Imagem de Super-Resolução e RMN Revelam Efeitos de Medicamentos em Níveis Celular e Atômico

Pesquisadores usaram microscopia de super-resolução para rastrear o medicamento oncológico sunitinib dentro de células vivas e descobriram que ele desencadeia uma desestruturação coordenada de mitocôndrias, lisossomos e retículo endoplasmático, de acordo com um estudo publicado na Biophotonics Discovery. Separadamente, a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) de estado sólido está sendo usada para determinar estruturas em nível atômico de medicamentos formulados, enfrentando um desafio persistente no desenvolvimento de formulações farmacêuticas.

O sunitinib é usado para tratar diversos tipos de câncer, incluindo o câncer de rim. Sua atividade terapêutica tem sido tradicionalmente associada à capacidade de inibir enzimas que impulsionam o crescimento tumoral. Pesquisadores da Universidade de Cincinnati combinaram testes de viabilidade celular com a microscopia de iluminação estruturada (SIM), uma técnica de imagem de super-resolução capaz de revelar estruturas pequenas demais para serem vistas claramente com microscópios ópticos convencionais. Como o sunitinib é naturalmente fluorescente, a equipe pôde acompanhar seu movimento dentro de células vivas sem modificá-lo quimicamente. Em vez de se concentrar apenas em saber se as células sobreviviam ao tratamento, os pesquisadores examinaram como o medicamento afetava três sistemas celulares interconectados: os lisossomos, que reciclam materiais celulares; as mitocôndrias, que geram energia; e o retículo endoplasmático (RE), que ajuda a produzir proteínas e a regular a sinalização celular.

A equipe primeiro confirmou que o sunitinib reduzia a viabilidade celular de forma dependente da dose, com concentrações mais altas causando morte celular progressivamente maior. As imagens de SIM mostraram que o medicamento se concentrava principalmente dentro dos lisossomos, e a análise quantitativa confirmou uma associação muito mais forte com os lisossomos do que com as mitocôndrias. Após o tratamento, as redes mitocondriais saudáveis tornaram-se cada vez mais fragmentadas, com estruturas alongadas se dividindo em segmentos mais curtos e isolados. O número de lisossomos diminuiu, enquanto as estruturas restantes se tornaram maiores e com formato mais irregular, indicando estresse crescente no sistema lisossomal à medida que as concentrações do medicamento aumentavam. A rede do RE, que em células não tratadas formava uma rede contínua que se estendia por toda a célula, progressivamente se desfez em fragmentos desconectados. Análises topológicas da conectividade do RE mostraram uma clara perda da organização do RE dependente da concentração.

Os achados sugerem que os efeitos do sunitinib vão além da inibição enzimática. O medicamento parece desencadear uma desestruturação coordenada de múltiplos sistemas celulares, contribuindo em última instância para a perda da função e da sobrevivência celular. Em vez de depender apenas de medições bioquímicas, os pesquisadores visualizaram diretamente como uma molécula terapêutica se movia dentro de uma célula viva e como as estruturas celulares respondiam ao longo do tempo. A abordagem combina engenharia óptica, análise de imagens e biologia celular para produzir medições quantitativas da arquitetura e da conectividade das organelas, e demonstra como a imagem de super-resolução moderna pode transformar o estudo do comportamento de medicamentos ao revelar interações invisíveis à microscopia convencional. O trabalho oferece uma visão detalhada do comportamento do medicamento em nível microscópico e destaca o papel crescente da imagem óptica no desenvolvimento de medicamentos e na engenharia celular.

Em uma linha separada de pesquisa, métodos de espectroscopia de RMN de estado sólido desenvolvidos na Iowa State University e no Ames National Laboratory do Departamento de Energia dos EUA estão ajudando a resolver “um desafio persistente na indústria farmacêutica”: o projeto bem-sucedido de formulações para a administração de ingredientes farmacêuticos ativos. Em um experimento, uma pequena amostra sólida de um medicamento, com ingredientes ativos e inativos, foi girada a 50.000 rotações por segundo enquanto inclinada no “ângulo mágico” de quase 55 graus em relação a um campo magnético alto na National Magnetic Resonance Facility da Universidade de Wisconsin-Madison. A posição dos picos nos espectros resultantes ofereceu pistas sobre a estrutura do medicamento sólido, ajudando a localizar a posição dos átomos de hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. A espectroscopia de RMN de estado sólido pode ser aplicada para determinar a estrutura em nível atômico de materiais como catalisadores heterogêneos, semicondutores de próxima geração e medicamentos sólidos formulados.

Os instrumentos de RMN usam ímãs supercondutores resfriados por nitrogênio líquido e hélio líquido para submeter as amostras a campos magnéticos intensos. O ímã do laboratório da Iowa State é classificado em 9,4 Tesla, enquanto o National High Magnetic Field Laboratory, em Tallahassee, Flórida, possui um instrumento de US$ 18,7 milhões classificado em 35 Tesla. O campo magnético do instrumento de RMN alinha os núcleos; em seguida, pulsos de rádio desalinham os núcleos, e o instrumento registra essas diferenças. As ferramentas de RMN são “uma pedra angular da pesquisa moderna em design de medicamentos, materiais para energia sustentável e sistemas quânticos”, de acordo com um resumo de um painel de discussão na reunião anual da American Association for the Advancement of Science.

Um novo estudo de três anos, no valor de US$ 492.000, sobre as estruturas de ingredientes farmacêuticos ativos e produtos farmacêuticos comerciais, apoiado pela National Science Foundation dos EUA, está desenvolvendo novos métodos para melhorar a sensibilidade e a resolução dos dados de RMN. Estudantes de pós-graduação e de graduação farão parte do projeto, aprendendo a preparar amostras de medicamentos, realizar experimentos de RMN e modelar computacionalmente estruturas atômicas. Um relatório de 2024 das National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine concluiu que os Estados Unidos precisam restabelecer um nível de apoio à pesquisa de RMN de última geração que permita aos laboratórios do país recuperar uma posição de liderança nas áreas de pesquisa baseadas em RMN, o que significa mais instrumentos produzindo campos magnéticos ultra-altos que aprimoram a resolução e melhoram os dados coletados.