Apesar dos avanços significativos nas abordagens diagnósticas e terapêuticas, o câncer continua sendo a principal causa de mortalidade relacionada a doenças em todo o mundo. A pesquisa em biologia do câncer tem proporcionado o desenvolvimento e a aprovação de terapias direcionadas, como inibidores de pequenas moléculas, anticorpos monoclonais (mAbs) e produtos celulares geneticamente modificados. Esses agentes inovadores, que interrompem vias oncogênicas críticas ou aprimoram a eliminação tumoral mediada pelo sistema imunológico, têm demonstrado uma eficácia clínica notável, alcançando respostas duradouras e até remissão completa em certos tipos de câncer.

No entanto, as terapias convencionais, como a resseção cirúrgica, a radioterapia, a quimioterapia citotóxica e o tratamento fotodinâmico, embora fundamentais no tratamento do câncer, frequentemente induzem toxicidades significativas e mostram eficácia limitada em tumores em estágio avançado ou metastáticos. A cirurgia é uma das abordagens mais antigas e eficazes para tumores sólidos localizados, mas sua utilidade é limitada em casos de câncer metastático ou tumores localizados em regiões anatômicas críticas. A radioterapia, apesar de amplamente utilizada, pode causar efeitos adversos significativos, como danos aos tecidos saudáveis adjacentes, fibrose e supressão imunológica. A quimioterapia convencional, ao utilizar agentes citotóxicos para eliminar células de rápida divisão, enfrenta limitações devido à distribuição não específica no organismo e às toxicidades dependentes da dose. Já a terapia fotodinâmica encontra desafios pela especificidade limitada dos fotossensibilizadores em relação aos tumores, o que pode resultar em danos a tecidos saudáveis.

Em resposta a essas limitações, a imunoterapia do câncer surge como uma revolução terapêutica ao focar na modulação do sistema imunológico em vez de atacar diretamente o tumor. Diferente dos agentes quimioterápicos convencionais, que eliminam indiscriminadamente células de rápida divisão, as imunoterapias aprimoram as respostas imunes antitumorais do organismo, minimizando o dano aos tecidos saudáveis. Essas terapias atuam ativando vias imunes adormecidas ou amplificando mecanismos de reconhecimento imunológico que os tumores normalmente evitam durante a progressão maligna. Com essa abordagem precisa, a imunoterapia se tornou uma modalidade terapêutica capaz de gerar remissões duradouras e até curas potenciais em malignidades anteriormente refratárias.

Desde a introdução do interferon recombinante-α (IFNα) como a primeira terapia biológica aprovada, a imunoterapia passou por uma evolução notável. A lista de terapias aprovadas pela FDA agora inclui inibidores de pontos de verificação imune, como os anticorpos anti-PD-1/PD-L1, e terapias celulares modificadas, como as células CAR-T (células T receptoras de antígeno quimérico). Essas inovações têm sido acompanhadas por uma extensa lista de candidatos pré-clínicos, evidenciando o crescimento contínuo deste campo promissor. As imunoterapias contemporâneas englobam várias classes terapêuticas, incluindo inibidores de pontos de verificação imune, terapias com citocinas, produtos celulares modificados como as células CAR-T, agonistas de receptores co-estimuladores, vacinas específicas para antígenos tumorais, vetores virais oncolíticos e anticorpos biespecíficos.

Embora a imunoterapia represente um avanço significativo no tratamento do câncer, sua implementação clínica enfrenta desafios significativos, especialmente em termos de eficácia terapêutica e perfis de segurança. Embora estas terapias possam gerar respostas antitumorais potentes, elas também podem desencadear respostas imunes aberrantes contra tecidos saudáveis, resultando em toxicidades autoimunes. Um exemplo notável disso é a terapia com interleucina-2 (IL-2), que pode causar eventos adversos graves, como tempestade de citocinas, caracterizada por febre, hipotensão refratária e falência multiorgânica, além de síndrome de extravasamento capilar.

Uma das abordagens mais inovadoras da imunoterapia do câncer é a terapia celular adotiva (ACT), que surgiu a partir de estudos pioneiros em modelos de camundongos xenogênicos. Esses estudos demonstraram o potencial de transferir células imunes para combater o câncer, gerando grande interesse no campo. Um marco fundamental foi alcançado em 1976, quando os pesquisadores identificaram o fator de crescimento das células T (posteriormente designado IL-2), o que revolucionou as abordagens imunoterapêuticas. A IL-2 permitiu a expansão ex vivo de linfócitos T, preservando suas funções efetoras, oferecendo uma ferramenta crítica para a manipulação em grande escala de células imunes. Em 1986, experimentos in vitro mostraram que linfócitos infiltrantes de tumor (TILs) derivados de melanomas possuíam citotoxicidade seletiva contra células tumorais autólogas, estabelecendo o potencial terapêutico dos TILs.

Em 1988, essas descobertas culminaram na primeira validação clínica da ACT, quando Rosenberg e colegas usaram TILs autólogos, expandidos ex vivo com IL-2, para tratar pacientes com melanoma. A terapia gerou regressão objetiva dos tumores metastáticos, marcando um marco histórico na oncologia. Esse feito validou o conceito da ACT e forneceu as bases para abordagens modernas de imunoterapia, inspirando inovações subsequentes, como as tecnologias de células T com receptor (TCR) e CAR-T.

Uma das mais importantes inovações da ACT é a engenharia da membrana celular, uma estratégia inovadora para melhorar a funcionalidade das células T na imunoterapia tumoral. A engenharia da membrana celular envolve a modificação da superfície celular para melhorar a capacidade de direcionamento, persistência e desempenho terapêutico global. Entre as tecnologias mais significativas nesse campo estão as células CAR-T, que representam os avanços mais notáveis na engenharia da membrana celular das células T. A base conceitual para a terapia CAR-T foi estabelecida em 1987, quando Kuwana e colaboradores relataram o protótipo do receptor quimérico de antígeno, que transformaria a maneira como a imunoterapia seria aplicada no tratamento do câncer.

Além disso, é fundamental que os leitores compreendam as limitações da imunoterapia em um cenário clínico, como os efeitos adversos que podem surgir devido à ativação exagerada do sistema imunológico. Embora essas terapias possam ser altamente eficazes, os pacientes precisam ser monitorados de perto para identificar sinais de reações imunes indesejadas. No entanto, a combinação de estratégias como a engenharia celular com abordagens imunoterapêuticas em estágio clínico promete continuar avançando para tratar uma gama mais ampla de cânceres, tornando a imunoterapia mais precisa, eficaz e segura.

Quais são as principais técnicas para caracterizar vesículas de membranas bacterianas e como elas impactam as aplicações biomédicas avançadas?

A caracterização de vesículas de membrana bacteriana (BMVs) é fundamental para entender suas propriedades físicas, químicas e funcionais, especialmente no contexto de aplicações biomédicas, como entrega de medicamentos e vacinas. As diversas técnicas utilizadas para estudar essas vesículas oferecem insights detalhados sobre sua estrutura, composição e comportamento, desempenhando um papel crucial no avanço da engenharia de vesículas para aplicações terapêuticas.

A microscopia eletrônica de varredura (SEM) é uma das principais ferramentas para examinar as características superficiais das BMVs. Embora o processo de preparação de amostras envolva o revestimento das vesículas, o SEM permite a visualização das interações das vesículas com materiais ou superfícies, oferecendo uma avaliação das propriedades da superfície das vesículas, como rugosidade e textura. A combinação do SEM com a espectroscopia de raios-X dispersivos de energia (EDX) permite a análise das composições elementares da superfície das vesículas, fundamental para o estudo dos efeitos de modificações de engenharia nas propriedades das BMVs (Pascucci e Scattini, 2021; Malenica et al., 2021).

A microscopia de força atômica (AFM) é outra técnica essencial para analisar a morfologia e as propriedades mecânicas das BMVs. Com alta resolução, a AFM fornece imagens topográficas tridimensionais que permitem avaliar a rigidez, flexibilidade e estabilidade das vesículas em ambientes biológicos. Além disso, é útil para estudar as interações entre as BMVs e superfícies ou biomoléculas, fornecendo informações sobre afinidades de ligação e potencial de liberação de fármacos. A AFM é não destrutiva, preservando a integridade das vesículas, e permite a análise em tempo real quando combinada com outras técnicas, como a microscopia de fluorescência (Parisse et al., 2017; Sharma et al., 2018).

A criomicroscopia eletrônica (Cryo-EM) representa um avanço significativo na visualização de vesículas nanométricas em condições originais. Ao congelar rapidamente as amostras em gelo vitrificado, a Cryo-EM preserva a estrutura das vesículas sem a necessidade de fixação ou coloração química. Essa técnica proporciona reconstruções tridimensionais detalhadas, revelando como as modificações de engenharia, como a incorporação de proteínas ou alterações lipídicas, afetam a forma das vesículas. A Cryo-EM também permite a observação do comportamento dinâmico das vesículas e suas interações com biomoléculas, sendo crucial para o desenvolvimento de terapias baseadas em vesículas e vacinas, embora seja um método caro e de preparação complexa (Morandi et al., 2022).

A dispersão de luz dinâmica (DLS) é amplamente utilizada para caracterizar as características dimensionais e a distribuição das BMVs na faixa nanométrica. A DLS detecta flutuações de intensidade luminosa causadas pelo movimento browniano das vesículas em suspensão. Ela fornece informações sobre o tamanho médio das vesículas e sua distribuição, permitindo avaliar a uniformidade e a estabilidade das populações de vesículas. Embora seja altamente sensível a mudanças no tamanho das vesículas, a DLS tem limitações quanto à caracterização da morfologia ou da estrutura interna das vesículas. No entanto, continua sendo uma ferramenta essencial na análise preliminar das vesículas, especialmente em aplicações farmacêuticas, onde a uniformidade do tamanho é crucial para o desempenho terapêutico (Lyu et al., 2021).

A análise de rastreamento de nanopartículas (NTA) é outro método eficaz para caracterizar vesículas, incluindo as BMVs. Ao monitorar o movimento individual das vesículas em uma amostra líquida por meio de microscopia em vídeo, a NTA determina o tamanho das partículas e sua distribuição. Esse método fornece perfis de tamanho para populações heterogêneas, mede a concentração de partículas e oferece informações sobre a estabilidade, agregação e variações induzidas por engenharia no tamanho das vesículas. A NTA é robusta e confiável, contribuindo significativamente para a pesquisa biomédica, embora requeira uma preparação cuidadosa das amostras (Vestad et al., 2017).

No campo da caracterização bioquímica e funcional, métodos como o ensaio de ácido bicinconínico (BCA), a eletroforese em gel de poliacrilamida com SDS (SDS-PAGE), o Western blot, a imunoanálise enzimática (ELISA), a espectrometria de massas (MS) e a microscopia confocal a laser (LSCM) são amplamente utilizados. O ensaio BCA, por exemplo, é uma técnica sensível que permite a quantificação de proteínas em pequenas amostras de vesículas, enquanto o SDS-PAGE é utilizado para separar e identificar proteínas com base em seu tamanho. A combinação do SDS-PAGE com o Western blot possibilita a identificação de proteínas específicas, o que é crucial para o estudo das modificações de proteínas nas vesículas.

A ELISA é uma técnica altamente sensível para detectar e quantificar proteínas específicas nas vesículas, sendo essencial para a engenharia de vesículas voltadas para terapias. Já a espectrometria de massas permite a análise detalhada de proteínas, lipídios e outras biomoléculas presentes nas vesículas, fornecendo informações sobre modificações pós-traducionais e possíveis biomarcadores para diagnósticos ou aplicações terapêuticas.

Essas técnicas bioquímicas oferecem informações cruciais sobre o conteúdo proteico e lipídico das BMVs, permitindo o estudo das modificações de proteínas, análise de marcadores de superfície e a avaliação do sucesso de estratégias terapêuticas baseadas em vesículas. Elas também são fundamentais para garantir que as vesículas estejam adequadamente carregadas com os cargos terapêuticos e funcionalizadas para aplicações específicas.

Ao utilizar essas ferramentas, os pesquisadores conseguem mapear com precisão as características e comportamentos das BMVs, avançando no desenvolvimento de estratégias terapêuticas baseadas em vesículas, como a entrega direcionada de fármacos, vacinas e outros tratamentos biomédicos inovadores.

Como a Engenharia de Superfície Celular Revoluciona a Entrega de Medicamentos e Modelagem Tecidual

A engenharia de superfície celular tem ganhado destaque na medicina regenerativa, especialmente no contexto de terapias direcionadas e sistemas de entrega de medicamentos. Uma das inovações mais promissoras envolve a utilização de células modificadas para liberar insulina de maneira controlada, imitando a função das células β produtoras de insulina. Esse sistema responsivo à glicose não só prolonga o efeito terapêutico da insulina, mas também mantém os níveis de glicose no sangue dentro de uma faixa saudável, o que representa um avanço significativo no tratamento do diabetes. Experimentos in vivo realizados com modelos de camundongos diabéticos demonstraram que as células vermelhas do sangue (RBCs) conjugadas com insulina e glicose podem liberar a insulina de maneira eficaz à medida que a glicose compete com o transportador GLUT, uma dinâmica fundamental para o controle da hiperglicemia (Wang et al. 2017).

Esse tipo de entrega de insulina está alinhado com as novas abordagens para a engenharia de células e sistemas de entrega de medicamentos, que, por sua vez, estão mais precisos e eficientes graças ao uso de peptídeos de direcionamento e moléculas “click”. A capacidade de modificar as células para melhorar a homing (migração celular direcionada) para áreas-alvo permite que os medicamentos sejam entregues com alta precisão, o que tem o potencial de transformar o tratamento de diversas condições, incluindo o câncer e doenças autoimunes. O conceito de integrar terapias celulares com sistemas de liberação de medicamentos abre portas para um vasto campo de novas aplicações clínicas (Chen et al. 2018; Li et al. 2022).

Entretanto, ao se falar de terapias celulares e engenharia de superfícies, não se pode deixar de abordar os desafios associados à formação de agregados celulares tridimensionais (3D) e à criação de tecidos multicelulares que possam ser utilizados em terapias regenerativas. As culturas celulares em duas dimensões (2D) enfrentam limitações quanto à rigidez excessiva, morfologia polarizada e capacidade funcional, devido à adesão inadequada e à falta de gradientes de matriz extracelular (ECM). Ao contrário, as culturas 3D favorecem a secreção de proteínas, a produção de ECM e a diferenciação de células-tronco para múltiplas linhagens, o que promove um ambiente mais próximo do in vivo. Por isso, existe uma crescente tendência pelo uso de montagens celulares sem andaimes, como folhas de tecido e esferoides, que possuem maior densidade celular e melhor imitação do microambiente in vivo, levando a resultados mais promissores na regeneração tecidual após transplantes (Cooper e Rainbow, 2022).

Um dos principais avanços nesta área tem sido a utilização de métodos para estimular a agregação celular, como culturas rotacionais, superfícies não aderentes, e a microfluídica, além de técnicas de modelagem por micromoldagem. Essas abordagens têm como objetivo melhorar a coesão celular e reduzir o dano durante o processo de auto-assembléia celular. Agregados multicelulares têm sido utilizados tanto como modelos ex vivo para triagem de eficácia de fármacos como também para estudos de doenças, além de serem aplicados em terapias celulares in vivo (Decarli et al. 2021; Griffin et al. 2022).

Contudo, mesmo com os avanços na formação de esferoides, os métodos tradicionais ainda exigem longos períodos de incubação para estabelecer interações eficazes entre células e ECM, frequentemente resultando em agregados soltos e irregulares, que não replicam de maneira fidedigna os tecidos naturais. A criação de tecidos multicelulares de camadas continua sendo um desafio, dada a dificuldade de estabelecer interações intercelulares consistentes, bem como o desalinhamento nos esferoides e a falta de interações específicas entre tipos celulares distintos. Além disso, a necessidade de melhorar a velocidade e consistência da montagem celular em larga escala, a fim de produzir tecidos mais homogêneos e funcionalmente eficientes, continua sendo um objetivo essencial para os pesquisadores dessa área (De Pieri et al. 2021; Shao et al. 2020).

Em relação à modelagem de tecidos, a engenharia química das células tem demonstrado grande potencial na criação de padrões funcionais de células sem a necessidade de andaimes. Técnicas como reações tiol-ene foto-responsivas permitem a indução de adesões celulares artificiais e a formação de esferoides por irradiação com luz UV, o que facilita a construção de estruturas celulares de alta densidade sem a necessidade de suportes rígidos. Um exemplo notável dessa abordagem é a modificação da superfície das células com grupos metacrilóilos, o que possibilita a indução de reações que promovem a agregação celular, levando à formação de estruturas tridimensionais estáveis (Otaka et al. 2024).

Outra técnica inovadora para a modificação celular envolve o uso de interações biotin-estreptavidina, que permitem a formação de camadas multicelulares, como as que simulam vasos sanguíneos. Células musculares lisas biotiniladas podem ser associadas a células endoteliais para formar bilayers que, por sua vez, podem ser repetidamente sobrepostos para criar estruturas tubulares, como artérias ou veias (Gong et al. 2013). Tais métodos demonstram o potencial da engenharia de superfícies celulares para criar tecidos artificiais que replicam com mais precisão a complexidade dos sistemas biológicos.

Ainda mais sofisticados, métodos de engenharia bio-ortogonal e modificações na superfície celular com grupos bioativos permitem a montagem rápida de tecidos sem a necessidade de andaimes externos. O uso de lipossomos catiônicos para entregar grupos bio-ortogonais às superfícies celulares promove a ligação rápida entre células, formando esferoides e tecidos multicelulares funcionais. Esses métodos possibilitam a criação de tecidos sintéticos com diferentes tipos celulares, como no caso de tecidos cardíacos, onde células musculares cardíacas, células endoteliais e fibroblastos são combinadas para formar um tecido cardíaco funcional, capaz de gerar batimentos sincronizados (Rogozhnikov et al. 2016).

Esses avanços apontam para um futuro promissor na criação de tecidos complexos e na utilização de células modificadas como veículos de entrega de medicamentos ou como substitutos de tecidos danificados, mostrando a aplicabilidade crescente da engenharia celular tanto na regeneração quanto no tratamento de doenças.

Métodos de Nanoencapsulação para Terapias Celulares: Avanços e Desafios

A engenharia de tecidos e as terapias celulares baseadas em células encapsuladas têm atraído crescente atenção devido ao seu potencial de tratamento para doenças crônicas e degenerativas, como diabetes, doenças cardiovasculares e defeitos musculoesqueléticos. Contudo, o sucesso dessas abordagens depende fortemente da capacidade das células transplantadas de sobreviver e manter a funcionalidade no ambiente hostil dos tecidos doentes. As células, por sua natureza, enfrentam uma série de desafios quando transplantadas, incluindo rejeição imunológica, baixa retenção no local de transplante e vulnerabilidade a danos físicos e químicos. Esses obstáculos têm levado ao desenvolvimento de novas estratégias, como a nanoencapsulação, que visa proteger as células transplantadas e melhorar a eficácia terapêutica.

A encapsulação celular por nanomateriais tem se mostrado promissora, especialmente quando associada a nanopartículas superparamagnéticas, que permitem o rastreamento por ressonância magnética (RM). Um exemplo notável é o uso de nanopartículas de óxido de ferro superparamagnético, que podem ser integradas nas camadas de células pancreáticas. Estudos demonstraram que essas nanopartículas são eficazes na proteção das células contra ataques imunes, manutenção da viabilidade celular após o transplante e aumento da durabilidade sob estresse físico, além de permitir o rastreamento das células transplantadas por RM. A engenharia de superfícies de células com materiais biomiméticos, como quitosana e heparina, oferece uma solução robusta, criando camadas que não apenas protegem as células, mas também melhoram a interação com o microambiente, essencial para a secreção de insulina nas células ilhotas pancreáticas.

Além disso, as estratégias de modulação das superfícies celulares, por meio da adição de ligantes de pontos de controle imunológicos, mostram-se eficazes na prevenção de respostas autoimunes, restabelecendo a autotolerância e melhorando a engraftação celular. Isso é particularmente relevante para o tratamento de pacientes diabéticos, que podem se beneficiar de terapias baseadas em células pancreáticas de origem não humana. A nanoencapsulação, portanto, não apenas protege as células contra a rejeição imunológica, mas também limita o acesso das células do sistema imune aos antígenos das células transplantadas.

Os avanços mais recentes na engenharia de células encapsuladas se concentram em superar barreiras como a fibrose, a perfusão vascular inadequada e a difusão retardada de insulina devido ao agrupamento de células. A introdução de moléculas bioativas exógenas para promover a diferenciação de células-tronco em células produtoras de insulina pode representar um caminho promissor para o tratamento de diabetes tipo 1 e tipo 2. No entanto, desafios como a prevenção de complicações associadas à fibrose e a melhora na resposta glicêmica ainda exigem mais pesquisa.

A encapsulação celular também tem mostrado grande potencial em terapias de engenharia cardíaca, especialmente no tratamento de infartos do miocárdio, onde as células-tronco podem promover a regeneração do tecido cardíaco danificado. As estratégias mais inovadoras, como o uso de ácido polissialico modificado e transglutaminase microbiana, demonstraram que células-tronco encapsuladas podem melhorar a capacidade anti-apoptótica das células sob condições isquêmicas e hipoxêmicas. Essas células podem ser encapsuladas em gelatinas ou outros biomateriais, proporcionando uma camada de proteção que melhora a integração das células no tecido e favorece a regeneração cardíaca, o que tem implicações terapêuticas significativas.

A combinação de células-tronco derivadas de células pluripotentes induzidas (hiPSCs) com células dérmicas primárias em sistemas de co-cultura encapsulados em gelatina ou outros biomateriais também tem mostrado promissores resultados na criação de mini-tecidos cardíacos funcionais. Esses sistemas de encapsulação baseados em microfluidos, que permitem uma liberação controlada de células, são fundamentais para aumentar a eficiência da regeneração celular no coração, especialmente após infarto do miocárdio.

Embora os avanços na encapsulação de células sejam notáveis, a aplicação clínica dessas tecnologias ainda enfrenta desafios significativos. Além da melhoria das técnicas de encapsulação e do desenvolvimento de estratégias para liberar as células de forma controlada e eficiente, é fundamental melhorar o conhecimento sobre como as células encapsuladas interagem com o ambiente do hospedeiro, como elas respondem ao estresse e como os materiais utilizados podem ser biodegradáveis ou não desencadear reações indesejadas no organismo.

O que deve ser destacado para o leitor é que a nanoencapsulação não é uma solução isolada, mas uma parte de um conjunto maior de tecnologias que buscam otimizar a terapia celular. Embora as técnicas de encapsulação sejam promissoras, a verdadeira eficácia dessas terapias dependerá de uma abordagem holística que combine engenharia de tecidos, biotecnologia, imunologia e medicina regenerativa. Com o avanço da pesquisa, a combinação de diferentes estratégias – desde a modulação imunológica até a engenharia de superfícies celulares e o uso de biomateriais inteligentes – promete transformar o tratamento de doenças crônicas e degenerativas, proporcionando novas oportunidades para os pacientes que hoje não têm opções eficazes de tratamento.

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