efeito corona free35 (Figura 3 –

Nanopartículas com grupos direcionadores).

21

Figura 3. Estratégias utilizadas para reverter a formação da protein corona não

específica. Imagem adaptada da Referência 35.

1.4. Nanopartículas corona free

Para se obter nanopartículas corona free, modificações nas superfícies

dessas nanoestruturas são realizadas. Os compostos utilizados nessas modificações

são ligados covalentemente à superfície do nanomaterial e devem possuir capacidade

de evitar a adsorção de proteínas, alta hidrofilicidade, neutralidade elétrica e

biocompatibilidade.36,37

O PEG (polietilenoglicol) é um dos principais compostos utilizados para se

obter o efeito corona free.38 A funcionalização com PEG de massas molares 2000 ou

5000 g.mol-1 torna esse efeito mais expressivo.39 Contudo, esse polímero não possui

capacidade de suprimir completamente a adsorção de proteínas.40,41 Estudos

realizados mostram que mesmo variando o comprimento da cadeia polimérica do PEG

ou alterando a distância entre as cadeias, não há sucesso na obtenção de

nanopartículas 100% corona free.42 Além disso, esse polímero pode sofrer oxidação

espontaneamente ou por ação de enzimas.26 Acrescenta-se ainda que estudos têm

observado a predisposição dos pacientes a produzirem anticorpos atuantes contra ele

já na segunda aplicação.43 Por outro lado, como uma alternativa ao PEG, compostos

zwitteriônicos (ZW) vêm sendo estudados, demonstrando sobretudo serem mais

adequados para esse tipo de aplicação.44,45

A ideia de utilizar compostos zwitteriônicos foi inspirada pela abundância

de fosfatidilcolina nas membranas celulares, principalmente na parte externa.46 Esse

composto possui um grupo fosfato carregado negativamente e um amônio quaternário

22

carregado positivamente (Figura 4). Em decorrência da presença dessa molécula

zwitteriônica, as membranas celulares possuem a capacidade de evitar a adsorção de

biomoléculas em sua superfície.36 Muitas pesquisas, posteriormente, surgiram afim de

obter superfícies não aderentes através da modificação dessas com compostos

zwitteriônicos. Os principais grupos iônicos utilizados são amônio quaternário como

cátion, e grupos fosfato, carboxilato e sulfonato como ânions.46

Figura 4. Ilustração de uma membrana celular e a fórmula estrutural do composto

zwitteriônico fosfatidilcolina. Adaptado da Referência 46.

A capacidade dos compostos zwitteriônicos e do PEG de evitar a

adsorção de proteínas é uma consequência de dois fatores. O primeiro fator é a

camada de hidratação formada na superfície, agindo como uma barreira física e

energética para evitar a adsorção (Figura 5).47 No entanto, as propriedades de

hidratação se diferenciam entre os compostos acima, conforme observado por Leng

e colaboradores.48 Uma interação mais forte entre os compostos zwitteriônicos e as

moléculas de água foi observada em comparação com o PEG. Logo, apesar de ambos

os compostos interagirem com as moléculas de água por ligações de hidrogênio, para

o ZW há também a contribuição da interação ainda mais forte da solvatação iônica.

Em decorrência disso, em presença de proteína, a alteração do ordenamento das

moléculas de água só é observada para o PEG, mas que ainda assim resiste à

adsorção. Entretanto, apenas essa hipótese não justifica o fenômeno observado.

Nanopartículas de sílica sem modificação também possuem camada de hidratação

23

devido às hidroxilas protonadas e/ou desprotonadas e mesmo assim a protein corona

é formada em sua superfície.

O segundo fator está diretamente relacionado ao fato dos modificadores

corona free portarem neutralidade de cargas e uma distribuição uniforme delas. Dessa

forma, uma redução das atrações eletrostáticas entre as cargas da proteína e da

nanopartícula ocorre, evitando a adsorção da proteína.47

O efeito corona free do PEG também possui a contribuição do Efeito

estérico (ou volume excluído). Para ocorrer a adsorção de proteínas em uma

superfície recoberta com esse polímero há uma penalidade entrópica devido a

compressão da cadeia polimérica (Figura 5). Com isso, o processo é caracterizado

por uma energia livre de Gibbs positiva e portanto, não espontâneo.36

Figura 5. Mecanismo da resistência de adsorção: A) efeito estérico governado pela

instabilidade entrópica e B) formação da camada de hidratação via solvatação iônica

(ZW) e ligação de hidrogênio (PEG e ZW). Adaptado da Referência 49.

Os compostos zwitteriônicos carboxibetaína, fosfobetaína e sulfobetaína

podem ser utilizados para se obter nanopartículas corona free. O composto

zwitteriônico sulfobetaína foi escolhido para este trabalho, pois, ele apresenta

neutralidade de cargas em toda a faixa de pH50 em decorrência do baixo valor de pKa

do grupo sulfonato (pKa = -9).51 Um estudo realizado mostrou que esse composto

possui a característica de manter os seus grupos carregados distantes entre si,

24

independentemente do número de carbonos presentes entre os grupos sulfato e

amino.52 Provavelmente isso ocorre devido à alta interação dessas cargas com as

moléculas de água, assim como possíveis efeitos estéricos.

1.5. Albumina e lisozima

Albumina de soro bovino (BSA) e lisozima são duas proteínas modelos

bastante estudadas na literatura.53,54,55 Elas são conhecidas por apresentarem

propriedades diferentes.

A BSA é uma proteína com massa molar de 66,430 kDa, dimensão de (9,0

x 6,0 x 5,0) nm3 e apresenta o ponto isoelétrico em pH 4,8.53,55,56 Ou seja, em pH

fisiológico essa proteína apresenta uma carga negativa. O interesse das pesquisas

por ela advém do fato da albumina ser a proteína mais abundante no plasma

sanguíneo humano.55 Como a BSA possui 76%57 de semelhança com a albumina

humana (HSA) e é mais acessível economicamente, geralmente os experimentos são

realizados com essa proteína. Embora diversos estudos de interação dessas

proteínas com nanopartículas de sílica já tenham sido reportados, nenhum deles

apresenta resultados sistemáticos da influência da temperatura, pH e força iônica na

termodinâmica dessa interação.

A lisozima é considerada uma proteína “hard” devido à sua alta estabilidade

estrutural.58 Essa proteína possui 129 resíduos de aminoácidos59, apresenta ponto

isoelétrico em pH 11, massa molar de 14,3 kDa e dimensão de (4,5 x 3,0 x 3,0)

nm3.56,58 Devido ao elevado ponto isoelétrico, ela apresenta carga positiva em uma

ampla faixa de pH. Em decorrência dessa carga positiva, estudos identificaram uma

forte adsorção dessa proteína em nanopartículas de sílica (carregada negativamente)

devido às interações eletrostáticas.58,60 Por esse motivo, ela se torna interessante para

verificar se as modificações da superfície com compostos zwittêriônicos ou PEG são

eficientes em evitar a formação de protein corona.

1.6. ITC

A técnica Calorimetria de Titulação Isotérmica (ITC) é a mais adequada

para os estudos termodinâmicos das interações entre nanopartículas e proteínas61 em

decorrência da alta sensibilidade. Além disso, é uma técnica simples que permite

25

trabalhar em sistemas com concentrações na escala micromolar.62 Através dela é

possível obter parâmetros termodinâmicos que possibilitam a caracterização das

interações, como estequiometria, constante de equilíbrio e variação da energia livre

de Gibbs, da entalpia e da entropia.63,64

O equipamento é composto por uma cela de referência e uma de amostra.

Entre as celas há um sensor de temperatura e para cada uma delas há também um

resistor, sendo todo esse sistema mantido dentro de um compartimento adiabático

(Figura 6). Através do sensor e dos resistores mencionados, as temperaturas das

celas são mantidas constantes e sob equilíbrio térmico durante todo o experimento.65

Figura 6. Representação esquemática do aparato de um ITC, representativo dado

bruto de um experimento e representativa isoterma de ligação ajustada com o modelo

de One set of sites. Imagem adaptada da Referência 65.

Nos estudos de protein corona o experimento consiste de injeções

sucessivas da solução de proteína em intervalos de tempo bem definidos na cela de

amostra já preenchida com a suspensão de nanopartícula, sendo todo esse processo

automatizado. Se eventualmente a interação entre a proteína e a nanopartícula for

exotérmica, uma menor potência é fornecida pela resistência de aquecimento à cela

de amostra; enquanto que para interações endotérmicas, uma maior potência é

requerida. O dado bruto dessa técnica é constituído por essa variação de potência

fornecida para a cela de amostra em função do tempo.66,67 O tratamento de dados

consiste na integração da área dos picos do dado bruto, obtendo um gráfico de

variação de entalpia por mol de titulante versus a proporção molar estudada. Os

26

parâmetros termodinâmicos entalpia (ΔH), energia livre de Gibbs (ΔG), entropia (ΔS),

constante de equilíbrio (K) e estequiometria (n) são calculados a partir desse último

gráfico mencionado (Figura 6).

2. Objetivo

O objetivo do trabalho aqui descrito consiste em sintetizar nanopartículas

de sílica e estudar a termodinâmica de interação dessas com diferentes proteínas

(albumina bovina e lisozima). Para tal, três nanopartículas de sílica são consideradas,

sendo uma sem modificação e as outras duas modificadas com grupos que produzem

superfícies corona free (zwitteriônico e polietilenoglicol, PEG). Três variáveis são

consideradas para o estudo de interação: pH, temperatura e força iônica.

3. Metodologia

3.1. Síntese e purificação das nanopartículas de sílica (SiO2NPs)

Síntese: 120 mL de etanol e 5,9 mL de NH4OH foram adicionados em um

balão de fundo chato de 250 mL. O balão foi vedado e a agitação branda foi mantida

por 30 min. Posteriormente, 2,5 mL de TEOS (ortosilicato de tetraetila) foram

adicionados. Após 4 h de agitação, 2,5 mL de TEOS foram novamente adicionados e

o sistema foi mantido em agitação por 24 h.

Purificação: O volume final da síntese foi dividido em quatro tubos Falcon

(aproximadamente 30 mL) e centrifugado a 10.000 rpm por 15 min a 20 °C. Após a

centrifugação, o sobrenadante foi descartado e 15 mL de etanol foram adicionados

em cada tubo Falcon. As nanopartículas foram ressuspendidas com auxílio de um

vórtex e sonicadas por 15 min. Após uma nova centrifugação, o sobrenadante foi

descartado e as nanopartículas foram ressuspendidas em 30 mL de água Milli-Q. Em

seguida elas foram mantidas em banho de ultrassom por 30 min. Esse procedimento

de lavagem com água foi repetido quatro vezes. A concentração das nanopartículas

sintetizadas foi determinada por gravimetria, obtendo o valor de 8,8 mg.mL-1.

27

3.2. Síntese do Silano Sulfobetaína (SBS)

12 mL de acetato de etila anidro foram adicionados em um balão de fundo

redondo, previamente purgado com N2 e aquecido a 45 °C em banho de óleo de

silicone. Posteriormente, 2,06 g de DMAPTMS (N,N-dimetil-3-

aminopropiltrimetoxissilano) e 1,27 g de 1,3-propano sultona foram adicionados em 2

mL de acetato de etila em frascos separados. A solução de DMAPTMS foi adicionada

ao balão reacional e após 5 min a solução de sultona foi então adicionada. A reação

foi realizada sob o fluxo constante de N2 e agitação. Após 2 h, mais 10 mL de solvente

foram adicionados e o fluxo de N2 foi retirado. Após 3 h, o aquecimento foi removido e

a reação foi mantida overnight. A estrutura química do SBS é apresentada na Figura

7:

Figura 7. Estrutura química do SBS

Purificação: Acetona foi adicionada sobre o precipitado formado e esse foi

transferido para um tubo Falcon. A solução foi centrifugada a 5.000 rpm por 5 min a

20 °C. O sobrenadante foi retirado e o precipitado foi redisperso em acetona com o

auxílio de um vórtex. Esse procedimento foi repetido três vezes. Secou-se o produto

com bomba de vácuo e o produto foi armazenado em um dessecador.

3.3. Funcionalização das SiO2NPs com SBS (SiO2NPs-SBS)

Para 80 mL de suspensão de SiO2NPs sem funcionalização, 281,9 mg de

SBS foram dissolvidos em 6,13 mL de água. Posteriormente, essa solução foi agitada

em vórtex e deixada em repouso por 30 min, para em seguida ser adicionada gota a

gota na suspensão de SiO2NPs. Após 20 h de reação sob agitação constante, 2 mL

de NH4OH foram adicionados e a solução foi aquecida por 4 h a 80 °C. Por fim, as

nanopartículas foram purificadas através de três lavagens com água conforme

descrito na seção 3.1.

28

3.4. Síntese do PEG2000 silanizado (PEG2000-TESPI)

1,476 g de PEG2000 foi adicionado em balão de duas bocas de 50 mL. O

balão foi fechado com septo e torneira de teflon. O sistema foi mantido sob vácuo e a

40 °C durante 24 horas. Posteriormente, o vácuo foi retirado e purgou-se argônio

durante 1 hora. 0,02 mL de Trietilamina e 0,2 mL de de 3-(trietoxisilil) propil isocianato

foram adicionados lentamente ao balão de reação. Manteve-se o sistema a 80 °C, sob

atmosfera de argônio por 8 horas. Posteriormente, o argônio foi retirado e o sistema

foi mantido em agitação a 80 °C por mais 20 horas. A estrutura química do PEG2000

silanizado é apresentada na Figura 8:

Figura 8. Estrutura química do PEG2000 silanizado.

3.5. Funcionalização das SiO2NPs com PEG2000-TESPI (SiO2NPs-PEG)

Para 60 mL de suspensão de SiO2NPs sem funcionalização, 0,9196 g de

PEG2000-TESPI foram dissolvidos em 4 mL de água. Posteriormente, essa solução foi

agitada em vórtex e adicionada em um erlenmeyer contendo a suspensão de SiO2NPs

e 1,5 mL de NH4OH. Após 16 h de reação sob agitação constante a temperatura

ambiente, o sistema foi aquecido a 80° e foi mantido nesta temperatura durante 4

horas. Por fim, as nanopartículas foram purificadas através de três lavagens com

água conforme descrito na seção 3.1.

29

3.6. Caracterização das nanopartículas

3.6.1. Microscopia eletrônica de varredura (MEV)

As imagens de microscopia eletrônica de varredura das nanopartículas

foram obtidas num microscópio de alta resolução FEI Inspect F50. As amostras foram

preparadas depositando uma gota (7 μL) da suspensão de nanopartículas diretamente

sobre um substrato de cobre. Os elétrons secundários foram coletados após o

retroespalhamento das amostras revestidas de Au atingidas por feixes de elétrons

com energia de 5 kV. As imagens obtidas foram analisadas com o software ImageJ.

3.6.2. Espalhamento de luz dinâmico (DLS)

O diâmetro hidrodinâmico das nanopartículas foi avaliado utilizando o

equipamento Malvern Zetasizer ZS (Malvern Instruments Ltd., UK – ângulo de 173° e

comprimento de onda de 633 nm). As nanopartículas sintetizadas foram sonicadas e

diluídas em água Milli-Q anteriormente às medidas.

3.6.3. Potencial zeta

A carga superficial das nanopartículas foi avaliada através das medidas de

potencial zeta realizadas no equipamento Malvern Zetasizer ZS (Malvern Instruments

Ltd., UK). Previamente às medidas, as suspensões foram sonicadas e diluídas a 1

g.L-1 em 0,01 mol.L-1 tampão fosfato (PB) de pH 7,4.

No estudo de variação do potencial zeta das nanopartículas em função do

pH as seguintes soluções/suspensões foram preparadas: 1) 10 mL de 1 g.L-1 de NPs

em solução de 0,01 mol.L-1 de NaOH e 0,01 mol.L-1 de NaCl, 2) solução de 0,25 mol.L-

1 e 0,025 mol.L-1 de HCl contendo 0,01 mol.L-1 de NaCl. Adições das soluções ácidas

nas suspensões de nanopartículas foram realizadas, seguidas de agitação e medidas

de potencial zeta.

30

3.6.4. Análise termo-gravimétrica (TGA)

As análises termogravimétricas das nanopartículas foram realizadas no

equipamento Thermogravimetric Analyser Pyris 1 (Perkin-Elmer). As amostras foram

aquecidas de 110 a 850 ºC sob atmosfera de N2 a uma taxa de aquecimento de 10 ºC

por minuto.

3.6.5. Ressonância magnética nuclear de hidrogênio (1H-RMN)

Para realizar as análises de 1H-RMN, 1,5 mL das amostras de

nanopartículas foram centrifugadas e concentradas a 100 μL de suspensão.

Posteriormente, 600 μL de água deuterada contendo o padrão ácido trimetilsilil

propiônico (TMSP) foram adicionados às suspensões. As amostras de SBS e PEG2000-

TESPI foram preparadas dissolvendo cerca de 20 mg desses compostos em 600 μL

de água deuterada. As análises foram realizadas no equipamento Agilent DD2 500

MHz.

3.7. Estudo de interação de proteínas com nanopartículas

3.7.1. Titulação calorimétrica (ITC)

Previamente às medidas de ITC, as proteínas foram dialisadas em tampão

PB ou PBS utilizando uma membrana de diálise retentora de proteínas maiores que

12 kDa. Os experimentos de calorimetria foram realizados no equipamento MicroCal

PEAQ-ITC (Malvern). Alíquotas de 2μL da solução de proteína foram adicionadas por

uma seringa de injeção automática em uma cela contendo 5 g.L-1 de nanopartículas

de sílica. Essa adição foi realizada até a indicação de saturação da superfície das

NPs. O mesmo procedimento foi realizado titulando a proteína em tampão, de modo

a permitir descontar os calores de diluição, restando apenas informação sobre a

interação entre os dois componentes.

Todos os tratamentos de dados do ITC foram baseados nos artigos de C.

Airoldi68,69 e V. Pravdic70, pois não foram obtidas as sigmoides completas para esses

31

experimentos, impossibilitando de realizar o tratamento de dados pelo método

convencional. Na seção 4.2.2 é descrito o tratamento de dados realizado.

3.7.2. Espalhamento de luz dinâmico (DLS)

A variação do diâmetro hidrodinâmico das nanopartículas após a incubação

com as proteínas foi avaliado utilizando o equipamento Malvern Zetasizer ZS (Malvern

Instruments Ltd., UK). 1,43 mL da suspensão de 1 g.L-1 de nanopartículas foram

adicionados em uma cubeta e essa foi mantida em agitação por 8 min em um

termobloco Thermomixer C (Eppendorf, Germany) a 450 rpm na correspondente

temperatura do experimento. Posteriormente, realizou-se a medida de diâmetro

hidrodinâmico. Nessa mesma cubeta, adições de 3 e 5 μL de solução de 0,28 mmol.L-

1 de proteína foram feitas. Após cada adição, o sistema foi incubado por 8 min

utilizando o termobloco (450 rpm, 25 ou 37 °C) e posteriormente a medida no DLS foi

realizada.

3.7.3. Quantificação de proteínas por espectroscopia UV-vis

Medidas de absorbância foram realizadas para se obter a quantidade de

proteína que foi adsorvida na superfície das nanopartículas. Para isso, 0 – 34,5

μmol.L-1 de proteínas foram incubadas em 600 μL de 5 g.L-1 de nanopartículas durante

10 minutos a 450 rpm, a 25 ou 37 °C. Posteriormente, as suspensões foram

centrifugadas por 15 min a 14.000 rpm e 20 °C. O sobrenadante foi retirado e

centrifugado novamente nas mesmas condições. Similarmente às suspensões

encubadas, as soluções da curva de calibração foram preparadas, entretanto

substituindo as suspensões de nanopartícula por tampão PB. As medidas de

absorbância em 280 nm dos sobrenadantes e da curva de calibração foram realizadas

no espectrofotômetro UV-vis Agilent 8453. Determinou-se a concentração da BSA

(Sigma A7030, composição ≥ 98%) através da absorbância. Considerou-se ε = 38940

mol-1.L.cm-1 71 para os experimentos com lisozima (Sigma L2879, composição ≥ 80%).

Assim como realizado para as medidas de ITC, todos os tratamentos de dados do UV-

vis foram baseados nos artigos de C. Airoldi68,69 e V. Pravdic70 e na seção 4.2.2 é

descrito como foram feitos.

32

3.7.4. Dicroísmo circular

As seguintes soluções foram preparadas para as medidas de dicroísmo

circular: 0,01 mol.L-1 de tampão, 0,5 g.L-1 de SiO2NPs em tampão, 7,5 μmol.L-1 BSA

em tampão e uma suspensão de SiO2NPs com BSA (0,5 g.L-1 de SiO2NPs e 7,5

μmol.L-1 BSA em tampão). As suspensões/soluções ficaram durante 15 minutos no

termobloco Thermomixer C (Eppendorf, Germany) a 25 ou 37 °C e 450 rpm. Após este

tempo as suspensões foram centrifugadas 6 vezes por 15 min, a 20 °C e 14000 rpm,

sempre reservando 700 μL dos sobrenadantes e adicionando ao precipitado 700 μL

de tampão. Durante o experimento de dicroísmo circular 10 medidas foram feitas para

o tampão PB e suspensões de NP, enquanto que para a BSA foram realizadas 20

medidas.

3.7.5. Eletroforese

Após finalizada as medidas de dicroísmo circular, com as mesmas

soluções, incluindo os sobrenadantes das centrifugações, um gel de eletroforese

(SDS-PAGE) foi corrido. O tampão 5x Laemmli sample buffer (Biorad 161-0747)

contendo 2-mercaptoetanol foi adicionado às suspensões de nanopartículas e BSA e

posteriormente deixou incubado a 95 °C por 5 minutos. Posteriormente, 20 μL de cada

solução foram separados em um gel 12% SDS-PAGE. O gel foi corrido na voltagem

constante de 200 V por 1h, e posteriormente foi corado com Comassie Brilliant Blue

para visualização das bandas. PageRulerTM Prestained Protein Ladder (Thermo

Scientific #26616) foi utilizado como padrão.

4. Resultados e discussão

4.1. Caracterização das SiO2NPs, SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-PEG

Neste trabalho, três tipos de nanopartículas de sílica foram sintetizadas. A

primeira, identificada como SiO2NPs, tem a superfície constituída principalmente por

grupos hidroxilas (Figura 9A). A segunda, nomeada como SiO2NPs-SBS, foi obtida

após modificar a superfície das SiO2NPs com o composto zwitteriônico SBS (Figura

33

9B). A terceira, denominada como SiO2NPs-PEG, apresenta em sua superfície o

polímero PEG2000 (Figura 9C). Tanto as SiO2NPs, bem como as SiO2NPs-SBS e

SiO2NPs-PEG foram caracterizadas pelas seguintes técnicas: MEV, DLS, potencial

zeta, 1H-RMN e TGA.

Figura 9. Ilustração da superfície das A) SiO2NPs, B) SiO2NPs-SBS e C) SiO2NPs-

PEG.

As medidas de diâmetro hidrodinâmico (DH) e potencial zeta foram

realizadas a fim de verificar a formação das nanopartículas de sílica. Na Tabela 1 são

apresentados os resultados de DLS e de potencial zeta e na Figura 10 é apresentada

a distribuição de tamanho das nanopartículas por intensidade.

Tabela 1. Diâmetro hidrodinâmico médio (DH), polidispersidade (PDI) e potencial zeta

das SiO2NPs, SiO2NPs precursoras das modificações, SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-

PEG.

Funcionalização Nanopartícula DH / nm PDI Potencial Zeta (𝜻) / mV

SiO2NPs 102 ± 1 0,06 ± 0,01 -48 ± 3

SBS SiO2NPsprecursora 102 ± 1 0,06 ± 0,01 -43 ± 2

SiO2NPs-SBS 98 ± 1 0,02 ± 0,02 -51 ± 1

PEG SiO2NPsprecursora 101 ± 2 0,05 ± 0,01 -52 ± 3

SiO2NPs-PEG 101 ± 1 0,02 ± 0,01 -9 ± 1

34

Figura 10. Distribuição de tamanho das SiO2NPs, SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-PEG em

função da intensidade.

É importante mencionar que as SiO2NPs apresentadas neste trabalho e as

SiO2NPs precursoras da funcionalização com SBS e com PEG foram sintetizadas em

momentos distintos. Entretanto, verificou-se na Figura 10 e na Tabela 1 que os

diâmetros hidrodinâmicos das três nanopartículas são semelhantes. Salienta-se ainda

que mesmo após a modificação da superfície com SBS e PEG não houve alteração

no DH e na polidispersidade.

De acordo com a Tabela 1, as SiO2NPs apresentaram um potencial zeta

negativo (-48 mV) em pH fisiológico. Essa observação é decorrente da desprotonação

das hidroxilas presentes na superfície (Figura 9A), uma vez que o ponto isoelétrico

das nanopartículas de sílica encontra-se na faixa de pH 2 a 3.72,73 Para as SiO2NPs-

PEG, foi observada uma alteração do 𝜁 para – 9 mV. Ou seja, a funcionalização da

superfície com PEG diminuiu a carga superficial negativa, conforme o esperado, visto

que o PEG é um polímero neutro. No entanto, para as SiO2NPs-SBS não foi

observado esse mesmo comportamento, apesar de compostos zwitteriônicos também

apresentarem carga total nula. Essa manutenção do potencial zeta negativo (-51 mV)

para nanopartículas modificadas com zwitteriônico não apenas foi observada neste

trabalho, como também já foi relatada na literatura.44,74 De acordo com Estephan et

al44, o potencial zeta negativo é um indicativo da presença de grupos silanóis

desprotonados oriundos da superfície das partículas e do SBS, conforme ilustrado na

Figura 11. Adicionalmente, existe a possibilidade dos grupos silanóis dos compostos

SBS se condensarem e formarem uma espécie de oligômero. Dessa forma, a

35

superfície das nanopartículas de sílica não apresenta modificações com várias

unidades de SBS, mas sim com algumas unidades do oligômero de SBS.

Figura 11. Ilustração de algumas das possíveis associações do SBS na superfície das

nanopartículas de sílica. Adaptado da Referência 44.

Um estudo da influência do pH sobre o potencial zeta das nanopartículas

foi realizado com o propósito de verificar a hipótese acima. O experimento consistiu

de adições de 0,25 mol.L-1 e 0,025 mol.L-1 de HCl nas nanopartículas suspendidas em

solução de 0,01 mol.L-1 de NaOH. Tanto na solução ácida, assim como também na

solução básica, havia 0,01 mol.L-1 de NaCl. Primeiramente, destaca-se que na faixa

de pH estudada as cargas presentes no composto zwitteriônico SBS não sofrem

alterações. Isso ocorre devido aos seguintes fatos: a) a carga do grupo amônio é

completamente independente do pH do meio e b) o grupo ácido sulfônico é

considerado um ácido forte e consequentemente permanece desprotonado na faixa

de pH estudada. Portanto, quaisquer variações no potencial zeta das nanopartículas

funcionalizadas com esse composto somente poderiam ser decorrentes dos grupos

hidroxilas presentes na superfície. Analisando os resultados da Figura 12 verificou-se

que as curvas obtidas para as SiO2NPs e as SiO2NPs-SBS apresentaram

comportamentos similares. Um deslocamento do potencial zeta dessas

nanopartículas para valores mais negativos ocorreu quando o pH do meio aumentou.

A variação do potencial zeta ficou entre -55 a -4 mV. Esses resultados estão de acordo

com a hipótese apresentada anteriormente, confirmando a presença dos grupos

silanóis livres nessas duas nanopartículas. As SiO2NPs-PEG também apresentaram

essa mesma tendência, no entanto, a variação no potencial zeta foi pequena e

próxima de -4 a -17 mV. Dessa forma, a funcionalização das SiO2NPs-PEG foi mais

eficiente em termos de reatividade dos silanóis em comparação com as SiO2NPs-SBS.

36

É importante mencionar que entre as três nanopartículas, apenas as SiO2NPs-SBS

apresentaram agregados em pH ~ 3,5.

Figura 12. Variação do potencial zeta das SiO2NPs, SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-PEG

em função do pH.

O tamanho e a forma das nanopartículas foram avaliados por MEV,

resultando nas imagens com as correspondentes distribuições de diâmetros

apresentadas na Figura 13. Verificou-se que as SiO2NPs, SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-

PEG possuem formato aproximadamente esférico e uma distribuição de tamanho

monomodal com uma média de diâmetro de (80 ± 9) nm, (77 ± 8) nm, e (84 ± 7) nm

respectivamente.

37

Figura 13. MEV e correspondente distribuição de diâmetro das A) SiO2NPs, B)

SiO2NPs-SBS e C) SiO2NPs-PEG

A diferença de tamanho observada para as nanopartículas utilizando DLS

e MEV é uma consequência dessas técnicas serem fundamentalmente diferentes. Por

DLS é obtido o diâmetro hidrodinâmico das partículas, visto que elas ficam em

suspensão. Dessa forma, a camada de hidratação (≈ 10 nm) é considerada no valor

de DH. Além disso, essa técnica é baseada no espalhamento de luz causado pela

amostra, sendo esse proporcional ao raio elevado à sexta potência (raio6). Desse

38

modo, as partículas maiores possuem uma contribuição maior para a intensidade

espalhada, deslocando o DH medido para valores superiores. Por outro lado, as

medidas de microscopia não só se diferenciam por usar amostra seca, como também

por considerar as partículas em número.75

Análises de DLS, potencial zeta e microscopia caracterizam muito bem o

tamanho, a forma e a carga superficial das nanopartículas. Entretanto, medidas de

TGA e RMN foram necessárias para caracterizar a funcionalização das SiO2NPs.

Observou-se por TGA um aumento percentual de matéria orgânica nas amostras de

SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-PEG em relação à SiO2NPs (Figura 14). Uma perda de

massa de aproximadamente 4,5% foi observada após o aquecimento da amostra de

SiO2NPs até aproximadamente 850 °C. Isso pode estar relacionado tanto aos grupos

etóxi do TEOS que não reagiram5, como ao processo de desidratação envolvendo

esses grupos.

Figura 14. Curvas de TGA das SiO2NPs, SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-PEG.

Para as SiO2NPs-SBS, verificou-se por TGA, uma variação da massa da

amostra num total de 6,7%. Dessa forma, 2,2% da massa perdida deve ser associada

ao SBS. Considerando as porcentagens acima e que o diâmetro e a densidade da

SiO2NPs são, respectivamente, 77 nm e 1,9 g.cm-3, 76 pode-se calcular a área ocupada

por uma molécula de zwitteriônico (cálculo demonstrado no apêndice). O resultado

obtido foi de 60 Å2/molécula de SBS. Comparativamente, um valor similar de 50

Å2/molécula foi relatado para o surfactante SDS na interface água-ar próximo à

concentração micelar crítica.77 Esse surfactante também é constituído por um grupo

sulfato em uma das pontas de sua cadeia. Assim sendo, o valor obtido para a

39

funcionalização com SBS está de acordo com dados reportados para composto

químico de estrutura similar, sugerindo uma alta cobertura da superfície das

nanopartículas.

Para as SiO2NPs-PEG foi observada uma perda de massa total de

aproximadamente 9,3%. Dessa forma, 4,8% da massa total da nanopartícula está

relacionada ao PEG. Semelhantemente às considerações feitas para as SiO2NPs-

SBS, a área ocupada por uma cadeia polimérica de PEG foi calculada. O valor obtido

foi de 264 Å2/PEG. Esse valor é 4 vezes maior do que a área ocupada por uma

molécula de SBS e pode indicar que o PEG não está na forma estendida na superfície.

As amostras SiO2NPs, SiO2NPs-SBS, SiO2NPs PEG, assim como SBS e

PEG2000-TESPI foram analisadas por 1H-RMN, com o propósito de complementar a

caracterização da funcionalização (Figura 15). Os espectros das nanopartículas foram

ampliados devido à baixa intensidade dos sinais de interesse.

40

Figura 15. Espectros de 1H-RMN das nanopartículas SiO2NPs, SiO2NPs-SBS,

SiO2NPs-PEG e dos compostos SBS e PEG2000-TESPI.

Verificou-se que o espectro das SiO2NPs, bem como das SiO2NPs-SBS e

SiO2NPs-PEG, apresentam sinais de baixa intensidade em deslocamentos químicos

semelhantes. Esses sinais podem estar associados aos grupos etóxi presentes na

superfície das nanopartículas. Todavia, para as SiO2NPs-SBS e SiO2NPs-PEG

também foram observados outros sinais de maior intensidade e com deslocamentos

químicos similares aos sinais presentes nos espectros do SBS e do PEG2000-TESPI,

respectivamente. Dessa forma, pode-se confirmar a modificação da superfície das

nanopartículas. Destaca-se ainda que enquanto foi observado no espectro do SBS o

pico de alta intensidade (*) relacionado aos grupos metóxi dessa molécula, no

espectro das SiO2NPs-SBS esse pico não está mais presente. Essa observação indica

41

que as modificações de superfície das nanopartículas ocorreram através dos grupos

silanóis.

Baseado nesses resultados, comprovou-se que as nanopartículas

sintetizadas possuem tamanhos e formas similares, e que as modificações das

superfícies com os grupos SBS e PEG foram efetivas. Diante disso, os estudos de

interação dessas nanopartículas com as proteínas albumina bovina e lisozima foram

iniciados.

4.2. Avaliação do efeito Protein corona

Os estudos de avaliação do efeito protein corona foram realizados

utilizando-se basicamente quatro técnicas: a) DLS, onde foi possível acompanhar se

os diâmetros hidrodinâmicos das nanopartículas variavam na presença das proteínas

em diferentes concentrações, b) UV-vis, a partir do qual foram obtidas as isotermas

de adsorção das proteínas nas nanopartículas, c) ITC, que possibilitou determinar os

parâmetros termodinâmicos das interações e d) CD, onde foi avaliado a existência de

interação hidrofóbica entre a proteína e a nanopartícula.

Nesses estudos foram considerados três fatores que poderiam influenciar

na interação das proteínas com as nanopartículas de sílica: temperatura, força iônica

e pH. Para cada um dos fatores acima, comparações foram realizadas entre uma

condição padrão (25 °C, em PB 0,01 mol.L-1 sem NaCl e pH 7,4) e a alteração

correspondente. Por exemplo, para o fator temperatura comparou-se a condição

padrão e a condição que alterava apenas a temperatura de 25 °C para 37 °C. O

esquema na Figura 16 representa essas alterações para cada fator estudado.

Figura 16. Esquema das condições experimentais estudadas.

42

4.2.1. Interação das proteínas albumina e lisozima com as SiO2NPs

O DLS foi a primeira técnica utilizada em todos os estudos de interação

entre proteínas e nanopartículas deste projeto. Através dela foi avaliado se no sistema

em estudo havia ou não interação por meio da variação do diâmetro hidrodinâmico.

Além disso, também foi avaliada a ocorrência de desestabilização do sistema devido

à formação de agregados.

Na Figura 17 são apresentadas as distribuições de DH das SiO2NPs em

presença de BSA e lisozima na condição padrão. Através desses dados, verificou-se

um pequeno deslocamento do DH das nanopartículas quando em presença de BSA

para valores maiores em decorrência da adsorção dessa proteína na superfície das

SiO2NPs. Contudo, agregados foram observados ao incubar essa mesma

nanopartícula com uma pequena concentração de lisozima. Igualmente ao observado

na condição padrão, esses agregados formados devido à adsorção da lisozima

também foram verificados em tampão fosfato salino (PBS). Esses resultados

demonstram a forte influência da carga da proteína na interação com as SiO2NPs.

Devido à forte atração eletrostática entre a lisozima (carregada positivamente) e as

SiO2NPs (carregadas negativamente) e, consequentemente, compensação das

cargas, o sistema se desestabiliza.

Figura 17. Distribuição do diâmetro hidrodinâmico das SiO2NPs em presença de A)

BSA e B) lisozima. Estudos realizados na condição padrão.

Visto que um dos objetivos desse trabalho é estudar a interação

termodinâmica entre proteínas e nanopartículas de sílica, sistemas em que

43

ocorressem a formação de agregados não poderiam ser considerados. Mediante ao

exposto, os estudos de interação entre as SiO2NPs e a lisozima foram inviáveis de

serem realizados. Dessa forma, apenas as interações das SiO2NPs com a BSA foram

investigadas.

4.2.2. Efeito da temperatura

Os estudos da influência da temperatura sobre a interação da BSA com as

SiO2NPs foram os primeiros a serem realizados. As temperaturas de 25 e 37 °C foram

escolhidas por serem respectivamente, o valor padrão de experimentos

termodinâmicos e a temperatura de sistemas biológicos.

Na Figura 18 estão apresentados os resultados do diâmetro hidrodinâmico

da nanopartícula (DH), assim como da variação desse parâmetro (Equação 1) após

incubação com diferentes concentrações de BSA.

∆𝐷𝐻 = 𝐷𝐻([𝐵𝑆𝐴] = 𝑥) − 𝐷𝐻([𝐵𝑆𝐴] = 0) 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 1

Figura 18. A) Diâmetro hidrodinâmico (DH) e B) variação do DH das SiO2NPs em

função da concentração de BSA a 25 e 37 °C. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-

1 PB com o pH em 7,4.

Na técnica de DLS o diâmetro hidrodinâmico das partículas é calculado a

partir da equação de Stokes-Einstein (Equação 2):

44

𝐷𝐻 =𝑘𝑇

3𝜋η𝐷 (𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 2)

onde DH é o diâmetro hidrodinâmico, k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura,

η é a viscosidade do solvente e D é o coeficiente de difusão translacional. Nessa

equação, além da temperatura ser uma das variáveis, ela também influencia

diretamente nos valores de viscosidade e coeficiente de difusão. Adicionalmente, o

índice de refração do meio também é outra variável dependente da temperatura, que

igualmente influencia no DH por ser considerado nos cálculos previamente à aplicação

da equação de Stokes-Einstein. Durante o tratamento de dados do DLS, realizou-se

as devidas correções dessas variáveis. Entretanto, essas correções foram baseadas

em aproximações e variaram de acordo com a condição experimental. Por esse

motivo, é possível considerar que a pequena variação (1 nm) entre os resultados

obtidos para 25 e 37 °C (Figura 18A) pode advir de incertezas nos valores utilizados

em cada variável da equação. A mesma conclusão pode ser obtida ao analisar os

dados da Figura 18B, pois o aumento do DH relacionado à protein corona é

semelhante nas duas temperaturas. Portanto, concluiu-se que não foi constatada a

influência da temperatura sobre a interação da BSA com as SiO2NPs por DLS.

Ainda avaliando os gráficos da Figura 18, a curva obtida aparenta um

comportamento sigmoidal. Além disso, acima da concentração de BSA de 3 μmol.L-1,

a variação no DH é pequena, indicando uma saturação da superfície das

nanopartículas.

Um aumento da concentração das SiO2NPs de 1 g.L-1 para 5 g.L-1 foi

necessário para os experimentos de UV-vis e ITC. Igualmente, aumentou-se

proporcionalmente a faixa de concentração de BSA utilizada nesses experimentos.

Dessa forma, as absorbâncias dos sobrenadantes ficaram mais intensas e próximas

de 1, assim como também aumentou o calor total medido pelo ITC. As isotermas de

adsorção da BSA sobre as SiO2NPs nas temperaturas de 25 e 37 °C obtidas por UV-

vis estão apresentadas na Figura 19A. Do mesmo modo como foi observado por DLS,

não foi verificada a influência da temperatura na adsorção da proteína.

45

Figura 19. A) Isotermas de adsorção de BSA em SiO2NPs nas temperaturas de 25 e

37 °C obtidas através de medidas de absorbância da proteína. B) Gráfico utilizado no

cálculo de NS referente ao experimento a 25 °C. Dois pontos foram desconsiderados

da curva.

Obteve-se por UV-vis a quantidade máxima de BSA adsorvida por grama

de partícula (NS), bem como as frações molares de BSA que permaneciam em solução

após o equilíbrio ser atingido. O NS foi calculado aplicando o modelo de Langmuir nos

resultados obtidos. Esse modelo faz as seguintes considerações: (a) todos os sítios

de adsorção são equivalentes e independentes, (b) à cada sítio de adsorção pode se

ligar apenas um soluto e (c) os solutos adsorvidos não interagem entre si.78 A equação

do modelo de Langmuir é dada por (Equação 3):

CS

NF=

CS

NS+

1

(NS. b) Equação (3)

onde CS é a concentração de BSA presente na solução após o equilíbrio (mol.L-1), NF

é a quantidade de BSA adsorvida (mol.g-1), NS é a quantidade máxima de BSA

adsorvida por grama de nanopartícula (mol.g-1) e b é um parâmetro relacionado à

constante de equilíbrio (L.mol-1). Aplicando a Equação 3 sobre a reta apresentada na

Figura 19B, obteve-se o valor de NS de 8,7.10-7 mol.g-1. Ou seja, para cada 1 grama

de SiO2NPs, são necessários 8,7.10-7 mols de BSA para se formar uma monocamada

de proteína na superfície da nanopartícula para os sistemas mantidos à 25 e 37 °C.

As medidas de ITC foram realizadas com o intuito de caracterizar

termodinamicamente a interação da BSA com as SiO2NPs. Através dos dados brutos

46

obtidos (Figura 20), verificou-se que a diluição da BSA é um processo endotérmico.

Dessa forma, quando esse processo ocorreu na cela de amostra do ITC, houve uma

diminuição da temperatura dessa cela, enquanto a temperatura da cela de referência

permaneceu constante. Com isso, uma maior potência foi fornecida à cela de amostra

pela resistência, conforme foi observado no gráfico como um aumento do DP

(“diferencial power”). Fazendo essa mesma análise para o dado bruto de interação,

observou-se no início da titulação um processo exotérmico lento (indicado por setas).

Entretanto, após as primeiras injeções, o processo era totalmente endotérmico e,

ademais, a maior parte desse calor envolvido pertencia ao processo de diluição.

Figura 20. Dado bruto da titulação de 0,38 mmol.L-1 de BSA em 5 g.L-1 de SiO2NPs.

Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB, pH 7,4, 25 °C.

As análises de ITC foram as mais desafiadoras do trabalho em decorrência

da complexidade do sistema e da baixa relação sinal/ruído obtida durante as medidas.

Como observado na Figura 21, devido à baixa relação sinal/ruído, houve um erro

apreciável ao fazer a integração da área do pico para obter o calor envolvido na

interação. Para aumentar a intensidade desse sinal, uma quantidade muito maior de

nanopartículas seria necessária. No entanto, experimentos com o dobro da

concentração de nanopartículas (10 g.L-1) foram realizados e mesmo nessas

condições não foram obtidas mudanças significativas. Além disso, não foi possível

aumentar a concentração da proteína, pois ocasionaria a saturação da superfície das

SiO2NPs logo na primeira injeção.

47

Figura 21. Demonstração da baixa relação sinal/ruído observada durante as medidas

de ITC. Ampliação do pico da A) primeira injeção de diluição e B) penúltima injeção

de interação da Figura 20.

O ITC é uma técnica muito sensível e possui um controle maior de

temperatura se comparada às duas metodologias apresentadas anteriormente. Em

virtude disso, a influência da temperatura na interação da BSA com as SiO2NPs foi

verificada apenas por essa técnica. Na Figura 22 é apresentada a variação de calor e

de entalpia do sistema para os experimentos realizados a 25 e 37 °C. Nesses gráficos

os calores e entalpias de diluições já foram subtraídos. Essas subtrações são

realizadas para apontar apenas os processos de interação. Dessa forma, em análises

de ITC, o calor observado no final da titulação geralmente fica próximo de zero, visto

que apenas processos de diluições ocorrem nesse momento. Entretanto, esse

comportamento não foi observado em uma grande parte dos experimentos de

calorimetria realizados neste trabalho, havendo uma variação de entalpia residual de

algum processo secundário cuja origem não pôde ser identificada. Apesar disso, foi

constatado através da Figura 22 uma interação mais energética (mais exotérmica) a

25 °C.

48

Figura 22. Isoterma da titulação calorimétrica: A) variação de calor e B) variação de

entalpia por mol de titulante após cada injeção de 2 μL de uma solução 0,38 mmol.L-

1 BSA em uma suspensão de 5 g.L-1 de SiO2NPs. Experimentos realizados em 0,01

mol.L-1 PB, pH 7,4, 25 e 37 °C.

O processo endotérmico observado no final da titulação (Figura 22A) foi

considerado como um processo secundário (ainda desconhecido) que ocorre após a

saturação da nanopartícula com a proteína. Esse processo precisou ser

desconsiderado e descontado para realizar o tratamento de dados da adsorção.

Dessa maneira, uma constante foi subtraída de todos os pontos de uma mesma curva

(Q versus [BSA]) com o propósito de que os pontos finais estivessem próximos de

zero. Assim sendo, o próximo passo do tratamento de dados foi realizado aplicando

uma somatória dos calores envolvidos, conforme Figura 23A. Em seguida, cada ponto

da curva foi dividido pela massa de SiO2NPs que estava presente na suspensão,

obtendo o valor de Δrh (Figura 23B). Por fim, para cada ponto foi feita a divisão de

fração molar de BSA presente na solução após o equilíbrio (obtido através dos dados

do UV-vis) por Δrh. O gráfico dessa divisão versus a própria fração molar foi obtido,

apresentando uma reta (Figura 23B) que pôde ser relacionada à Equação 4, a

equação de Langmuir modificada:

X

∆rh=

X

∆inth+

1

(K − 1)∆inth (Equação 4)

49

onde X é a fração molar de BSA em solução após o equilíbrio, Δrh é a energia liberada

ou absorvida por massa de nanopartícula (J.g-1), Δinth é a energia envolvida na

formação da monocamada por massa de nanopartícula (J.g-1) e K é a constante de

equilíbrio (L.mol-1).

Figura 23. A) Somatória dos calores envolvidos nas interações entre BSA e SiO2NPs

em função do volume de BSA. Dados relacionados ao experimento realizado em 0,01

mol.L-1 PB, pH 7,4 a 25 e 37 °C. B) Isoterma da entalpia integral de adsorção (Δrh )

versus a fração molar obtida da titulação a 25 °C. A reta apresentada é a forma

linearizada da isoterma.

Assim, através da Equação 4 e dos coeficientes angulares e lineares da

reta da Figura 23B, o K (L.mol-1) e o Δinth (J.g-1) foram calculados. Com esses dados

e utilizando o valor de NS obtido por UV-vis, os parâmetros termodinâmicos ΔH, ΔG e

ΔS foram calculados a partir das equações:

∆H = ∆inth

NS (Equação 5)

∆G = −RTlnK (Equação 6)

∆G = ∆H − T∆S (Equação 7)

Os resultados obtidos por ITC e UV-vis estão apresentados na Tabela 2.

Avaliando os valores médios de entalpia e entropia, concluiu-se que a interação entre

50

a BSA e as SiO2NPs é entalpicamente favorável. As médias de ΔH e ΔG a 25 e 37 °C

foram comparadas. Observou-se que a interação da BSA é mais energética (mais

exotérmica), porém menos espontânea a 25 °C, estando de acordo com o que foi

mencionado anteriormente ao analisar o dado da Figura 22. Entretanto, desvios

padrões de 20 – 30% da média foram obtidos para o ΔH, enquanto que não foram

observadas variações significativas de ΔG em ambas temperaturas. Em vista disso,

concluiu-se que a influência dessa faixa de temperatura na interação é pequena.

Tabela 2. Parâmetros termodinâmicos e NS da interação entre BSA e SiO2NPs nas

temperaturas de 25 e 37 °C.

25 °C 37 °C

ΔH / kJ.mol-1 -73 ± 16 -55 ± 18

ΔG / kJ.mol-1 -40 ± 1 -44 ± 1

TΔS / kJ.mol-1 -33 ± 17 -11 ± 19

K / L.mol-1 (12 ± 5).106 (29 ± 14).106

Ns / mol.g-1 8,7.10-7 8,7.10-7

A técnica de dicroísmo circular foi utilizada para verificar a presença de

interações hidrofóbicas entre a BSA e as SiO2NPs. Quando esse tipo de interação

ocorre, a proteína altera a sua conformação a fim de tornar a parte hidrofóbica dela,

geralmente interna, acessível à superfície da partícula.79 A conformação das proteínas

é organizada em quatro níveis estruturais (Figura 24):

• Estrutura primária: constituída pela sequência de aminoácidos ligados

covalentemente por ligações peptídicas.

• Estrutura secundária: baseada principalmente por α-hélices e folhas-β

formadas através de ligações de hidrogênio entre aminoácidos próximos

da mesma cadeia polipeptídica.

• Estrutura terciária: determinada pelo arranjo espacial da proteína de

acordo com as interações hidrofóbicas, pontes salinas, ligações de

hidrogênio e de dissulfeto formadas.

• Estrutura quaternária: estabelecida pela associação de cadeias

polipeptídicas, formando um sistema mais complexo.80,81

51

Figura 24. Níveis de organização estrutural das proteínas. Adaptado da Referência

80.

A técnica de dicroísmo circular (CD) analisa diretamente a estrutura

secundária das proteínas. Essa técnica é exclusivamente destinada às análises de

compostos opticamente ativos (quirais). Ela é baseada na diferença de absorbância

da luz circularmente polarizada a esquerda e a direita. As cadeias peptídicas possuem

diversos carbonos quirais que absorvem na região de 190 a 250 nm e dependendo da

estrutura secundária da proteína possuem diferentes absorbâncias (Figura 25).82

Figura 25. Espectro CD das estruturas secundárias mais comumente encontradas em

proteínas. O espectro foi adaptado da Referência 83 referente às análises de poli-L-

lisina nas diferentes estruturas secundárias.

Ao ocorrer uma interação hidrofóbica entre uma proteína e uma superfície,

a organização estrutural da proteína deve se alterar em decorrência dos grupos

hidrofóbicos se localizarem na região interna da mesma. Portanto, se eventualmente

52

após a adsorção da proteína na superfície for observada uma alteração da estrutura

secundária, provavelmente, interação do tipo hidrofóbica pode estar ocorrendo. Ao

analisar os espectros da BSA em solução após tratamento a 25 e 37 °C não foi

observada alteração na estrutura secundária da proteína, composta principalmente

por α-hélice (Figura 26A). Esse resultado garante que a temperatura estudada não

afeta a estrutura da proteína. Para avaliar apenas as proteínas adsorvidas, as

amostras de nanopartículas incubada com BSA foram lavadas seis vezes por

centrifugação. Nesse caso, também foi observada a conservação da estrutura

secundária da proteína (Figura 26 B e C). Dessa forma, pode-se concluir que nessas

condições não houve interação hidrofóbica entre a BSA e a superfície da

nanopartícula.

Figura 26. Dicroísmo circular da A) BSA livre a 25 e 37 °C, B) BSA livre e adsorvida

nas SiO2NPs incubadas a 25 °C e C) BSA livre e adsorvida nas SiO2NPs incubadas a

37 °C. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB com pH ajustado em 7,4.

Através da técnica de eletroforese confirmou-se que as seis lavagens

realizadas na amostra de SiO2NPs incubada com BSA foram suficientes para manter

na suspensão apenas as proteínas adsorvidas (Figura 27). A partir da quarta lavagem

não foi mais detectada a banda de BSA (66430 Da) no sobrenadante. Portanto, o sinal

de dicroísmo obtido para essa amostra realmente pertence apenas a essas proteínas.

53

Figura 27. Gel de eletroforese revelado das soluções e suspensões utilizadas nos

testes de CD.

4.2.3. Efeito da força iônica

Força iônica foi o segundo parâmetro a ser avaliado na interação da BSA

com as SiO2NPs, uma vez que esse fator pode influenciar significativamente nas

interações, principalmente as eletrostáticas. A influência da força iônica foi observada

nos experimentos iniciais do projeto envolvendo a BSA quando o tampão fosfato

salino contendo 9 g.L-1 de NaCl foi utilizado como solvente. Nesses experimentos foi

verificada a desestabilização do complexo BSA-SiO2NPs, ocorrendo a formação de

grandes agregados. Por esse motivo, realizou-se um experimento para avaliar a

concentração de NaCl mais adequada para efetuar esse estudo, afim de que nessa

concentração não ocorresse desestabilização e a influência da força iônica pudesse

ser avaliada. Esse estudo foi realizado utilizando o DLS e os resultados são mostrados

na Figura 28.

54

Figura 28. Variação do A) diâmetro hidrodinâmico e da B) polidispersidade das

SiO2NPs em tampão PB contendo 0 e 2,3 μmol.L-1 de BSA em diferentes forças

iônicas.

Observou-se uma variação maior do DH das SiO2NPs em presença de BSA

quando a força iônica do meio aumentou (Figura 28A). Esse comportamento não foi

observado quando existiam apenas as suspensões de nanopartículas na solução,

demostrando que essas são estáveis nesses meios e que a instabilidade ocorreu

devido à presença da proteína. Baseado nesses resultados, a concentração de 4 g.L-

1 de NaCl foi escolhida pois nesta faixa de concentração não ocorreu desestabilização

do sistema, confirmada pela baixa variação do DH e da manutenção da baixa

polidispersidade. Desse modo, as condições de 0 e 4 g.L-1 de NaCl adicionados no

tampão PB foram consideradas para o fator força iônica.

Por meio das análises de DLS, foi observado um aumento considerável do

DH da protein corona em maiores forças iônicas quando comparado com PB sem NaCl

(Figura 29). Além disso, a polidispersidade permaneceu constante durante os

experimentos. Portanto, esse aumento do DH pode ser associado à uma maior

quantidade de proteínas adsorvidas na superfície das SiO2NPs. Entretanto, esse

comportamento também pode indicar apenas um posicionamento diferente das

proteínas na superfície conforme representado na Figura 30.

55

Figura 29. Variação do diâmetro hidrodinâmico das SiO2NPs em função da

concentração de BSA. Estudos realizados a 0 e 4 g.L-1 de NaCl adicionados ao tampão

PB em pH 7,4, a 25 °C.

Figura 30. Ilustração de alguns dos possíveis posicionamentos da BSA sobre as

SiO2NPs.

Nos resultados de UV-vis (Figura 31), verificou-se que o aumento do DH

observado no DLS foi consequência de um número maior de moléculas de BSA

adsorvidas na superfície das nanopartículas. De acordo com os cálculos realizados,

os NS para 0 g.L-1 e 4 g.L-1 de NaCl são, respectivamente, 8,7.10-7 mol.g-1 e 1,3.10-6

mol.g-1. Ou seja, o aumento da força iônica induziu uma adsorção maior da BSA,

podendo ser explicado pela blindagem das cargas eletrostáticas repulsivas presentes

tanto na BSA, como na superfície das SiO2NPs.84 Em outras palavras, a repulsão

eletrostática entre a proteína e a nanopartícula, assim como entre as proteínas livres

e as proteínas já adsorvidas, diminuiu. Dessa forma, a adsorção foi potencializada.

56

Figura 31. Isotermas de adsorção de BSA em SiO2NPs em PB com 0 e 4 g.L-1 de NaCl

obtidas através de medidas de absorbância da proteína. Experimentos realizados em

pH 7,4 e a 25 °C.

Não foi possível concluir se a adsorção adicional observada ocorre em

“sítios” que ainda podem estar disponíveis na superfície da nanopartícula ou se uma

nova camada de proteína está sendo formada. Entretanto, como os valores de NS e

ΔDH encontrados para 4 g.L-1 de NaCl não atingiram o dobro do valor para a condição

padrão, é possível afirmar que essa adsorção adicional não forma completamente

uma bicamada. Além disso, também foi observado que até a concentração de

aproximadamente 33 μmol.L-1 ainda estava ocorrendo adsorção de proteína na

solução de maior força iônica. Ou seja, a saturação da superfície ainda não havia sido

atingida.

O modelo de Langmuir foi somente empregado para estimar a quantidade

máxima de BSA adsorvida na superfície das nanopartículas através dos dados do UV-

vis. Entretanto, esse modelo não é o mais adequado para a condição de maior força

iônica, pois a exigência do modelo de formação de uma monocamada pode não estar

sendo atendida. Devido à essa incompatibilidade do modelo de Langmuir e às

dimensões dos erros já observados no tratamento de dados do ITC, optou-se por

apenas apresentar a variação de entalpia por mol de titulante durante as injeções de

BSA sobre as SiO2NPs (Figura 32).

57

Figura 32. Isoterma da titulação calorimétrica: variação de entalpia por mol de titulante

após cada injeção de 2 μL de uma solução 0,38 mmol.L-1 de BSA em uma suspensão

de 5 g.L-1 de SiO2NPs. Resultados obtidos variando-se a força iônica do meio: sem

adicionar NaCl ao PB e adicionando 4 g.L-1 desse sal. Experimentos realizados em

pH 7,4 e a 25 °C.

A influência da força iônica foi observada também nos dados de ITC (Figura

32). Porém, verificou-se que não há uma grande variação da inclinação da curva de

entalpia versus concentração de BSA, assim como também não há um deslocamento

significativo dos pontos da curva de 4 g.L-1 de NaCl em relação a curva da condição

padrão. Isto indica, respectivamente, que a espontaneidade da interação continua

próxima de 40 kJ.mol-1 e que o processo continua a ser controlado pela entalpia.

Os resultados de dicroísmo circular (Figura 33) confirmaram a conservação

da estrutura secundária da proteína com a variação da força iônica. Além disso, a BSA

também manteve a sua estrutura secundaria inalterada após adsorver na superfície

das SiO2NPs, indicando que não há contribuição de interações hidrofóbicas entre elas.

58

Figura 33. Dicroísmo circular da A) BSA livre em PB sem NaCl e com 4 g.L-1 NaCl. B)

BSA livre e adsorvida em SiO2NPs em PB sem NaCl e C) BSA livre e adsorvida em

SiO2NPs em PB com 4 g.L-1 NaCl.

4.2.4. Efeito do pH

Os valores de pH 6,0 e 7,4 foram escolhidos por serem comumente

encontrados em ambientes fisiológicos. Além disso, nesses valores de pH a BSA não

sofre grandes variações em sua estrutura, conforme a Figura 34. Dessa forma, foi

possível garantir que todas as variações observadas nos diferentes pH foram

consequências apenas da alteração da carga superficial da proteína.

Figura 34. Diagrama da variação do formato e das dimensões da BSA de acordo com

o pH. Adaptado da Referência 85.

Antes de iniciar os experimentos de protein corona, tanto a BSA como as

SiO2NPs foram analisadas por DLS e potencial zeta. Os resultados são apresentados

na Tabela 3. Uma manutenção do DH das SiO2NPs, bem como da BSA foi observado

com a alteração do pH. Entretanto, observou-se uma diminuição do potencial zeta em

pH 6,0, decorrente da protonação de alguns grupos das SiO2NPs (hidroxilas) e da

BSA.

59

Tabela 3. Valores de DH e potencial zeta da BSA e das SiO2NPs nos pH 6,0 e 7,4.

pH DH / nm Z-Pot. / mV

SiO2NPs 6,0 95,8 ± 0,2 -28 ± 1

7,4 95,1 ± 0,4 -48 ± 3

BSA 6,0 9,9 ± 0,1 -12 ± 2

7,4 8,8 ± 0,1 -20 ± 4

Nos estudos de protein corona, foi observado por DLS um aumento do

diâmetro hidrodinâmico da camada de proteína em pH 6,0 (Figura 35). Novamente, a

hipótese levantada para explicar esse aumento da adsorção da BSA é semelhante à

observada nos estudos de força iônica. Ou seja, uma menor repulsão entre as

proteínas e as nanopartículas, bem como entre as proteínas livres e adsorvidas está

ocorrendo. Isso acontece em decorrência da diminuição da carga negativa da BSA e

das SiO2NPs.

Figura 35. Variação do diâmetro hidrodinâmico das SiO2NPs em função da

concentração de BSA. Estudos realizados em 0,01 mol.L-1 PB, 25 °C, pH 6,0 e 7,4.

A adsorção maior de BSA em pH 6,0 foi confirmada por UV-vis (Figura 36).

Verificou-se que a superfície das nanopartículas foram saturadas com uma maior

quantidade de BSA em pH 6,0 (1,2.10-6 mol.g1) em comparação com o pH 7,4 (8,9.10-

7 mol.g-1).

60

Figura 36. Isotermas de adsorção de BSA em SiO2NPs pH 6,0 e 7,4 obtidas através

de medidas de absorbância da proteína. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB

a 25 °C.

Na Figura 37 estão apresentadas as isotermas de titulação calorimétrica da

interação da BSA com as SiO2NPs nos diferentes pH. Novamente, não foram

observadas alterações significativas na inclinação da curva, sugerindo

espontaneidade semelhante para as interações em ambos os pH. Entretanto, foi

observado um deslocamento dos pontos obtidos para o pH 6 em relação ao pH 7.

Esse deslocamento pode estar relacionado à variação na quantidade de BSA

adsorvida, bem como com diferentes contribuições das interações interiônicas e

intermoleculares. Observou-se também que em pH 6 a entalpia do final da titulação é

maior do que em pH 7,4. Essa variação pode estar associada à influência do pH no

processo secundário (ainda desconhecido) que ocorre após terminada a adsorção da

proteína. Igualmente à seção anterior, os resultados dos parâmetros termodinâmicos

que deveriam ser obtidos por ITC não foram apresentados pelos mesmos motivos.

61

Figura 37. Isoterma da titulação calorimétrica: variação de entalpia após cada injeção

de 2 μL de uma solução 0,38 mmol.L-1 de BSA em uma suspensão de 5 g.L-1 de

SiO2NPs. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB, 25 °C, pH 6,0 e 7,4.

Os espectros de dicroísmo circular da BSA livre e adsorvida considerando

os diferentes pH estão apresentados na Figura 38. Observou-se a manutenção da

estrutura secundária da BSA livre em ambos os pH. O mesmo foi verificado após a

adsorção nas SiO2NPs em pH 7,4. Entretanto, ao comparar os espectros da Figura

38C referente à BSA livre e à BSA adsorvida nas SiO2NPS em pH 6,0, observou-se

uma pequena alteração no formato da curva. Esse resultado indica uma pequena

variação da estrutura secundária da BSA adsorvida nessa condição experimental.

Uma análise da variação da composição da estrutura secundária poderia ser realizada

se a concentração da BSA na superfície da nanopartícula fosse conhecida. No

entanto, em decorrência do procedimento experimental seguido, a concentração e a

composição da estrutura secundária não puderam ser calculadas.

62

Figura 38. Dicroísmo circular da A) BSA livre em PB pH 6,0 e pH 7,4, B) BSA livre e

adsorvida em SiO2NPs em PB pH 7,4 e C) BSA livre e adsorvida em SiO2NPs em PB

pH 6,0. Experimentos realizados a 25 °C.

4.3. Avaliação do efeito corona free nas SiO2NPs-PEG e SiO2NPs-SBS

Como mencionado na introdução, existem duas estratégias para reverter o

fenômeno da protein corona. A primeira é tentar compreender suas características

para se obter o controle do fenômeno, assim como realizado na primeira parte deste

trabalho através dos estudos da influência da temperatura, pH e força iônica. A outra

estratégia é tentar evitar a formação dessa coroa de proteínas, sendo esse o objetivo

dessa segunda parte do trabalho, através da modificação da superfície das

nanopartículas com SBS e PEG2000.

4.3.1. Interação das proteínas albumina e lisozima com SiO2NPs-SBS

Os experimentos com as SiO2NPs-SBS foram realizados de modo

semelhante ao procedimento seguido nos estudos envolvendo as SiO2NPs.

Primeiramente, através de medidas de DLS, observou-se a estabilidade e

instabilidade das SiO2NPs-SBS em presença de albumina e lisozima na condição

padrão, respectivamente (Figura 39 A e B). Entretanto, uma maior estabilidade

coloidal entras essas nanopartículas e a lisozima foi verificada ao realizar o estudo em

PBS (Figura 39C).

63

Figura 39. Distribuição de diâmetro hidrodinâmico das SiO2NPs-SBS na ausência e

presença de A) BSA na condição padrão, B) lisozima na condição padrão e C) lisozima

em PBS.

Provavelmente, o comportamento observado acima para a lisozima é uma

consequência da atuação dos grupos silanóis desprotonados presentes na superfície

das SiO2NPs-SBS. Esses grupos geram uma carga superficial negativa nas

nanopartículas, atraindo fortemente a lisozima (carregada positivamente) e levando à

desestabilização. Além disso, o efeito da força iônica também pode ser explicado

através do fenômeno de blindagem citado na Seção 4.2.3. Ou seja, a interação é

dificultada com o aumento da força iônica devido à blindagem das cargas

eletrostáticas atrativas entre a lisozima e as SiO2NPs-SBS.84 Com isso, a atração

eletrostática entre a proteína e a nanopartícula diminui, desfavorecendo a adsorção.

Em decorrência do resultado observado na Figura 39, a condição padrão

dos estudos foi mantida apenas para a BSA. Para a lisozima, a condição que utilizava

PBS, pH 7,4 e 25 °C foi considerada devido à estabilidade observada.

Nas medidas de DLS, o DH das SiO2NPs-SBS após incubação com BSA e

lisozima permaneceram constantes (Figura 40), diferentemente das SiO2NPs. Esses

dados sugerem que não há formação de protein corona nessas nanopartículas.

64

Figura 40. Diâmetro hidrodinâmico das SiO2NPs-SBS em diferentes concentrações de

proteínas. O experimento com a BSA foi realizado em 0,01 mol.L-1 PB, pH 7,4, 25 °C.

O experimento com a lisozima foi realizado em 0,01 mol.L-1 PBS, pH 7,4 e 25 °C.

O dado bruto e as isotermas de titulação calorimétrica para ambas as

proteínas são apresentadas na Figura 41 e na Figura 42. Observou-se que as

isotermas não possuem curvas com perfil de interação. No entanto, os resultados de

ITC indicam a presença do processo secundário apenas no estudo de interação com

a BSA, pois para a lisozima as entalpias ficaram muito próximos de zero. Além disso,

para a BSA também foi observado um desvio do primeiro ponto em relação aos

demais.

Figura 41. Dado bruto da titulação de A) BSA em 5 g.L-1 de SiO2NPs-SBS na condição

padrão e de B) lisozima em 5 g.L-1 de SiO2NPs-SBS em PBS.

65

Figura 42. Isoterma de titulação calorimétrica: variação da entalpia por mol de titulante

após cada injeção de 2 μL das soluções de proteínas em uma suspensão de 5 g.L-1

de SiO2NPs-SBS. Experimentos com BSA e lisozima realizados respectivamente, na

condição padrão e em PBS.

Diferentemente dos resultados de DLS e ITC, os dados de UV-vis sugerem

que a lisozima está adsorvendo nessas nanopartículas, mesmo em PBS (Figura 43).

Com relação à BSA, os dados estão de acordo com os resultados anteriores.

Figura 43. Isotermas de adsorção de BSA e lisozima nas SiO2NPs-SBS em PB e PBS,

respectivamente, obtidas através de medidas de absorbância das proteínas.

Essas discrepâncias entre os resultados podem ser explicadas. A lisozima

é uma proteína menor do que a BSA. Além disso, devido à carga positiva que ela

possui, essa proteína adsorve muito mais fortemente na superfície das SiO2NPs-SBS

66

(carregada negativamente). Com isso, em decorrência da técnica de DLS não possuir

sensibilidade à pequenas alterações no DH, não foi observada a adsorção da lisozima

nesses experimentos. No caso do ITC, provavelmente uma compensação entálpica

dentre os processos exotérmicos (ligação de hidrogênio, interação eletrostática e de

van der Waals) e endotérmicos (dessolvatação das moléculas de SBS) pode estar

ocorrendo.

Portanto, os resultados acima demonstram a propriedade corona free das

SiO2NPs-SBS apenas para proteínas carregadas negativamente. No entanto, a busca

por uma funcionalização mais eficiente dessas nanopartículas com o SBS, reagindo

todas as hidroxilas, pode levar a propriedade corona free também para as proteínas

carregadas positivamente, por evitar cargas negativas residuais sobre a superfícies

das nanopartículas.

Além do estudo da interação da BSA com as SiO2NPs-SBS na condição

padrão (resultados acima), também foram realizadas as investigações alterando os

parâmetros temperatura, pH e força iônica. No entanto, os resultados de UV-vis e DLS

desse sistema não se alteraram dos dados apresentados acima. A discrepância

somente foi observada nos experimentos de ITC, conforme descrito a seguir.

Os resultados de ITC apresentaram eventos térmicos em todos os estudos

com as SiO2NPs-SBS e BSA. Entretanto, não foi observado formato padrão de uma

curva de interação em nenhuma das curvas obtidas. No gráfico da Figura 44, foi

verificado que a temperatura influencia no processo envolvendo as SiO2NPs-SBS e

BSA. Entretanto, esse processo ainda não foi identificado, visto que de acordo com

os dados de UV-vis e DLS não há adsorção. Observou-se também que os calores

finais da Figura 44 são semelhantes aos encontrados no gráfico da Figura 22,

referente ao experimento com SiO2NPs a 25 e 37 °C. Baseado nessas observações,

criou-se a hipótese que o processo secundário que ocorre após a interação/saturação

da superfície das SiO2NPs é o mesmo observado nos experimentos com as SiO2NPs-

SBS e BSA.

67

Figura 44. Isoterma da titulação calorimétrica: variação de entalpia por mol de titulante

após cada injeção de 2 μL de uma solução de BSA em uma suspensão de 5 g.L-1 de

SiO2NPs-SBS. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB pH 7,4 a 25 e 37 °C.

Os resultados de ITC do estudo da influência da força iônica na interação

entre as SiO2NPs-SBS e BSA são apresentados na Figura 45. Verificou-se que 90%

dos pontos obtidos nas duas condições experimentais estudadas estão dentro da

barra de erro. Portanto, não há influência da força iônica no processo que está

ocorrendo. Além disso, observou-se que existe uma divergência do comportamento

do primeiro ponto em relação aos demais. Possivelmente essa diferença é decorrente

da não homogeneidade da superfície das nanopartículas. Dessa forma, algum

processo altamente espontâneo poderia estar iniciando e terminando logo no primeiro

contato que tem com a proteína, não ocorrendo nas demais injeções.

68

Figura 45. Isoterma da titulação calorimétrica: variação da entalpia por mol de titulante

após cada injeção de 2 μL da solução de BSA em uma suspensão de 5 g.L-1 de

SiO2NPs-SBS. Experimentos realizados a 25 °C, pH 7,4, 0,01 mol.L-1 PB sem adição

de NaCl e com 4 g.L-1 desse sal.

Os resultados de calorimetria obtidos no estudo da influência do pH nos

experimentos envolvendo as SiO2NPs-SBS e a BSA foram os mais discrepantes

(Figura 46). Verificou-se em pH 6 um processo mais endotérmico do que em pH 7,4.

Ou seja, dentre os fatores estudados, o pH do meio é o que mais influencia no

processo ainda desconhecido.

Figura 46. Isoterma da titulação calorimétrica: variação de entalpia por mol de titulante

após cada injeção de 2 μL da solução de BSA em uma suspensão de 5 g.L-1 de

SiO2NPs-SBS. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB, 25 °C, pH 6,0 e 7,4.

69

Em síntese, os resultados descritos sugerem a existência de processos

endotérmicos ao misturar a BSA e as SiO2NPs-SBS, em todas as condições

estudadas. Além disso, há indícios de que esses processos sejam semelhantes aos

que são observados após a saturação da superfície das SiO2NPs com BSA.

4.3.2. Interação das proteínas albumina e lisozima com SiO2NPs-PEG

As SiO2NPs-PEG apresentaram estabilidade em presença de BSA e

lisozima na condição padrão. Consequentemente, os estudos de interação foram

realizados considerando exclusivamente a condição de PB sem NaCl, pH 7,4 e 25 °C.

Os dados de DLS são apresentados na Figura 47. Observou-se a

manutenção do diâmetro hidrodinâmico das SiO2NPs-PEG na faixa de concentração

estudada das proteínas. Esses dados sugerem que a BSA e lisozima não estão

adsorvendo nessa nanopartícula.

Figura 47. Variação do diâmetro hidrodinâmico das SiO2NPs-PEG em função da

concentração das proteínas BSA e lisozima. Experimento realizado em 0,01 mol.L-1

PB, pH 7,4, 25 °C.

Os dados brutos e as isotermas obtidas por ITC são apresentados,

respectivamente, na Figura 48 e Figura 49. Semelhantemente ao observado para as

SiO2NPs-SBS, as isotermas da titulação calorimétrica não apresentaram formato de

curva de adsorção (Figura 49). Além disso, verificou-se que as variações de entalpia

nos experimentos com lisozima foram menores em relação à BSA, sugerindo a

70

ocorrência do processo secundário exclusivamente com essa última proteína.

Também foi observada a discrepância do primeiro ponto da curva em relação aos

demais para ambas as proteínas.

Figura 48. Dado bruto da titulação de A) BSA e B) lisozima em 5 g.L-1 de SiO2NPs-

PEG. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB, pH 7,4, 25 °C.

Figura 49. Isoterma da titulação calorimétrica: variação da entalpia por mol de titulante

após cada injeção de 2 μL da solução de proteínas em uma suspensão de 5 g.L-1 de

SiO2NPs-PEG. Experimentos realizados em 0,01 mol.L-1 PB, pH 7,4, 25 °C.

Também, de forma semelhante às SiO2NPs-SBS, apenas a lisozima

adsorveu nas SiO2NPs-PEG, de acordo com os dados de UV (Figura 50). Ou seja,

todos os resultados dos estudos de interação entre BSA e SiO2NPs-PEG convergem,

demonstrando que não há adsorção. No entanto, para a lisozima existe a divergência

entre os dados de UV e os demais (ITC e DLS). Da mesma forma que essa divergência

71

foi esclarecida para as SiO2NPs-SBS, pode-se aplicar nas nanopartículas modificadas

com o PEG2000. Ou seja, é provável que a lisozima, por ser uma proteína pequena,

possa estar se internalizando entre as cadeias do PEG2000 de tal modo que o DLS não

observe a alteração no DH.86 Além disso, os valores de variação de entalpia próximos

de zero também podem ser uma consequência da compensação entálpica entre os

processos exotérmicos (ligação de hidrogênio, interação eletrostática e de van der

Waals) e endotérmicos (dessolvatação do PEG).

Figura 50. Isotermas de adsorção de BSA e lisozima nas SiO2NPs-PEG obtidas

através de medidas de absorbância da proteína.

Portanto, os resultados acima mostram que as SiO2NPs-PEG também

possuem o efeito corona free exclusivamente para proteínas carregadas

negativamente. Como a modificação dessa nanopartícula foi altamente eficiente em

termos de reatividade dos silanóis, a princípio, não há como aprimorar o efeito corona

free.

5. Conclusões

Nanopartículas de sílica contendo grupos hidroxilas (SiO2NPs) e

modificadas com PEG (SiO2NPs-PEG) e o composto zwitteriônico SBS (SiO2NPs-

SBS) foram obtidas e caracterizadas. As três nanopartículas apresentaram formato

aproximadamente esférico com distribuição de tamanho monomodal, além de uma

média de tamanho similar. A busca por essa similaridade foi intencional visto que

72

grandes alterações de tamanho causariam discrepâncias na relação área/volume das

nanopartículas, influenciando nos experimentos de adsorção de proteínas.

Os experimentos de protein corona sugerem uma forte interação entre a

lisozima e as SiO2NPs, levando à formação de agregados. Nos experimentos

envolvendo essa nanopartícula e a BSA foi observado que os três parâmetros

escolhidos (temperatura, força iônica e pH) influenciam na interação.

Para o primeiro parâmetro, foi verificado que em menores temperaturas as

interações entre a BSA e as SiO2NPs são mais energéticas, ou seja, a entalpia

envolvida é maior. Por dicroísmo circular foi constatado que não há interação

hidrofóbica nesse sistema na condição estudada.

Com relação ao segundo parâmetro, foi observado que em maiores forças

iônicas ocorre uma maior adsorção de BSA na superfície das SiO2NPs sem atingir a

formação de multicamadas de proteínas. Os resultados indicam que em maiores

forças iônicas há uma menor repulsão entre a proteína e a nanopartícula, facilitando

a adsorção sem alterar a estrutura secundária da proteína. Devido à discordância

entre os resultados obtidos e o modelo de Langmuir utilizado para tratar os dados do

ITC, não foi possível obter os valores dos parâmetros termodinâmicos envolvidos na

interação.

Maior adsorção de proteína também foi obtida ao diminuir o pH do meio.

Possivelmente em valores de pH menores a repulsão entre a proteína e a

nanopartícula é reduzida. Porém, nesse caso, a menor repulsão é consequência da

protonação das hidroxilas na superfície das SiO2NPs e de alguns grupos presentes

na proteína. Além disso, por dicroísmo circular foi verificada a formação de interações

hidrofóbicas em pH 6,0. Pelo mesmo motivo do parâmetro força iônica, não foram

obtidos os parâmetros termodinâmicos das interações.

A influência dos fatores acima demonstra a importância do controle das

condições experimentais em estudos que envolvam nanopartículas em meios

biológicos.

Os experimentos realizados com as SiO2NPs-SBS confirmaram que o

composto zwitteriônico conferiu à nanopartícula a característica de corona free para

proteínas carregadas negativamente. Em contrapartida aos experimentos com a BSA,

as SiO2NPs-SBS não apresentaram propriedade corona free para a lisozima. No

entanto, existe a possibilidade de aperfeiçoar essa propriedade através de uma

funcionalização mais eficiente, com o propósito do potencial zeta da nanopartícula

73

ficar mais próximo de zero. Dessa forma, as interações eletrostáticas entre a lisozima

e as nanopartículas serão reduzidas.

Resultados semelhantes aos da SiO2NPs-SBS foram obtidos para as

SiO2NPs-PEG. Ou seja, o efeito corona free foi observado apenas para a BSA,

proteína carregada negativamente. Em decorrência da eficiente funcionalização

dessa nanopartícula, a princípio, não é possível aprimorar a propriedade corona free

dela. Portanto, esse resultado está de acordo com os outros resultados encontrados

na literatura42: o PEG não consegue evitar completamente a adsorção de proteínas.

74

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7. Apêndice

• Cálculo da área ocupada por uma molécula de SBS ou uma cadeia de PEG

Para esse cálculo foram considerados os seguintes dados:

SiO2NPs-PEG SiO2NPs-SBS

Diâmetro / nm 84 77

Densidade da partícula / g.cm-3 1,9 1,9

% mássica correspondente à

funcionalização

4,8 2,2

% mássica correspondente à sílica 90,7 93,3

Massa molar da funcionalização (sem os

grupos silanos: -Si(OCH2CH3) e -Si(OCH3))

2247 g/mol 208,3 g/mol

O volume e a área de uma única nanopartícula é dado por:

𝑉 =4

3𝜋 (

𝐷

2)

3

. 106

𝐴 = 4𝜋 (𝐷

2)

2

Considerando a densidade de 1,9 g.cm-3, pode-se calcular a massa de uma

nanopartícula.

𝑚 = 𝑑. 𝑉

A partir do valor de m obtido e sabendo a % mássica correspondente à

funcionalização e à sílica, fez-se a seguinte regra para calcular a massa da

funcionalização:

m ............................ % mássica correspondente à sílica

𝑚𝐿........................... % mássica correspondente à funcionalização

83

𝑚𝐿 =%𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎çã𝑜. 𝑚

%𝑠í𝑙𝑖𝑐𝑎

Obtendo a massa correspondente à funcionalização e sabendo a massa

molar do ligante (MM), o número de moléculas presente na superfície foi calculado:

𝑛 =𝑚𝐿 . 𝑁𝐴

𝑀𝑀

Onde NA é o número de Avogadro.

Com isso, a área ocupada por uma molécula do ligante é igual à:

𝐴1𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎 = 𝐴

𝑛