Carbon nanotubes applied in neuroscience: prospects and challenges

INTRODUÇÃO: Os nanotubos de carbono (NTCs) são os nanomateriais mais promissores para aplicação terapêutica em doenças neurodegenerativas. Aplicações potenciais incluem sistemas de liberação controlada de fármacos, interfaces elétricas e substratos para crescimento celular. OBJETIVO: Descrever o estado da arte e as perspectivas e desafios da aplicação dos NTCs nas neurociências. MÉTODO: Procedeu-se a uma busca sistemática nos indexadores Medline, Lilacs e SciELO, utilizando os descritores "carbon nanotubes", "drug delivery", "electrical interface", "tissue regeneration", "neuroscience", "biocompatibility" e "nanotechnology", devidamente agrupados. RESULTADOS: A revisão da literatura evidenciou controvérsias nos estudos relativos à biocompatibilidade dos NTCs, embora tenha ratificado o seu potencial para a neuromedicina e neurociências. CONCLUSÃO: Os dados obtidos apontam a necessidade de estudos padronizados sobre as aplicações e interações dessas nanoestruturas com os sistemas biológicos.BACKGROUND: Carbon nanotubes (CNTs) are the most promising nanomaterials for therapeutic application in neurodegenerative diseases. Potential applications include systems for controlled drug delivery, electrical interfaces and substrates for cell growth. OBJECTIVE: To describe the state of art, prospects and challenges of applying CNTs in neuroscience. METHODS: There has been systematic search in Medline, Lilacs and SciELO, using the keywords "carbon nanotubes", "drug delivery", "electrical interface", "tissue regeneration", "neuroscience", "nanotechnology" and "biocompatibility", properly grouped. RESULTS: The literature review showed controversies in studies on the biocompatibility of CNTs, although it has ratified its potential for neuromedicine and neuroscience. DISCUSSION: These results highlight the need for modeling studies on the applications and interactions of nanostructures with biological systems

Nanotubos de carbono aplicados às neurociências: perspectivas e desafios

BACKGROUND: Carbon nanotubes (CNTs) are the most promising nanomaterials for therapeutic application in neurodegenerative diseases. Potential applications include systems for controlled drug delivery, electrical interfaces and substrates for cell growth. OBJECTIVE: To describe the state of art, prospects and challenges of applying CNTs in neuroscience. METHODS: There has been systematic search in Medline, Lilacs and SciELO, using the keywords "carbon nanotubes", "drug delivery", "electrical interface", "tissue regeneration", "neuroscience", "nanotechnology" and "biocompatibility", properly grouped. RESULTS: The literature review showed controversies in studies on the biocompatibility of CNTs, although it has ratified its potential for neuromedicine and neuroscience. DISCUSSION: These results highlight the need for modeling studies on the applications and interactions of nanostructures with biological systems.INTRODUÇÃO: Os nanotubos de carbono (NTCs) são os nanomateriais mais promissores para aplicação terapêutica em doenças neurodegenerativas. Aplicações potenciais incluem sistemas de liberação controlada de fármacos, interfaces elétricas e substratos para crescimento celular. OBJETIVO: Descrever o estado da arte e as perspectivas e desafios da aplicação dos NTCs nas neurociências. MÉTODO: Procedeu-se a uma busca sistemática nos indexadores Medline, Lilacs e SciELO, utilizando os descritores "carbon nanotubes", "drug delivery", "electrical interface", "tissue regeneration", "neuroscience", "biocompatibility" e "nanotechnology", devidamente agrupados. RESULTADOS: A revisão da literatura evidenciou controvérsias nos estudos relativos à biocompatibilidade dos NTCs, embora tenha ratificado o seu potencial para a neuromedicina e neurociências. CONCLUSÃO: Os dados obtidos apontam a necessidade de estudos padronizados sobre as aplicações e interações dessas nanoestruturas com os sistemas biológicos

Efeitos de diferentes sistemas de maturação in vitro no potencial de desenvolvimento de oócitos bovinos

In vitro maturation is an important step for in vitro embryo production. The objective of the present study was to investigate the effect of the interaction of serum and oxygen tension during in vitro maturation on nuclear maturation, viability of cumulus cells, oocyte transcript amount, preimplantation development and blastocyst apoptosis. Four experimental groups were designed: G1 (10% estrus cow serum [ECS] with 20% O2); G2 (0.1% polyvinyl alcohol [PVA] with 20% O2), G3 (10% ECS with 5% O2) e G4 (0.1% PVA with 5% O2). Proportion of metaphase II oocytes, viability of cumulus cells, blastocyst rates and the total cell number were not affected (P>0.05) when the ECS was replaced by PVA under 5% O2, whereas higher (P0.05) were found in nuclear maturation, viability of cumulus cells and blastocyst rate. Differences (P0,05) quando o soro foi substituído por PVA em 5% de O2, enquanto a taxa de blastocistos e número total de células foi maior (P0,05) na taxa de maturação, viabilidade das células do cumulus e de blastocistos. Foram encontradas diferenças (P<0,05) na quantidade de transcritos específicos em oócitos maturados sobre as diferentes condições. Conclui-se que a presença de soro durante a maturação é importante para o desenvolvimento embrionário em tensão de 20% de O2, e a suplementação com PVA em 5% de O2 fornece o melhor ambiente de maturação para os oócitos, resultando em blastocistos com baixo índice apoptótico.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio

Avaliação da toxicidade de nanomateriais em diferentes modelos biológicos e aplicações na transfecção gênica

Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and cotton cellulose nanofibers (CNFs) are interesting nanomaterials (NMs) which possess great potential for applications in various fields such as in water treatment, reinforcement materials, tissue engineering and therapeutic molecule delivery. In particular, MWCNT have emerged as a new method for gene delivery and they can be an alternative for cell and embryos transfection. However, while engineered NMs provide great benefits, we know very little about the potential effects on human health and the environment. Thus, the objectives of this study were to evaluate the potential toxicity of MWCNT and CNF in various biological model organisms (bovine fibroblast and embryo, and green microalgaes) and whether MWCNT is able to deliver exogenous DNA molecules into bovine fibroblast and embryos. In experiment 1, we evaluated in vitro the effects of NMs on bovine fibroblast viability and morphology. The results showed that low concentrations of CNF (0.02-100μg ml-1) did not cause viability loss (P>0.05) or change in cell morphology. However, at concentrations above 200μg ml-1, NFC significantly decreased cell viability (P<0.05) and changes in cell shape. Fibroblasts exposed at concentrations above 100μg ml-1 MWCNT-COOH exhibited a reduced cell viability (P<0.05) and their cell morphology was altered. In experiment 2, we examined gene expression, apoptosis response and developmental rates of in vitro produced bovine embryos that were exposed to NMs. There was no difference (P > 0.05) in the hatching, degeneration and apoptosis rate among the control, MWCNT-COOH or cotton CNF- exposed embryos. In contrast, in embryos exposed at 0.2 μg ml-1 MWCNT-COOH showed relatively higher levels (P<0.05) of the genes associated with totipotency, differentiation and response to stress. In experiment 3, we analyzed the cytotoxic response of C. vulgaris and K. flaccidum cells (green microalgae) to NMs by investigating the zeta potential, trypan blue exclusion assay, photosynthetic activity, superoxide dismutase activity, quantification of ATP levels and microscopic investigations. NMs decreased viability, photosynthetic activity and ATP levels of microalgaes cells, depending on concentration and time. Addition of NMs further induced an increase of superoxide dismutase activity and ultrastructural damage cell. In experiment 4, we have used plasmid DNA of green fluorescent protein (pGFP) in combination with MWCNT-COOH to transfect bovine fibroblast and embryos. Detection of GFP accumulation by fluorescence microscopy examination revealed that this gene was expressed in the fibroblast and the embryo (2 to 8-cell stage). However, the expression GFP was not observed in blastocyst stage. The PCR result confirmed the presence of the pGFP gene in the transfected cells (3.30% GFP+) and embryos of 2-8–cell stage (46.67% GFP+). In conclusion, under the conditions tested, the exposures to MWCNTs or CNFs in low concentrations are not toxic to bovine fibroblast cells. However, these NMs have toxic effects in green microalgaes. Especially, this work showed that MWCNT-COOH-transfection of embryo could be a simple and suitable method to introduce foreign genes in embryos and perhaps could be also useful to generate transgenic animals.Os nanotubos de carbono multicamadas (MWCNT) e as nanofibras de celulose (NFCs) são interessantes nanomateriais (NMs) que possuem grande potencial de aplicação em áreas como tratamento de água, reforço de materiais, engenharia tecidual e entrega de moléculas terapêuticas. Em especial, os MWCNT são promissores vetores de DNA em células e embriões de mamíferos. Porém, o desenvolvimento desta área está relacionado à padronização de sistemas para avaliar o potencial impacto dos NMs na saúde humana e ambiental. O objetivo geral deste estudo foi avaliar a toxicidade de MWCNT e NFC em diferentes modelos biológicos (fibroblastos e embriões bovinos; microalgas) e o potencial de carreamento gênico de MWCNT-COOH em fibroblastos e embriões bovinos. No experimento 1, foi avaliada a viabilidade e a morfologia dos fibroblastos cultivados in vitro expostos às NFCs e aos MWCNT-COOHs. Os resultados deste experimento revelaram que em baixas concentrações (0,02-100μg ml-1) as NFC não foram citotóxicas (P = 0,06). Porém, concentrações acima de 200 μg ml-1 NFC diminuíram a viabilidade celular e causaram mudanças na morfologia das células. Para os MWCNT-COOH, a exposição dos fibroblastos a 100μg ml-1 reduziram a viabilidade (P= 0,001) e alteram a morfologia celular. No experimento 2, foram analisados os efeitos desses NMs no desenvolvimento, expressão gênica e apoptose in situ de embriões bovinos produzidos in vitro. Neste ensaio, os NMs não influenciaram o desenvolvimento (P=0,24) e o índice de apoptose embrionária (P=0,82). Contudo, os MWCNT-COOH alteraram a expressão de genes (P=0,02) relacionados à totipotência, diferenciação e estresse celular de forma mais acentuada quando comparada às NFCs. No experimento 3, o potencial ecotóxico das NFCs e dos MWCNTs foi estudado em microalgas Chlorella vulgaris e Klebsormidium flaccidum mediante análise de Potencial Zeta, viabilidade celular, atividade fotossintética e de enzimas antioxidativas, quantificação dos níveis de ATP e microscopia eletrônica. Os resultados revelaram que os MWCNTs e as NFCs afetaram a viabilidade (P<0,001), a fotossíntese (P<0,05), a atividade de enzimas antioxidativas (P<0,05), os níveis de ATP (P<0,05) e a morfologia celular das microalgas em concentrações, tempos e sistemas de cultura específicos. No experimento 4, os fibroblastos e embriões bovinos foram transfectados com MWCNT-COOH complexados ao plasmídeo contendo o gene que codifica a proteína verde fluorescente (pGFP). As análises de microscopia de fluorescência detectaram que o gene GFP foi expresso nas células e nos embriões no estágio inicial de desenvolvimento (2 a 8 células). Entretanto, a expressão de GFP não foi observada no estágio de blastocisto. A análise por PCR confirmou a presença do gene GFP nos fibroblastos (3,30% GFP+) e embriões de 2-8–células (46,67% GFP+). Em conclusão, nas condições testadas, a exposição de fibroblastos a baixas concentrações de MWCNT-COOH ou NFC não causaram impacto na viabilidade e morfologia celular. Entretanto, os MWCNTs e as NFCs foram citotóxicas para as microalgas estudadas. O uso de MWCNT-COOH como vetor de DNA em embriões bovinos mostrou-se promissora, o que abre possibilidades de geração de animais transgênicos por este método.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio

Compatibility and cytotoxicity of poly(ε-caprolactone)/polypyrrole-block-poly(ε-caprolactone) blend films in fibroblast bovine cells

Abstract Polymer blends, derived from the combination of two or more polymers, yield novel materials with properties distinct from that of the original polymers. These materials have garnered interest in the medical field. However, for such applications the biocompatibility of the material must be evaluated. In this study, we prepared polymer blends from poly(ε-caprolactone) (PCL) and polypyrrole-block-poly(caprolactone) (PPy-b-PCL) using the casting method. The observed compatibility resulted from specific interactions between the carboxylic group of PCL and the amine group of PPy-b-PCL, as well as between the pyrrole ring of PPy-b-PCL and the CH2 group of PCL. Micro-Raman imaging revealed homogeneity in surface morphology, whereas thermogravimetric analysis indicated that the formation of polymer blends enhances the material’s thermal stability. Importantly, the results demonstrated that the addition of PPy-b-PCL does not affect the cytotoxicity to bovine fibroblasts, suggesting their biocompatibility and potential application in cattle veterinary devices