A carregar...
Publicação
Applications of atomic force microscopy in disease
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 2.09 MB | Adobe PDF |
Orientador(es)
Resumo(s)
A medicina tem dado largos passos no último século, permitindo que a população consiga viver até idades mais avançadas com boa qualidade de vida. No entanto, com a emergência de doenças crónicas e novas doenças infeciosas, tem surgido a procura por métodos que obtenham diagnósticos mais precoces para instituir terapêutica no tempo certo, tal como métodos específicos para monitorização da doença e ainda o desenvolvimento de novas terapêuticas. Muitas doenças mostram alterações a nível das propriedades biomecânicas das células, bem como a sua morfologia, adesão e interação com outras substâncias, e consequentemente na sua função, mobilidade e replicação. A microscopia de força atómica (AFM) tem surgido nas últimas décadas como uma técnica a ser usado em estudos orientados para investigar as alterações celulares envolvidas em doenças e como pode ser usado para fins diagnósticos e terapêuticos. O AFM é uma técnica de microscopia de varrimento de superfície, baseada na interação entre a ponta da cantilever e a superfície da amostra. O AFM tem sido bastante útil para estudos de morfologia celular devido à sua alta resolução à escala nanométrica, pelas medidas de altura da cantilever quando este faz o varrimento da superfície da amostra. A medição de forças envolvidas na adesão entre células e outros componentes celulares (tão pequenas como 7-10pN) também pode ser executada por AFM, com espectroscopia dinâmica de força de molécula individual. Exemplos de aplicação desta técnica incluem a medição de adesão entre antigénio e anticorpo ou entre células, tal como a medição da elasticidade duma célula através do modelo de Hertz, podendo ser calculado o módulo de Young dessa célula.
Este trabalho consiste numa revisão não-sistemática da literatura para resumir exemplos atuais do uso de microscopia de força atómica na área médica, focando em doenças específicas relevantes e mais estudadas.
Em termos de áreas clínicas investigadas por AFM, iniciou-se pelas doenças infeciosas por serem emergentes. Uma delas foi a COVID-19, com o seu agente viral infecioso SARS-CoV-2 que serve como exemplo dum vírus moderno inicialmente desconhecido. O AFM foi usado para estudar a sua estrutura viral, a interação da proteína spike com o recetor humano hACE2, tal como métodos de transmissão e a sua inativação. No caso da SIDA, o AFM foi usado para acrescentar à informação já conhecida sobre o HIV,
incluindo a sua estrutura, métodos novos para a sua deteção e o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas em momentos-chave no seu ciclo de infeção e replicação onde se encontra vulnerável tais como a fusão de membrana na entrada viral na célula hospedeira, o uncoating e replicação. Na tuberculose, o AFM foi usado para estudar as adaptações morfológicas de Mycobacterium tuberculosis de acordo com o seu ambiente com resistência a fármacos e latência, tal como novos métodos de diagnóstico e a identificação de novas abordagens terapêuticas. Com a candidíase, os estudos de AFM focaram-se na parede celular de Candida albicans para reconhecimento imunitário e alvo terapêutico, tal como a caracterização dos seus biofilmes polimicrobianos em superfícies dentárias, tubos endotraqueais e outros dispositivos biomédicos. Com a malária, o AFM foi usado para examinar as alterações de morfologia eritrocitária durante a infeção pelo seu agente Plasmodium falciparum, tal como monitorizar os efeitos de antimaláricos convencionais e no desenvolvimento de alvos terapêuticos como modelos de deficiência de glucose-6-fosfato desidrogenase e piruvato cinase.
Outra área clínica estudada por AFM foram doenças cardiovasculares pela sua alta taxa de prevalência e mortalidade. Foi estudado por AFM doentes de insuficiência cardíaca crónica em termos de alterações na rigidez celular e contratilidade de cardiomiócitos, a investigação de novos biomarcadores diagnósticos como anticorpos anti-proteína C reativa e interação fibrinogénio-eritrócito, tal como o desenvolvimento de novos fármacos e monitorização dos seus efeitos em cardiomiócitos. A aterosclerose, dado a sua associação com várias doenças cardiovasculares, tem sido estudada especificamente com AFM medindo as alterações de rigidez das células de parede arterial face a vários fatores (incluindo o envelhecimento fisiológico), a adesão de monócitos e leucócitos à parede arterial e a oxidação de partículas LDL. A doença cardíaca isquémica foi investigada com AFM nas áreas de disfunção de miofibroblastos, matriz extracelular e tecido fibrótico, tal como novos métodos de diagnóstico mais precoce de enfarte agudo do miocárdio e a avaliação de novos alvos terapêuticos. Com a hipertensão arterial, o AFM foi usado para detetar alterações na morfologia e adesão das células da parede arterial e em eritrócitos destes doentes, tal como na monitorização dos efeitos celulares de fármacos anti hipertensores convencionais.
A oncologia é uma área de doenças caracterizada por alta taxa de mortalidade e por grandes alterações ao nível celular, tornando-a uma boa candidata a ser estudada por AFM. Esta secção foi subdividida por alguns dos cancros que aparecem com maior frequência. No cancro da mama, o AFM foi usado para avaliar as alterações na rigidez celular e na adesão célula-célula na classificação de células cancerígenas com potencial de invasão. A sua aplicação foi também usada na caracterização destes parâmetros como biomarcadores de efeitos pró- e anti-tumorais de certas moléculas. Com o cancro colorretal, o AFM foi usado para comparar a morfologia e características biomecânicas de células tumorais com as de células saudáveis, tal como avaliar os efeitos de certos compostos na viabilidade e potencial metastático destas células. Em relação ao melanoma, esta técnica foi usada para classificar as células tumorais em termos do seu potencial invasivo ou metastático de acordo com diferentes componentes celulares e alterações biomecânicas, bem como para avaliar os efeitos inibitórios de moléculas específicas nas células tumorais. Quanto ao cancro do pulmão, estudou-se as propriedades biomecânicas específicas das células tumorais por AFM, bem como o efeito do microambiente tumoral, e ainda o potencial de novos alvos terapêuticos.
A última área abordada neste trabalho foi a das doenças neurodegenerativas, pelo seu grande impacto na morbilidade dos doentes, tal como a falta de sucesso em alvos terapêuticos curativos que estão associados à sua fisiopatologia molecular. Na doença de Alzheimer, foi estudado os diferentes componentes da sua fisiopatologia, incluindo a agregação de fibras beta-amilóide e a agregação de proteínas tau. Em relação às fibras beta-amiloides, esta técnica foi aplicada no estudo da interação com modelos de membranas celulares envelhecidas, bem como anticorpos anti-beta-amilóide como novo meio diagnóstico e com outras novas moléculas terapêuticas. Quanto à agregação das proteínas tau, o AFM permitiu discernir o papel das vesículas extracelulares na promoção da sua agregação, tal como o uso de nanotransportadores de carbono para transportar memantina diretamente para locais de agregação destas proteínas. As alterações biomecânicas induzidas pela doença de Alzheimer nos eritrócitos e neurónios no hipocampo de modelos animais também foram estudadas usando AFM. No que diz respeito à esclerose lateral amiotrófica (ELA), os estudos de AFM focaram-se em investigar a sua fisiopatologia nas formas esporádicas e familiares, incluindo a mutação
da proteína SOD1. A proteína TDP-43 foi estudada por AFM no contexto da doença ELA, em relação a observar a sua agregação e formação de fibrilas, tal como a experimentação de novos alvos terapêuticos para as proteínas SOD1 e TDP-43. Outras células de doentes ELA para além dos neurónios foram avaliadas nas suas alterações biomecânicas para poderem servir como biomarcadores, incluindo astrócitos, eritrócitos e plaquetas. Finalmente, na doença de Parkinson, o AFM foi usado para observar a agregação da proteína alfa-sinucleína como descrita na sua fisiopatologia, e o impacto desta proteína nas alterações das propriedades biomecânicas de neurónios. Adicionalmente, foram testados novos alvos terapêuticos dirigidos à variante patológica mutada de alfa-sinucleína.
As características biomecânicas medidas pelo AFM, incluindo morfologia celular, rigidez e forces de adesão podem servir como novos parâmetros a serem incluídos no estudo clínico de várias doenças. Por um lado, estes parâmetros têm sido usados na investigação biomédica para aprofundar o conhecimento sobre a fisiopatologia de determinadas doenças. Por outro lado, este trabalho mostrou as potenciais aplicações do uso do AFM na clínica, através do avanço de novos métodos complementares de diagnóstico, estratificação de progressão de determinadas doenças e o desenvolvimento de fármacos dirigidos a novos alvos terapêuticos. Apesar de haver uma base robusta de investigação biomédica envolvendo a aplicação da microscopia de força atómica que mostra as suas capacidades únicas de resolução, rapidez e exatidão, há uma notável lacuna de investigação aplicando esta técnica num contexto clínico. Deste modo, é necessário haver mais investigação translacional com inclusão da microscopia de força atómica de modo a tornar uma abordagem mais prática a colaboração essencial entre investigadores biomédicos e profissionais de saúde.
Atomic force microscopy (AFM) is a scanning imaging technique at nanoscale, which uses a cantilever with a tip to move across samples’ surface and a laser to measure the interaction forces between the tip and the sample, creating a three-dimensional visual representation of its surface. AFM has been gaining notoriety in the biomedical field due to its high-resolution images and ability to measure the inter- and intramolecular interaction forces involved in the pathophysiology of many diseases. Here, a non-systematic review of the literature will be applied to summarize current applications of atomic force microscopy in the medical field. First, a brief overview of the AFM technique will be performed. This theoretical groundwork will then be used to link AFM to its novel translational applications in handling broad clinical questions in different areas, such as infectious diseases, cardiovascular diseases, cancer, and neurodegenerative diseases. The nanomechanical characteristics such as cell height, volume, stiffness, and adhesion forces may serve as novel parameters used to tailor patient care through nanodiagnostics, individualized risk stratification and therapeutic monitoring. Despite an increasing development of AFM biomedical research in diseased cells showing its unique capabilities in resolution, speed and accuracy, there is a notable lack of applied AFM research in a clinical setting. More translational research with AFM is needed to provide a practical approach for this valuable collaboration between biomedical researchers and healthcare professionals.
Atomic force microscopy (AFM) is a scanning imaging technique at nanoscale, which uses a cantilever with a tip to move across samples’ surface and a laser to measure the interaction forces between the tip and the sample, creating a three-dimensional visual representation of its surface. AFM has been gaining notoriety in the biomedical field due to its high-resolution images and ability to measure the inter- and intramolecular interaction forces involved in the pathophysiology of many diseases. Here, a non-systematic review of the literature will be applied to summarize current applications of atomic force microscopy in the medical field. First, a brief overview of the AFM technique will be performed. This theoretical groundwork will then be used to link AFM to its novel translational applications in handling broad clinical questions in different areas, such as infectious diseases, cardiovascular diseases, cancer, and neurodegenerative diseases. The nanomechanical characteristics such as cell height, volume, stiffness, and adhesion forces may serve as novel parameters used to tailor patient care through nanodiagnostics, individualized risk stratification and therapeutic monitoring. Despite an increasing development of AFM biomedical research in diseased cells showing its unique capabilities in resolution, speed and accuracy, there is a notable lack of applied AFM research in a clinical setting. More translational research with AFM is needed to provide a practical approach for this valuable collaboration between biomedical researchers and healthcare professionals.
Descrição
Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2023
Palavras-chave
Microscopia de força atómica Doenças transmissíveis Doenças cardiovasculares Doenças neurodegenerativas Neoplasias Bioquímica