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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Instituto de Química DÊNIO EMANUEL PIRES SOUTO ESTUDO DA IMOBILIZAÇÃO DE ANTÍGENOS DE LEISHMANIA INFANTUM SOBRE PLATAFORMAS ORGANIZADAS EMPREGANDO SPR E QCM PARA DETECÇÃO DE ANTICORPOS ESPECÍFICOS DA LEISHMANIOSE VISCERAL CAMPINAS 2016

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

Instituto de Química

DÊNIO EMANUEL PIRES SOUTO

ESTUDO DA IMOBILIZAÇÃO DE ANTÍGENOS DE LEISHMANIA INFANTUM

SOBRE PLATAFORMAS ORGANIZADAS EMPREGANDO SPR E QCM PARA

DETECÇÃO DE ANTICORPOS ESPECÍFICOS DA

LEISHMANIOSE VISCERAL

CAMPINAS

2016

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DÊNIO EMANUEL PIRES SOUTO

ESTUDO DA IMOBILIZAÇÃO DE ANTÍGENOS DE LEISHMANIA INFANTUM

SOBRE PLATAFORMAS ORGANIZADAS EMPREGANDO SPR E QCM PARA

DETECÇÃO DE ANTICORPOS ESPECÍFICOS DA

LEISHMANIOSE VISCERAL

Tese de Doutorado apresentada ao Instituto de

Química da Universidade Estadual de Campinas

como parte dos requisitos exigidos para a obtenção

do título de Doutor em Ciências

Orientador: Prof. Dr. Lauro Tatsuo Kubota

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA

PELO ALUNO DÊNIO EMANUEL PIRES SOUTO, E ORIENTADA PELO PROF.

DR. LAURO TATSUO KUBOTA

CAMPINAS

2016

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“Para não arrefecerdes, imaginai que podeis vir a saber

tudo; para não presumirdes, refleti que, por muito que

souberdes, mui pouco tereis chegado a saber”.

Rui Barbosa

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Dedico este trabalho

À duas grandes mulheres da minha vida:

À minha Mãe (Stela Pires) por não ter medido esforços para, com muita luta,

vencer as dificuldades encontradas em nosso caminho. Com toda certeza,

você Mãe é a maior merecedora pela concretização deste sonho.

À minha tão amada Avó Judith (in memoriam), a qual nos ensinou como

conduzir o amor e generosidade às pessoas que nos cercam.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus por iluminar meu caminho até este tão sonhado objetivo.

À minha Mãe Stela Pires, a qual sinonimizo como uma “verdadeira guerreira” por ter abdicado

muito de sua própria vida para buscar sempre o melhor para seus filhos. Sem dúvidas, ela é a

maior responsável pela realização desta tese de doutorado.

Ao meu Pai Hildebrando Souto pelas orações, energias positivas e incontáveis conselhos

espirituosos doados a mim em momentos tão difíceis. Um Ser iluminado que me orgulho muito!

Ao meu grande amor Carolinna Barbosa Guimarães, uma pessoa maravilhosa que Deus colocou

em minha vida! Obrigado por toda amizade, carinho, companheirismo e amor concedidos

durante essa fase tão essencial.

Em especial, agradeço ao Prof. Dr. Lauro Kubota, não somente pela excelente orientação em

termos científicos, mas também pela confiança, paciência e pelas palavras de incentivo em

momentos tão necessários. Com certeza, nossas conversas foram fundamentais para meu

crescimento profissional e pessoal, muito obrigado.

Ao José Tiago C. Barragan, um grande amigo e irmão que ganhei nessa jornada. Obrigado por

todos os conselhos e, principalmente, por influenciar-me com seu caráter tão humano!

Agradeço ao amigo Glauco Pilon, generosidade em pessoa, pela amizade sincera e pelo apoio

doado através de longas e produtivas conversas durante o período.

Aos amigos do LEEDS: Murilo Santhiago, Everson Tiago, Fernando Leite, Ronaldo e Cecília.

Em especial à Rúbia Pelli pelo auxílio à pesquisa e, principalmente, por todo incentivo pessoal,

uma pessoa muito importante em nosso grupo! E à Maiui Camargo pela excelente ajuda em

relação ao inglês.

Aos meus tão amados sobrinhos Samuel Souto e Matheus Souto pela energia positiva

transmitida através do amor de vocês, imensurável fonte de inspiração!

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Agradeço aos meus irmãos (Diego Emanuel e Luana Souto) e cunhados (Dalva Ferreira e Carlos

Vagner) pelo amor e carinho de sempre.

Aos meus irmãos de coração Macel Rocha, Gleidson Rocha e Antônio Carlos (Bob) por

mostrarem sempre o sentido verdadeiro da amizade, grande estímulo nessa caminhada!

À Profa. Dra. Hélida Monteiro de Andrade e à Pesquisadora Dra. Angélica Rosa Faria pelas

amostras biológicas gentilmente fornecidas.

À Profa. Dra. Cátia Ornelas, pela colaboração, generosidade e ensinamentos fundamentais

sobre síntese orgânica. Aprendi muito durante minha passagem pelo laboratório de orgânica,

contribuindo significativamente para minha formação e para o enriquecimento desta tese.

Aos colegas Tiago Becher e Diego Bertuzzi pelo acompanhamento e apoio, os quais foram

imprescindíveis durante as etapas de síntese orgânica realizadas neste trabalho.

Agradeço imensamente aos meus sogros Luciana M. B. Guimarães e José G. Canuto, sempre

muito interessados e incentivadores da caminhada que percorri durante o doutoramento.

Obrigado pela confiança e por me acolherem de forma tão carinhosa na família!

À Eny da Penha, uma Vovó muito especial que ganhei durante esse período! É muito

gratificante receber o carinho e a energia ímpar transmitidos através da sua jovialidade!

Agradeço aos amigos Víctor Hugo e Juliana de Almeida pela consideração e apoio durante o

doutorado.

Ao Prof. Dr. Flávio Damos, por todo conhecimento repassado durante o mestrado, fator de

suma importância para a execução das atividades deste doutorado.

Aos órgãos de fomento FAPESP, principalmente pela bolsa de pesquisa concedida (Processo

2012/24493-3) e ao INCT Bioanalítica.

E a todos aqueles que contribuíram, direta ou indiretamente, para a realização desta tese.

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RESUMO

A leishmaniose é referida pela organização mundial da saúde como uma das principais doenças

parasitárias, acometendo cerca de 2 milhões de pessoas anualmente em 98 países diferentes. A

leishmaniose visceral (LV) é a forma mais grave e devido às limitações dos ensaios

convencionais (ELISA, por exemplo) utilizados para seu diagnóstico, grandes motivações estão

voltadas ao desenvolvimento de novas metodologias para detecção dessa parasitose. No

presente trabalho, as técnicas de ressonância de plásmons de superfície (SPR) e microbalança

de cristal de quartzo (QCM) foram utilizadas no desenvolvimento de imunossensores para

detecção de anticorpos específicos da LV. Em relação à etapa de funcionalização de superfícies

metálicas durante a construção dos biossensores, maior eficiência foi observada através de

plataformas multivalentes formadas por dendrímeros ou dendrons combinados ou não a

monocamadas auto-organizadas (SAMs) de alcanotióis. Nesta etapa, destaca-se a síntese

orgânica de um dendron inédito do tipo HS-dendron-(PEG-COOH)9. Em relação à

caracterização dos biossensores, enfatiza-se uma abordagem particularmente adotada pelo

nosso grupo, através da qual foi possível mediante curvas de refletância de SPR obtidas em

diferentes comprimentos de onda (670 e 785 nm) determinar simultaneamente a espessura (4,64

nm) e o índice de refração (1,475) de uma proteína recombinante quimérica imobilizada sobre

o substrato sensor. Através de estudos cinéticos, foi possível mensurar o potencial antigênico

de novas proteínas de L. infantum, verificando elevada afinidade de ligação de duas proteínas

(KD = 8,27 x 10-10 mol L-1 para a proteína quimérica recombinante (CP10); e KD1 x KD2 =

1,64x10-7 mol L-1 para a proteína recombinante hipotética C1) frente a anticorpos específicos

da LV. Tais resultados, somados à capacidade de detecção de casos assintomáticos (> 80%)

observados nos ensaios de ELISA, evidenciaram a viabilidade de aplicação dessas proteínas no

imunodiagnóstico da LV. Análises com amostras reais (soros caninos) apontaram vantagens

dos biossensores de SPR e QCM em relação aos testes convencionais, tais como, maior

sensibilidade, especificidade, rapidez e a não necessidade de marcação. Portanto, os resultados

obtidos neste trabalho de tese são substanciais para contribuição significativa no diagnóstico e

programas de controle da LV.

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ABSTRACT

Leishmaniasis is referred to by the world health organization as one of the main parasitical

diseases, affecting approximately 2 million people annually in 98 different countries. The

visceral leishmaniasis (VL) is the most serious form of the disease and due to the limitations of

the conventional assays (ELISA, for example) used for its diagnosis, high motivations are

turned to the development of new methodologies for the detection of this parasitosis. In this

current work, the techniques of surface plasmon resonance (SPR) and quartz crystal

microbalance (QCM) were used in the development of immunosensors for the detection of

specific antibodies of VL. Regarding the step of functionalization of metallic surfaces during

the construction of the biosensors, a higher efficiency was observed through multivalent

platforms formed by dendrimers or dendrons combined or not to self-assembled monolayers

(SAMs) of alkanethiols. In this step, emphasis is given to the organic synthesis of an

unprecedented dendron of the type HS-dendron-(PEG-COOH)9. With respect to the

characterization of the biosensors, an approach adopted particularly by our group is highlighted,

by which it was possible, using reflectance curves of SPR obtained at different wavelengths

(670 and 785 nm), to determine simultaneously the thickness (4,64 nm) and the refractive index

(1,475) of a recombinant chimeric protein immobilized on the sensor substrate. Through kinetic

studies, it was possible to measure the antigenic potential of new proteins of L. infantum,

verifying high bonding affinity of two proteins (KD = 8,27 x 10-10 mol L-1 for the recombinant

chimeric protein (CP10); and KD1 x KD2 = 1,64x10-7 mol L-1 for the recombinant chimeric

protein C1) towards specific antibodies of the VL. Such results, added to the capacity of

detection of asymptomatic cases (> 80%) observed in the ELISA assays, gave evidence to the

viability of the application of these proteins in the immunodiagnostics of the VL. Analyses with

real samples (canine serums) pointed out advantages of the SPR and QCM biosensors when

compared to conventional tests, such as higher sensitivity, specificity, speed and the fact that

marking is not necessary. Therefore, the results obtained in this thesis work are substantial for

significant contribution in the diagnosis and control programs of VL.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1. Curva de dispersão para os plásmons de superfície numa interface ar/ouro (curva em

azul). Relação de dispersão para a radiação eletromagnética propagando no ar (curva em verde)

e num prisma (curva em vermelho). ......................................................................................... 32

Figura 2. Fenômeno da reflexão interna total atenuada empregada nas configurações de Otto

(A) e de Kretschm (B). Na configuração de Otto, a camada dielétrica é colocada entre o prisma

e o metal. Na configuração de Kretschm, o filme metálico é inserido diretamente sobre o prisma

e os plásmons são excitados na interface externa. .................................................................... 33

Figura 3. Principais acopladores utilizados para construção de sensores de SPR: (A) prisma;

(B) grades de difração; (C) fibra óptica (guia de onda); (D) cristal fotônico (guia de onda planar

à esquerda e CF microestruturado à direita). Essas Figuras foram adaptadas de: Roh et al 56

(Figura A), DiPippo et al 57 (Figura B), e Tokel et al 45 (Figuras C e D). ................................ 35

Figura 4. Fotografia do equipamento de SPR, unidade óptica e substrato de SPR. ................. 38

Figura 5. Desenho esquemático ilustrando: (A) sensor de SPR com modulação angular baseado

na configuração de Kretschm; (B) curvas de refletância na ausência (θSPR1) e presença (θSPR2)

de espécies na superfície do filme metálico; (C) sensorgrama (ΔθSPR em função do tempo)

evidenciando interação de biomoléculas sobre superfície do metal. ........................................ 39

Figura 6. Representação esquemática de um sistema genérico empregado para produzir

oscilação mecânica e medir a frequência de oscilação do cristal piezoelétrico. Constituintes

básicos: cristal piezoelétrico inserido no interior da célula de fluxo, circuito oscilador,

frequencímetro e um computador pessoal. ............................................................................... 42

Figura 7. Representação esquemática da resposta característica observada em um sensor

baseado em QCM, evidenciando que a interação biomolecular é acompanhada pela diminuição

da frequência de oscilação do cristal de quartzo (f). ................................................................ 43

Figura 8. Fotografia do cristal de quartzo recoberto com uma camada nanométrica de ouro

sendo inserido no interior da célula (A); e acoplamento do sistema (célula e cristal) ao circuito

oscilador (B). ............................................................................................................................ 44

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Figura 9. Desenho esquemático de um biossensor, ilustrando: (I) interação de analitos com

biomoléculas de reconhecimento imobilizadas sobre superfície de ouro funcionalizada; (II)

respostas acompanhadas em tempo real das interações pelos biossensores de SPR e QCM; (III)

parâmetros cinéticos e termodinâmicos medidos através dos resultados obtidos pelos

biossensores. ............................................................................................................................. 45

Figura 10. SAM do 11-MUA no seu estado final organizada (Au-RSH*). ............................. 47

Figura 11. Representação estrutural de dendrímero (A) e dendron (B). .................................. 48

Figura 12. Estrutura química de um dendrímero PAMAM de geração 3 (G3) com núcleo

diamino e 32 grupos amino-terminais. Cada parte da molécula representada por uma cor é

referente a cada geração: zero (G0), um (G1), dois (G2) e três (G3). ...................................... 50

Figura 13. Desenho esquemático ilustrando as etapas envolvidas na tecnologia do DNA

recombinante para síntese de proteínas: (I) extração do DNA e amplificação pela PCR; (II)

obtenção do gene de interesse após clivagem pelas enzimas de restrição; (III) clivagem do

plasmídeo bacteriano pelas mesmas endonucleases; (IV) uso da DNA ligase para síntese do

DNA recombinante; (V) introdução do DNA recombinante na bactéria; (VI) inserção da

bactéria em meio de cultura. ..................................................................................................... 53

Figura 14. (A) Fotografia do MP-SPR; (B) Substrato utilizado nas análises (filme de Au); (C)

Inserção do substrato no equipamento. .................................................................................... 59

Figura 15. Etapas envolvidas na construção e avaliação dos imunossensores: (I) formação da

SAM pela adsorção de 11-MUA sobre superfície do ouro; (II) imobilização da CP10 sobre a

SAM previamente ativada; (III) adição de etanolamina para bloqueio dos grupos reativos

remanescentes; (IV) interação das IgGs anti-CP10 com a CP10. ............................................ 63

Figura 16. A) Gel de poliacrilamida (12%) (SDS-PAGE) corado com Coomassie. Frações

solúveis (S) e insolúveis (IS) da cultura bacteriana que comprovam a banda relacionada para a

CP10 (21,4 kDa). B) Gel de poliacrilamida (12%) corado com Coomassie, I: pré-purificação

por coluna de afinidade, II-VI: fracções da purificação. C) Membrana de nitrocelulose após

Western blotting usando anti-histidina, VII: pré-purificação por coluna de afinidade, VIII:

fracção da purificação. MW: peso molecular em kDa. ............................................................ 65

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Figura 17. (A) Sensorgramas relacionando as respostas obtidas para a adição de diferentes

concentrações da CP10 (2,32 a 934 nmol L-1). (B) Curvas de refletância obtidas sobre SAM

previamente ativada (curva em preto), após imobilização da CP10 (467 nmol L-1 ou 10 µg mL-

1, curva em vermelho) e após lavagem com HBS-EP, pH 7,4 (curva em verde). (C) Resposta

obtida pela QCM para a imobilização da CP10 (467 nmol L-1) sobre a SAM. ........................ 67

Figura 18. (A) Curvas de refletância medidas em 785 nm (curvas em preto) e 670 nm (curvas

em vermelho) para a superfície não modificada (Au) e após a formação ex situ de CP10/SAM

sobre superfície de ouro. (B) Gráfico n versus d obtido para CP10/SAM/Au em ambos os

comprimentos de onda apresentadas na Figura 18, curva em verde é a curva em 670 nm

deslocada. A interseção ocorre em d (6,80 ± 0,01) nm e n (1,475 ± 0,0001). .......................... 70

Figura 19. Diagrama de Nyquist (Z'' versus Z') obtido em solução aquosa de Fe(CN)6-3/-4 (1,0

mmol L-1) na presença de KCl (0,1 mol L-1). As curvas indicam a reação da sonda sobre

superfície de ouro não modificada (curva em azul), modificada com 11 MUA (curva em preto),

CP10/SAM (curva em vermelho) e com anti-CP10/CP10/SAM (curva em verde). Para essas

medidas, utilizou-se potencial de circuito aberto, uma amplitude de 10 mV e uma faixa de

frequência de 0,1 a 105 Hz. Inserção: circuito equivalente aplicado para modelar os dados dos

espectros de impedância na presença da sonda redox. ............................................................. 72

Figura 20. Curvas de SPR (A) e QCM (C) evidenciando as etapas de associação e dissociação

para a adição de diferentes concentrações dos anticorpos anti-CP10 (10,1; 20,2; 40,5; 81,0 e

162 nmo L-1) sobre CP10 imobilizada sobre SAM/Au. Figuras (B) e (D): curvas analíticas

obtidas pelo logaritmo da variação efetiva em função do logaritmo da concentração de

anticorpos para as respostas dos imunossensores de SPR (B) e QCM (D). ............................. 74

Figura 21. Etapas envolvidas na construção e avaliação do imunossensor de SPR. (I) Formação

de CYS-SAM sobre ouro; (II) Formação de PAMAM(G4)/CYS-SAM; (III) Imobilização da

proteína C1; (IV) Bloqueio dos grupos reativos inespecíficos; (V) interação entre IgGs anti-C1

e proteína C1. ............................................................................................................................ 84

Figura 22. Sensorgramas relacionando a ΔθSPR efetiva obtida para adição das diferentes

concentrações da proteína recombinante C1. Imobilização da proteína sobre CYS–SAM (A) e

sobre PAMAM(G4)-SAM (C). Figuras (B) e (D): relação linear entre a concentração da

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proteína e a ΔθSPR efetiva para os resultados evidenciados pelas Figuras (A) e (B),

respectivamente. ....................................................................................................................... 85

Figura 23. Voltamogramas cíclicos (A) e diagrama de Nyquist (Z'' versus Z') (B), obtidos em

solução aquosa de Fe(CN)6 4-/3- (1,0 mmol L-1) na presença de KCI 0,1 mol L-1. As curvas

(Figuras A e B), evidenciam a reação da sonda sobre superfície de ouro não modificada (curvas

em preto), modificada com CYS-SAM (curvas em vermelho), PAMAM(G4)-SAM (curvas em

verde) e com antígeno-PAMAM(G4)-SAM (curvas em azul). Os voltamogramas (Figura 23A)

foram realizados a uma velocidade de varredura de 20 mV s-1. A Figura inserida (Figura 23B)

representa o circuito equivalente aplicado para modelar os dados de impedância na presença da

sonda redox. .............................................................................................................................. 87

Figura 24. (A) Sensorgrama ilustrando as fases de associação e dissociação após a adição de

diferentes concentrações dos anticorpos anti-C1 (9,70 a 155 nmol L-1) sobre a proteína C1 (1,96

µmol L-1 ou 80 µg mL-1) imobilizada sobre PAMAM(G4)/SAM/Au. (B) Curva analítica

evidenciando a faixa linear de resposta (9,70 a 51,8 nmol L-1). ............................................... 90

Figura 25. Gráfico construído a partir da derivada do ângulo de ressonância com o tempo

(dΔθSPR/dt) em função do ângulo de ressonância (ΔθSPR), obtido a partir das curvas de

associação e dissociação ilustradas na Figura 24A. ................................................................. 92

Figura 26. (A) Sensorgrama evidenciando as etapas de associação e dissociação para a adição

de soros caninos positivos em diferentes diluições (v/v) (1:50, 1: 100, 1: 200, 1: 400, 1: 800, 1:

1600, 1: 3200, 1: 6400 e 1: 12800). (B) Curva analítica obtida do logaritmo da ΔθSPR efetiva

em função do fator de diluição do soro positivo. (C) Representação pelo gráfico de barras dos

valores da ΔθSPR efetiva após injeção de diferentes diluições dos soros caninos positivos e

negativos para a LVC. .............................................................................................................. 97

Figura 27. Esquema evidenciando as etapas envolvidas para síntese de HS-dendron-(PEG-

COOH)9 - composto (18). ....................................................................................................... 104

Figura 28. (A) Curvas de SPR ilustrando as etapas envolvidas na interação in situ de duas

diferentes concentrações do dendron (18) (1,0 e 0,75 mmol L-1) com a superfície de ouro. (B)

Curvas de refletância de SPR obtidas em cada etapa durante adsorção do dendron (1,0 mmol L-

1). ............................................................................................................................................ 116

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Figura 29. Curvas de SPR ilustrando a imobilização de diferentes proteínas: IgG (A), Gal-3 (B),

CRP (C) e K39 (D) sobre o dendron (18) previamente ativado via EDC/NHS. .................... 117

Figura 30. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 500 MHz) do composto (2). ............................ 135

Figura 31. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 600MHz) do composto (3). ............................. 136

Figura 32. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250MHz) do composto (4). ............................. 137

Figura 33. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250MHz) do composto (5). Os picos 5,29 ppm,

2,96 ppm e 2,88 ppm são referentes a traços de CH2Cl2 e DMF............................................ 138

Figura 34. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 600MHz) do composto (6). O pico 5,29 ppm é

referente a traços de CH2Cl2. .................................................................................................. 139

Figura 35. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (7). ............................ 140

Figura 36. (A) Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (8). (B) Espectro de

RMN de 13C (CDCl3, 500 MHz) do composto (8), o pico em 77,16 ppm refere ao CDCl3. .. 141

Figura 37. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (10). .......................... 142

Figura 38. Espectro de RMN de 1H (CD3OH, 250 MHz) do composto (11). Os picos 3,31 ppm

e 4,88 ppm são referentes a traços de CH3OH e H2O, respectivamente................................. 143

Figura 39. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (12). .......................... 144

Figura 40. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (13). .......................... 145

Figura 41. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (14). .......................... 146

Figura 42. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (15). .......................... 147

Figura 43. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (16). .......................... 148

Figura 44. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (17). .......................... 149

Figura 45. Espectro de RMN de 1H (MeOD, 250 MHz) do composto (18). .......................... 150

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Desenho do gene sintético da CP10.......................................................................... 60

Tabela 2. Parâmetros cinéticos obtidos pelas técnicas de SPR e QCM ................................... 75

Tabela 3. Sequências de aminoácidos e nucleotídeos da proteína C1 - gi|146094146|ref|XP_

001467184.1| hypothetical protein [Leishmania infantum JPCM5]. ....................................... 80

Tabela 4. Parâmetros cinéticos obtidos a partir das curvas de SPR. ........................................ 96

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

11-MUA ácido 11-mercaptoundecanóico 13C RMN ressonância magnética nuclear de carbono 1H RMN ressonância magnética nuclear de hidrogênio

AFM microscopia de força atômica

anti-C1 anticorpo do antígeno C1

anti-CP10 anticorpo do antígeno CP10

BS3 bis (sulfosuccinimidyl) suberate

CF cristal fotônico

CP10 proteína quimérica recombinante

CPE elemento de fase constante

CRP proteína C reativa

CYS cisteamina

DIPEA N,N-diisopropiletilamina

DME dimetoxietano

DMF dimetilformamida

EA etanolamina

EDC hidrocloreto de N-(3-dimetilaminopropil)-N-etilcarbodiimida

EIS espectroscopia de impedância eletroquímica

ELISA ensaio imunoadsorvente ligado à enzima

G0 geração zero

G1 geração um

G2 geração dois

G3 geração três

Gal-3 galectina-3

GLU glutaraldeído

HBS-EP solução tampão

Hepes 4 - (2 - hidroxietil) piperazina-1-etanossulfônico

His histidina

IFAT teste de anticorpo de imunofluorescência indireta

IgG imunoglobulina G

IPTG isopropil-β-D-tiogalactopiranosídeo

LMC leishmaniose mucocutânea

LOD limite de detecção

LOQ limite de quantificação

LT leishmaniose tegumentar

LV leishmaniose visceral

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LVC leishmaniose visceral canina

MP-SPR ressonância de plásmons de superfície multiparamétrica

NCBI Centro Nacional de Informações Biotecnológicas

NHS N-hidroxissuccinimida

OPS onda de plásmons de superfície

PAMAM poliamidoamina

PBS tampão fosfato salino

PCR reação em cadeia da polimerase

pET-28a vetor de expressão

pET9a24a vetor de expressão

Proteína C1 proteína recombinante hipotética ou antígeno C1

PS plásmons de superfície

QCM microbalança de cristal de quartzo

QIAamp quite para extração de DNA

r2 chi2

rA2 antígeno da classe das proteínas com função desconhecida

rHSP70 antígeno da classe das proteínas do choque térmico

rK26 antígeno da classe das cinesinas

rK39 antígeno da classe das cinesinas

rLACK antígeno da classe das enzimas

RTA reflexão total atenuada

SAMs monocamadas auto-organizadas

SPR ressonância de plásmons de superfície

SPRi ressonância de plásmons de superfície de imagem

THF tetraidrofurano

tween 20 surfactante P20

VC voltametria cíclica

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LISTA DE SÍMBOLOS

[𝐵]0 concentração inicial do anticorpo

∆𝑚 variação de massa depositada sobre o cristal piezoelétrico

ⱪ𝑥 vetor de onda da luz incidente

𝐾𝐸𝑇o

constante aparente da velocidade heterogênea à transferência de elétrons

𝑘𝑎 constante cinética de associação

𝑘𝑑 constante cinética de dissociação

𝑘𝑡 constante de rearranjo molecular

𝜌𝑐 densidade do cristal piezoelétrico

𝜖1 parte real da constante dielétrica do prisma

[A] concentração de moléculas do antígeno C1

[AB] concentração do complexo antígeno C1 – anticorpo anti-C1

[B] concentração de moléculas do anticorpo anti-C1

∆𝑓 variação da frequência de ressonância do cristal piezoelétrico

µ módulo de cisalhamento do cristal

ABB complexo antígeno C1 – anticorpo anti-C1 formado por interação bivalente

C concentração molar

c velocidade da luz no vácuo

d espessura do filme

dn/dλ relação de correlação dos valores de n e λ

F constante de Faraday

Ia corrente de pico anódica

Ic corrente de pico catódica

ka1 constante cinética de associação para a primeira etapa de reação

ka2 constante cinética de associação para a segunda etapa de reação

KD constante de equilíbrio de dissociação

kd1 constante cinética de dissociação para a primeira etapa de reação

KD1 constante de equilíbrio de dissociação para a primeira etapa de reação

kd2 constante cinética de dissociação para a segunda etapa de reação

KD2 constante de equilíbrio de dissociação para a segunda etapa de reação

n índice de refração

n número de elétrons envolvidos na reação

R coeficiente de correlação

Rct resistência à transferência de carga

Rs resistência ôhmica da solução de eletrólito

RW impedância de Warburg

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v velocidade de varredura

Z ' componente real originada da resistência e capacitância da célula

Z " componente imaginária originada da resistência e capacitância da célula

βPS vetor de onda dos plásmons de superfície

ΔE intervalo de potencial

ΔθSPR variações do ângulo de SPR

ΔθSPR1 variação do ângulo de SPR observada na primeira etapa de reação

ΔθSPR2 variação do ângulo de SPR observada na segunda etapa de reação

ΔθSPRmax sinal máximo obtido nas medidas de SPR

ϵa parte real da constante dielétrica do ambiente

ϵr parte real da constante dielétrica do metal

θ ângulo de incidência da luz

θSPR ângulo de SPR

λ comprimento de onda da luz no vácuo

ω frequência angular da luz

𝐴 área geométrica

𝐴𝑢 superfície do metal (sítio de adsorção)

𝐴𝑢 − 𝑅𝑆𝐻 monocamada desorganizada

𝐴𝑢 − 𝑅𝑆𝐻* monocamada organizada

𝑅 constante dos gases

𝑅𝑆𝐻 alcanotiol

𝑓o frequência de ressonância inicial

𝑡 tempo de interação

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 25

2. OBJETIVOS...................................................................................................................... 29

3 REVISÃO DA LITERATURA ......................................................................................... 31

3.1. RESSONÂNCIA DE PLÁSMONS DE SUPERFÍCIE – SPR ...................................... 31

3.1.1. Plásmons de superfície ............................................................................................... 31

3.1.2. Sensores ópticos baseados em SPR ........................................................................... 34

3.1.3. Equipamento de SPR ................................................................................................. 37

3.2. MICROBALANÇA DE CRISTAL DE QUARTZO – QCM ....................................... 41

3.2.1. Piezoeletricidade ........................................................................................................ 41

3.2.2. Princípio básico de operação de um sensor baseado em QCM ................................. 41

3.2.3. Instrumentação - QCM .............................................................................................. 44

3.3. BIOSSENSORES BASEADOS EM SPR E QCM ....................................................... 45

3.3.1. Monocamadas auto-organizadas – SAMs .................................................................. 46

3.3.2. Dendrímeros e dendrons ............................................................................................ 48

3.4. LEISHMANIOSE VISCERAL ..................................................................................... 51

3.4.1. Proteínas recombinantes ............................................................................................ 53

4. USANDO QCM E SPR PARA AVALIAÇÃO CINÉTICA DA LIGAÇÃO ENTRE

UMA NOVA PROTEÍNA QUIMÉRICA RECOMBINANTE E ANTICORPOS DA LV136 57

4.1. MOTIVAÇÃO PARA REALIZAÇÃO DESTE ESTUDO .......................................... 57

4.2. EXPERIMENTAL ........................................................................................................ 58

4.2.1. Reagentes e soluções ................................................................................................. 58

4.2.2. Instrumentação ........................................................................................................... 58

4.2.3. Proteína quimérica recombinante - CP10 .................................................................. 60

4.2.4. Produção de anticorpos específicos para a CP10 ....................................................... 62

4.2.5. Construção dos imunossensores ................................................................................ 62

4.2.6. Caracterização e avaliação cinética da interação CP10 - anti-CP10.......................... 64

4.3. RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................................. 65

4.3.1. Proteína quimérica recombinante (CP10) .................................................................. 65

4.3.2. Avaliação in situ pela SPR e QCM da imobilização da CP10 sobre a SAM ............ 66

4.3.3. Determinando simultaneamente via SPR a espessura (d) e o índice de refração (n) da

CP10 imobilizada sobre SAM/Au ............................................................................................ 69

4.3.4. Caracterização da interação antígeno-anticorpo por espectroscopia de impedância

eletroquímica ............................................................................................................................ 71

4.3.5. Uso dos imunossensores de SPR e QCM para calcular a afinidade de ligação entre

CP10 e IgGs anti-CP10 ............................................................................................................ 73

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4.4. CONCLUSÕES PARCIAIS .......................................................................................... 76

5. IMOBILIZAÇÃO SOBRE DENDRÍMERO DE UMA PROTEÍNA DE FUNÇÃO

DESCONHECIDA EM L. INFANTUM PARA ESTUDO CINÉTICO VIA SPR DA

INTERAÇÃO ANTÍGENO-ANTICORPO 146 ........................................................................ 78

5.1. MOTIVAÇÃO PARA REALIZAÇÃO DESTE ESTUDO .......................................... 78

5.2. EXPERIMENTAL ........................................................................................................ 79

5.2.1. Reagentes químicos, soluções e instrumentação ....................................................... 79

5.2.2. Proteína hipotética C1 (proteína recombinante C1 ou antígeno C1) ......................... 79

5.2.3. Produção de IgGs específicas para a proteína recombinante C1 ............................... 82

5.2.4. Soros caninos ............................................................................................................. 82

5.2.5. Construção e avaliação do imunossensor de SPR...................................................... 83

5.3. RESULTADOS E DISCUSAO ..................................................................................... 85

5.3.1. Imobilização da proteína C1 sobre CYS-SAM e PAMAM(G4)/SAM ..................... 85

5.3.2. Caracterização eletroquímica do imunossensor ......................................................... 86

5.3.3. Estudo cinético da reação entre a proteína C1 imobilizada sobre PAMAM(G4)/SAM

e suas IgGs anti-C1 ................................................................................................................... 89

5.3.4. Avaliação da imunogenicidade da proteína hipotética C1 frente a amostras reais .... 96

5.4. CONCLUSÕES PARCIAIS .......................................................................................... 99

6. SÍNTESE DE MOLÉCULA DO TIPO HS-DENDRON-(PEG-COOH)9 PARA

CONSTRUÇÃO DE UMA PLATAFORMA MULTIVALENTE INÉDITA EM

BIOSSENSORES ................................................................................................................... 101

6.1. MOTIVAÇÃO PARA REALIZAÇÃO DESTE ESTUDO ........................................ 101

6.2. EXPERIMENTAL ...................................................................................................... 102

6.2.1. Reagentes e instrumentação ..................................................................................... 102

6.2.2. Síntese do dendron de interesse - HS-DENDRON-(PEG-COOH)9 ........................ 102

6.3. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................ 115

6.4. CONCLUSÕES PARCIAIS ........................................................................................ 118

6.5. PERSPECTIVAS FUTURAS ..................................................................................... 118

7. CONSIDERAÇÕES FINAIS E PERSPECTIVAS SOBRE OS ESTUDOS

REALIZADOS NESTA TESE ............................................................................................... 121

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 124

ANEXO I ................................................................................................................................ 133

ANEXO II .............................................................................................................................. 134

ANEXO III ............................................................................................................................. 135

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ESTRUTURA TEXTUAL

A sequência textual desta obra foi apresentada da seguinte forma:

Introdução geral abordando a problemática envolvida e as alternativas defendidas nesta

tese de doutorado. Sendo esta, uma discussão fundamentalmente importante para

ciência do leitor em relação à relevância científica dos objetivos deste trabalho.

Revisão da literatura, na qual foi discorrido sobre os temas relacionados, no intuito de

oferecer embasamentos teóricos/científicos para entendimento dos estudos realizados e

contextualização do assunto frente ao seu estado da arte.

Posteriormente, com o propósito de facilitar a compreensão dos avanços obtidos no

decorrer do trabalho, os estudos foram divididos em três partes (seções 4, 5 e 6), cada

qual consistindo de uma breve descrição sobre a motivação para realização do estudo,

do procedimento experimental, resultados e discussão e conclusões.

Por fim, foram mencionadas as perspectivas futuras e as considerações finais,

enfatizando as contribuições científicas dos estudos realizados nesta tese de doutorado.

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Introdução

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1. INTRODUÇÃO

Leishmaniose é uma doença tropical causada por parasita protozoário do gênero

Leishmania. 1 Apesar de apresentar-se como uma das principais parasitoses, em que são

notificados cerca de 2 (dois) milhões de novos casos por ano em quase 100 (cem) países

diferentes, a leishmaniose é referida por pesquisadores da área como uma doença ainda

negligenciada pelos órgãos governamentais. 2,3 De acordo com as espécies de Leishmania e a

resposta imune desenvolvida pelo indivíduo infectado, a leishmaniose é dividida em diferentes

classes. 4 Dentre estas, a leishmaniose visceral (LV) é a forma mais preocupante, apresentando

elevado índice de mortalidade, principalmente para indivíduos que não tem acesso a tratamento

adequado. 5,6 De acordo com a literatura, o número de casos de LV está intimamente

relacionado à situação econômica da região. 7

Nas Américas, o agente etiológico da LV mais comumente encontrado é a espécie

Leishmania infantum, sendo a principal via de transmissão desse protozoário através da picada

de flebotomíneos do gênero Lutzomyia. 8 A LV é considerada uma zoonose nas Américas, uma

vez que os cães ou outros canídeos são os principais hospedeiros do parasita. 8,9 Portanto, o

diagnóstico eficaz da leishmaniose visceral canina (LVC) é essencial, tanto para programas de

vigilância da LV quanto para evitar o abate desnecessário de cães. 10

O diagnóstico da LV é realizado em rotinas clínicas principalmente através de

métodos sorológicos, como o ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay), devido ao fato de

a resposta humoral do indivíduo infectado apresentar elevados níveis de imunoglobulinas

específicas, além de evitarem a utilização de procedimentos invasivos. 11 No entanto, muitas

limitações ainda estão associadas a esses testes, tais como a baixa sensibilidade para detecção

de casos assintomáticos e a existência de reações cruzadas com outras doenças. 12 Sabe-se que

um dos fatores que contribui significativamente para estas limitações é a forma antigênica

utilizada nestes ensaios. 13 Neste contexto, grandes motivações para ultrapassar as limitações

dos ensaios convencionais da LV consistem no uso de técnicas alternativas para

desenvolvimento de novas metodologias de detecção da doença, assim como, na investigação

de novos antígenos (proteínas recombinantes, por exemplo) para serem empregados nos

imunoensaios. 14

Diante à problemática apresentada, pode-se destacar a passível contribuição de

biossensores baseados nas técnicas de ressonância de plásmons de superfície (SPR, do inglês

Surface Plasmon Resonance) e microbalança de cristal de quartzo (QCM, do inglês Quartz

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Crystal Microbalance) em diversos aspectos relacionados ao imunodiagnóstico da LV. 15-17 As

principais vantagens na utilização de biossensores de SPR e QCM em relação aos testes

convencionais consistem em: (1) elevada sensibilidade para avaliação da interação antígeno-

anticorpo, fator de extrema importância para detecção de casos assintomáticos da doença,

situação em que a concentração parasitária é reduzida na corrente sanguínea do indivíduo

infectado; (2) redução do número de etapas, tornando-se um método de diagnóstico mais rápido;

(3) possibilidade de regeneração da superfície do sensor, permitindo o uso de um mesmo

imunossensor para avaliação de inúmeras amostras; (4) as análises não dispendem de marcação

química e/ou biológica, possibilitando o monitoramento de interações entre biomoléculas em

tempo real. Esta última característica, particularmente, permite explorar aspectos cinéticos e

termodinâmicos acerca de eventos de interação biomolecular, 18 sendo este, um fator

fundamentalmente importante para que, através dos biossensores de SPR e QCM, seja possível

mensurar a afinidade de ligação e elucidar a cinética de reação entre novas proteínas de L.

infantum e anticorpos específicos da LV.

Uma vez discutido o potencial de aplicação dos sensores de SPR e QCM, é

importante salientar que o bom desempenho de biossensores também está intimamente

relacionado à etapa de biofuncionalização. 19 Dessa forma, uma atenção deve ser voltada à

cobertura de superfícies metálicas anteriormente à imobilização de biomoléculas, permitindo

minimizar adsorções não específicas, bem como, introduzir grupos reativos para imobilização

específica. Com este intuito, pode-se destacar a elevada eficiência de monocamadas auto-

organizadas (SAMs, do inglês Self-Assembled Monolayers) de alcanotióis e de dendrímeros e

dendrons combinados ou não com as SAMs para a etapa de funcionalização de superfícies

metálicas. 20,21

A formação de SAMs pela adsorção de tióis sobre superfície de ouro consiste em

um dos métodos mais convenientes, flexíveis e simples. 22 Além disso, uma das vantagens mais

relevante desses organizados moleculares está em sua capacidade de controlar a acessibilidade

e a orientação de moléculas ligadas, possibilitando um excelente controle a nível molecular.

22,23 Portanto, apesar de sua extensiva utilização nos últimos anos, a funcionalização de

superfícies através de SAMs de alcanotióis apresenta-se como um método bem estabelecido,

consistindo em uma das principais vias para construção de biossensores baseados em SPR e

QCM. 21

No intuito de buscar a amplificação da interface transdutora para desenvolvimento

de biossensores com sensibilidades e seletividades cada vez mais elevadas, destaca-se o uso de

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sistemas multivalentes, tais como os dendrímeros e dendrons para suporte de biomoléculas. 24

Dendrímeros e dendrons são macromoléculas monodispersas que possuem uma arquitetura

tridimensional altamente ramificada e são muito bem definidos em termos de tamanho e número

de grupos terminais. 25 Essas macromoléculas têm alcançado espaço no desenvolvimento de

uma promissora área de pesquisa científica fundamentada em suas propriedades, uma vez

possuem estruturas bem definidas com elevado controle sobre suas as dimensões e propriedades

físicas e químicas, possibilitando a construção de filmes finos com maior número e exposição

de sítios ativos para o suporte de biomoléculas. 20,24

De acordo com o exposto, é nítida a importância das técnicas de SPR e QCM e das

metodologias mencionadas para construção de biossensores, evidenciando a viabilidade de

aplicação destes sensores em aspectos diversos relacionados ao diagnóstico da LV. Neste

contexto, os estudos apresentados no presente trabalho de tese consistem, tipicamente, no

desenvolvimento de imunossensores de SPR e QCM para mensurar a afinidade de ligação e

estudar os mecanismos cinéticos da interação entre novas proteínas originárias de L. infantum

e anticorpos específicos da LV. Para a construção dos biossensores, diferentes plataformas para

imobilização das proteínas foram avaliadas, incluindo SAMs de alcanotióis combinadas ou não

com dendrímeros e dendrons. Nesta etapa, destaca-se a síntese orgânica de um dendron inédito

para construção dos biossensores. Finalmente, amostras reais de soros caninos positivos e

negativos para a LV foram utilizadas para avaliação da sensibilidade e seletividade dos

imunossensores desenvolvidos.

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Objetivos

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2. OBJETIVOS

Objetivo geral:

Desenvolvimento de imunossensores de SPR e QCM através da imobilização de

proteínas recombinantes de Leishmania infantum sobre plataformas organizadas para o estudo

de interações dessas proteínas com anticorpos específicos da Leishmaniose Visceral.

Objetivos específicos:

Estudo da funcionalização de superfícies de ouro empregando SAMs de tióis e

sistemas multivalentes formados pelo princípio layer-by-layer através da

combinação de dendrímeros comerciais do tipo poliamidoamina com as SAMs.

Síntese orgânica de um dendron inédito do tipo HS-dendron-(PEG-COOH)9 para

construção dos biossensores.

Investigação in situ via SPR e QCM da imobilização de diferentes proteínas de L.

infantum sobre os filmes formados.

Caracterização eletroquímica via espectroscopia de impedância eletroquímica e

voltametria cíclica dos imunossensores construídos.

Estudo através dos imunossensores de SPR e QCM de interações entre novas

proteínas recombinantes de L. infantum e anticorpos específicos da LV.

Avaliação do potencial antigênico das proteínas recombinantes estudadas através

de parâmetros cinéticos obtidos dos resultados das interações biomoleculares.

Emprego de amostras de soros caninos positivos e negativos para a LV para

avaliação da sensibilidade e seletividade dos imunossensores propostos.

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Revisão da Literatura

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3 REVISÃO DA LITERATURA

3.1. RESSONÂNCIA DE PLÁSMONS DE SUPERFÍCIE – SPR

3.1.1. Plásmons de superfície

O estudo da interação de ondas eletromagnéticas sobre interfaces, tem resultado em

inúmeras técnicas para monitoramento de processos interfaciais e superficiais. Neste contexto,

uma grande variedade de interfaces tem sido explorada, tais como, dielétrico-dielétrico,

dielétrico-semicondutor e dielétrico-metal. 26 Dentre estas, a interface dielétrico-metal

apresenta características particulares interessantes, uma vez que excitações eletrônicas coletivas

em superfícies metálicas são bem conhecidas por desempenharem um papel fundamental em

várias áreas, estendendo desde a física e ciência dos materiais até a biologia. 27,28

De acordo com Pitarke et al. (2007), 29 os estudos realizados por Tonks e Langmuir

(1929), 30 Ruthemann (1942), 31 Lang (1948), 32 Pines e Bohm (1952), 33 Pines (1956), 34 e

Ritchie (1957), 35 foram imprescindíveis para que Powell e Swan em 1959 finalmente

demonstrassem a existência de excitações coletivas sobre superfícies metálicas, 36,37 fenômeno

que passou a ser chamado por Stern e Ferrell (1960) de plásmons de superfície (PS). 38 Por

definição, PS são oscilações de cargas, em geral elétrons, na interface dielétrico-metal que

criam campos eletromagnéticos evanescentes decaindo exponencialmente em direção

perpendicular à superfície metálica.

Posteriormente, diferentes abordagens na literatura foram realizadas para descrever

a relação de dispersão para os PS. Em uma delas, Raether obteve essa relação para uma interface

metal-dielétrico através das equações que descrevem as condições de contorno de Maxwell 39-

41. Cardona por sua vez, utilizou uma abordagem mais simples para obtenção dessa relação. 42

Em geral, todas as abordagens culminam na equação abaixo, que consiste tipicamente na

relação entre frequência angular (ω) e a constante de propagação para os PS (βPS) numa

interface metal-dielétrico (equação 1).

𝛽𝑃𝑆 = 𝜔

𝑐√

𝜖𝑟𝜖𝑎

𝜖𝑟+ 𝜖𝑎=

2𝜋

𝜆 √

𝜖𝑟𝜖𝑎

𝜖𝑟+ 𝜖𝑎 (1)

Sendo, βPS a constante de propagação dos PS; ω é a frequência angular da luz; c é a velocidade

da luz no vácuo; λ o comprimento de onda no vácuo; ϵr e ϵa: parte real da constante dielétrica

do metal e do ambiente, respectivamente.

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A Figura 1 evidencia a relação de dispersão dos PS numa interface metal-dielétrico

(curva em azul) e a relação de dispersão para uma radiação eletromagnética propagando no ar

(curva em verde) e em um prisma (curva em vermelho).

Figura 1. Curva de dispersão para os plásmons de superfície numa interface ar/ouro (curva

em azul). Relação de dispersão para a radiação eletromagnética propagando no ar (curva em

verde) e num prisma (curva em vermelho).

Conforme observado pela Figura 1, a curva de dispersão dos plásmons (curva em

azul) em toda região de ω observada está abaixo da curva de dispersão dos fótons propagando

no dielétrico ar (curva em verde). É possível evidenciar através dessas curvas que a constante

de propagação dos PS (βPS) em uma interface metal-dielétrico é maior que o vetor de onda da

luz no dielétrico. Neste caso, PS não podem ser excitados mediante o simples contato com a

onda incidente sobre uma superfície metálica lisa. Contrariamente, observando a curva de

dispersão da onda incidente em um prisma (curva em vermelho), observa-se que em

determinado momento o vetor de propagação da luz se iguala em magnitude ao βPS, podendo,

neste caso, ocorrer o acoplamento entre os fótons e os plásmons. Neste contexto, sistemas

ópticos foram desenvolvidos para elevarem o momento da radiação incidente de forma que os

plásmons possam receber energia da onda incidente através de uma transferência ressonante de

energia. 43-45

Teng and Stern em 1967 sugeriram que sobre uma superfície metálica rugosa ou

sobre uma rede metálica (grades de difração) pode haver o acoplamento entre PS e uma radiação

eletromagnética, sendo tal fato aplicado tanto para filmes finos quanto espessos. 46

Alternativamente, como demonstrado por Otto (1968) 44 e Kretchmann e Raether (1968) 43 o

acoplamento com prismas também pode ser utilizado para aumentar o momento da luz

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incidente. No trabalho de Otto, a camada dielétrica foi inserida entre o metal e o prisma (Figura

2A) e os experimentos comprovaram que a queda na refletividade durante o fenômeno de

reflexão total atenuada (RTA) é devido à excitação dos PS. Sendo também observada por

Kretschm e Raether a excitação dos plásmons em outra configuração do método de reflexão

total atenuada, na qual a camada metálica foi colocada entre o prisma e o meio dielétrico (Figura

2B).

Figura 2. Fenômeno da reflexão interna total atenuada empregada nas configurações de Otto

(A) e de Kretschm (B). Na configuração de Otto, a camada dielétrica é colocada entre o prisma

e o metal. Na configuração de Kretschm, o filme metálico é inserido diretamente sobre o prisma

e os plásmons são excitados na interface externa.

Portanto, a partir dos estudos iniciais envolvendo os PS, tem havido um avanço

significativo em investigações teóricas e experimentais, que por sua vez, tornou-se essencial

para a interpretação de uma grande variedade de experimentos e no entendimento de várias

propriedades fundamentais de sólidos. 47 Adicionalmente, é de substancial importância

mencionar que nos trabalhos de Otto, Kretschm e Raether foi estabelecido um conveniente

método para excitação de plásmons na investigação do índice de refração nas proximidades do

metal. Estes estudos foram centrais para que, posteriormente, fosse explorado o fenômeno de

ressonância de plásmons de superfície (SPR) através de sensores ópticos para avaliação de

processos interfaciais e superficiais. 42

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3.1.2. Sensores ópticos baseados em SPR

Por definição, um sensor óptico é um dispositivo de detecção que, por meios

ópticos, converte a informação requerida (como a concentração do analito de interesse presente

em uma amostra complexa) em um sinal normalmente baseado em características da onda de

luz. Isto permite que vários métodos sejam empregados em plataformas de sensores ópticos,

incluindo o monitoramento da variação do índice de refração, absorção e medidas baseadas em

espectroscopia. 48 No caso dos sensores ópticos baseados na excitação dos PS, os mesmos são

referidos como sensores de SPR. 49

Tipicamente, em um sensor de SPR variações no índice de refração próximas a uma

interface (metal-dielétrico, por exemplo) são acompanhadas por variações na constante de

propagação dos PS. Estas variações alteram as condições de acoplamento entre a onda incidente

e a onda dos plásmons, sendo caracterizadas através alterações observadas na onda incidente,

seja a variação do ângulo de incidência, comprimento de onda, intensidade da luz, mudança de

fase, entre outras. 42 Dessa forma, baseando-se nestas características da luz incidente, os

sensores de SPR são classificados como sensores com modulação angular, 50 do comprimento

de onda, 51 de intensidade 52 ou de fase. 53

Desde a primeira documentação de um sensor químico baseado em SPR reportado

por Nylander e colaboradores (1982), 52 esse campo tem avançado significativamente em

termos de tecnologia e suas aplicações. Tal fato se deve em grande parte aos progressos

alcançados no desenvolvimento dos dispositivos ópticos, tais como os acopladores. Apesar de

novas configurações terem surgido nos últimos anos, 45 o fenômeno físico da reflexão total

atenuada utilizando como acopladores prismas ou guias de ondas ópticas, juntamente com o

princípio da difração da luz empregando grades de difração, consistem nas principais

configurações utilizadas até o momento em sensores de SPR. 54,55

Acoplamento com prismas em sensores de SPR

A maioria dos sensores de SPR utiliza o prisma para acoplar a luz a um plásmon de

superfície. Este tipo de acoplamento é conveniente e pode ser realizado com elementos ópticos

simples e convencionais. Além disso, o prisma pode ser facilmente combinado com qualquer

tipo de modulação (intensidade, angular, comprimento de onda e fase) (Figura 3A). 17

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35

Figura 3. Principais acopladores utilizados para construção de sensores de SPR: (A) prisma;

(B) grades de difração; (C) fibra óptica (guia de onda); (D) cristal fotônico (guia de onda

planar à esquerda e CF microestruturado à direita). Essas Figuras foram adaptadas de: Roh

et al 56 (Figura A), DiPippo et al 57 (Figura B), e Tokel et al 45 (Figuras C e D).

Os chamados sensores baseados em espectroscopia de PS são os mais empregados

em dispositivos comerciais de SPR. Nestas configurações, o espectro angular ou do

comprimento de onda da luz acoplada a um plásmon de superfície é medido e através do

fenômeno da RTA a informação sobre o índice de refração é correlacionada com uma alteração

na posição angular ou do comprimento de onda. 45 O princípio básico de transdução em um

sensor de SPR com modulação angular será descrito de forma pormenorizada posteriormente.

A investigação através dos sensores de SPR que operam pela modulação de

intensidade utilizando prismas também se destaca devido principalmente a dois aspectos

importantes: melhorias no desempenho analítico (sensibilidade e resolução) e aumento de

amostragem. Um exemplo típico desta configuração é a SPR de imagem (SPRi). Neste sistema,

basicamente, um feixe de luz monocromática passa através de um acoplador de prisma e incide

sobre um filme metálico fino com um ângulo de incidência próximo do ângulo de acoplamento.

A intensidade da luz refletida é diretamente correlacionada às variações do índice de refração

na superfície do filme metálico. 58

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Uso de grades de difração como acopladores em sensores de SPR

Conceitualmente, se uma interface metal-dielétrico é periodicamente irregular

ocorre a difração da onda incidente, formando uma série de feixes que divergem em diferentes

angulações a partir da interface (Figura 3B). Este fenômeno pode ser aplicado para excitação

dos PS utilizando uma grade ou rede de difração metálica com dimensões de rede menores que

o comprimento de onda da luz. Nesta configuração, quando o momento de onda da luz ao longo

da interface de uma ordem difratada é igual à constante de propagação dos PS, pode haver o

acoplamento entre as ondas (Figura 3B). 59

Em termos estruturais, os sensores de SPR baseados em grades de difração são

muito diversos, operando tanto no modo de transmissão (Figura 3B) quanto no modo da

reflexão. Outro aspecto interessante refere-se à incidência da luz, podendo ser realizada

diretamente sobre a face do sensor ou sobre sua face oposta. Além disso, grades de difração são

passíveis de combinação em sensores de SPR com modulação de intensidade, comprimento de

onda ou angular. 59

Atualmente, acopladores de grades não têm sido utilizados em sensores de SPR tão

amplamente como os de prismas. No entanto, apresenta-se ainda como uma abordagem atrativa

para a fabricação de estruturas de sensores SPR de custo mais reduzido quando comparado ao

uso de prismas. 45

Acoplamento através de guias de onda em sensores de SPR

Estruturas de guias de ondas ópticas podem ser utilizadas para acoplamento de luz

para excitação dos PS. A intensidade da onda propagando na guia é concentrada na estrutura da

guia de onda planar, enquanto uma pequena porção da luz estende-se através da camada

metálica para a interface (metal – meio de detecção) e excita os PS. 60 Um exemplo

característico deste método consiste na abordagem de acoplamento baseada em fibra óptica,

conforme evidenciado através da representação esquemática da Figura 3C. Neste caso, os cabos

da fibra são guias de ondas ópticas cilíndricas que operam através do princípio da reflexão

interna. A elevada resistência à propagação da luz no revestimento da fibra (material de elevado

índice de refração) permite que a onda incidente se propague no núcleo da fibra onde o índice

de refração é menor. Então, uma parte do revestimento da fibra pode ser removida e revestida

com uma camada fina de metal que, por sua vez, estará em contato com a camada de detecção.

Dessa maneira, através do princípio da reflexão total a luz incide na camada de metal e chega

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à interface (metal – meio de detecção) como uma onda evanescente de forma a excitar os PS.

61

Os primeiros sensores de SPR baseados em fibra óptica foram relatados no início

de 1990 62-64 e devido ao elevado potencial da fibra para a miniaturização de dispositivos,

observa-se pelo estado da arte de sensores de SPR um campo promissor na utilização de fibras

ópticas para construção de dispositivos do tipo point of care. 45,65

Recentes acopladores utilizados em sensores de SPR

Nos últimos anos, novos métodos de acoplamento também têm atraído a atenção,

como por exemplo, os sensores de SPR baseados em cristal fotônico (CF), com destaque para

as fibras de guias de ondas planares e fibras de CF microestruturadas. Estas tecnologias

apresentam-se boas perspectivas quanto ao seu emprego combinado ao campo da microfluídica

para construção de sensores integrados. 66

Basicamente, na estrutura de guias de ondas planares, o núcleo é coberto com uma

estrutura de CF periódica (Figura 3D), sendo um dos lados da guia de onda revestido com o

metal que está em contato com o analito a ser detectado. Por sua vez, em uma das possíveis

estratégias de uso das fibras de CF microestruturadas, os buracos geométricos preenchidos de

ar promovem a estrutura periódica para o CF e o formato semicircular são microcanais

preenchidos com o analito (Figura 3D). Esses canais são então cobertos de ouro para excitação

dos PS.

3.1.3. Equipamento de SPR

A Figura 4 é uma fotografia de um equipamento de SPR (Autolab Spirit, Eco

Chemie BV, Ultrech, Holanda), destacando a unidade óptica (fonte de luz, prisma e detector) e

o substrato (disco de vidro recoberto com uma camada nanométrica de ouro) utilizado nas

análises de SPR.

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Figura 4. Fotografia do equipamento de SPR, unidade óptica e substrato de SPR.

Com o intuito de demonstrar o princípio de funcionamento de um equipamento que

opera mediante a excitação dos PS, será descrito de forma pormenorizada o princípio de

transdução de um sensor de SPR que utiliza prisma e é baseado no método de reflexão total

atenuada utilizando a configuração de Kretschm. Sendo esta, a configuração mais empregada

em dispositivos comerciais, uma vez que geralmente apresentam maior sensibilidade e

resolução em relação aos dispositivos desenvolvidos por grades de difração. 17

O exemplo a seguir envolve um sensor de SPR com modulação angular. A Figura

5A evidencia um esquema de um dispositivo óptico genérico constituído de um prisma e uma

interface metal-dielétrico. Neste sistema, quando um feixe luminoso (luz monocromática, em

geral, laser ou LED) atravessa o prisma e alcança uma superfície metálica que exibe um bom

comportamento de elétrons livres (Au, Ag, Pt ou Cu, por exemplo), pode ocorrer a excitação

dos PS. Em certos ângulos de incidência a luz monocromática penetra na interface na forma de

ondas evanescentes (campo eletromagnético) de forma a acoplar com as ondas de plásmons de

superfície (OPS) (Figura 5A).

Conforme aspectos fundamentais discutidos anteriormente, é necessário que a

constante de propagação da onda incidente tenha magnitude igual ou superior ao vetor de

propagação dos PS (𝛽𝑃𝑆) para haver o acoplamento mediante o contato direto das ondas.

Sabendo que a componente paralela da luz monocromática incidente tem o vetor de onda (ⱪ𝑥)

relacionado com o ângulo de incidência da luz, pode-se calcula-lo através da seguinte

expressão:

Equipamento de SPR

Fonte de Luz

Detector

Substrato de SPR

Prisma

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Figura 5. Desenho esquemático ilustrando: (A) sensor de SPR com modulação angular

baseado na configuração de Kretschm; (B) curvas de refletância na ausência (θSPR1) e presença

(θSPR2) de espécies na superfície do filme metálico; (C) sensorgrama (ΔθSPR em função do

tempo) evidenciando interação de biomoléculas sobre superfície do metal.

ⱪ𝑥 = √𝜖1 2𝜋

𝜆 sin 𝜃𝑆𝑃𝑅 (2)

em que θ é o ângulo de incidência da luz com a superfície do metal, λ é o comprimento de onda

da luz incidente, e 𝜖1 é a constante dielétrica do prisma.

Sob condições de máximo acoplamento entre a radiação incidente e a OPS, a relação ⱪ𝑥 = 𝛽𝑃𝑆

é satisfeita (equação 3):

√𝜖1 2𝜋

𝜆sin 𝜃𝑆𝑃𝑅 =

2𝜋

𝜆√

𝜖𝑟𝜖𝑎

𝜖𝑟+ 𝜖𝑎 (3)

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40

Rearranjando matematicamente esta última expressão pode-se verificar facilmente através da

expressão abaixo representada pela equação 4 que as propriedades ópticas do sistema, como as

constantes dielétricas do metal (𝜖𝑟), do prisma (𝜖1) e do ambiente (𝜖𝑎), provocam variações no

ângulo de incidência. Sendo o ângulo incidente, neste momento, chamado de ângulo de SPR

(θSPR):

θSPR = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛 (√(𝜖𝑟𝜖𝑎

𝜖𝑟+ 𝜖𝑎) ×

1

𝜖1) (4)

Neste instante, ocorre uma transferência ressonante de energia entre a radiação incidente e a

OPS através do fenômeno de reflexão interna total atenuada, observando à queda da refletância

a quase zero, conforme evidenciado pela curva de refletância de SPR (Figura 5B). Estas

observações configuram o princípio de funcionamento de um sensor de SPR com modulação

angular, por meio da qual é possível aplicar o fenômeno da SPR para o monitoramento do índice

de refração nas proximidades da interface metal-dielétrico através do acompanhamento do θSPR

com o tempo (sensorgrama, Figura 5C). Dessa forma, as análises realizadas por um sensor de

SPR podem ser utilizadas para obtenção de informações em tempo real e sem a necessidade do

uso de marcadores químicos ou biológicos. 67,68

Atualmente, a exploração da excitação de PS para avaliação de processos

superficiais e interfaciais apresenta-se como um campo muito bem estabelecido, sendo a técnica

de SPR uma das principais ferramentas para avaliação de eventos de natureza biológica. 69

Neste contexto, fatores como detecção altamente sensível, rápido tempo de resposta,

capacidade de regeneração da superfície do sensor e possibilidade de miniaturização do sistema,

são características motivadoras encontradas em biossensores de SPR. 70,71 Adicionalmente,

torna-se de fundamental importância enfatizar que através de análises de SPR obtidas em tempo

real e sem marcação, torna-se possível explorar parâmetros cinéticos e termodinâmicos acerca

de interações biomoleculares, auxiliando significativamente o entendimento a nível molecular

desses sistemas. 18,72

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41

3.2. MICROBALANÇA DE CRISTAL DE QUARTZO – QCM

3.2.1. Piezoeletricidade

Os sensores de ondas acústicas que operam através da QCM apresentam capacidade

de monitoramento de eventos de superfície semelhantes à SPR, embora os princípios de

transdução das técnicas sejam completamente distintos.

Sob aspectos fundamentais, certos materiais quando perturbados mecanicamente

(deformações ou aplicações de pressões externas) respondem com uma perturbação elétrica.

Por outro lado, perturbações elétricas são acompanhadas por respostas mecânicas desses

materiais, tal como o movimento cisalhante (movimentação do material na direção

perpendicular à direção normal de aplicação do campo elétrico). A esses fenômenos dá-se o

nome de piezoeletricidade (“eletricidade por pressão”, piezo do grego), nome proposto por

Hankel em 1881 um ano antes do fenômeno ser observado primeiramente pelos irmãos Pierre

e Jacques Currie. 73,74

Os cristais que apresentam essa propriedade são denominados de cristais

piezoelétricos, tendo o quartzo como um dos principais representantes. Assim, quando

pressionado, o cristal de quartzo deforma-se como resultado do rearranjo de sua rede cristalina,

de tal forma que cargas opostas são induzidas em suas faces. Como consequência, um campo

elétrico é gerado, que por sua vez, promove um movimento vibracional no cristal. Neste

instante, é estabelecida uma onda acústica transversa que se propaga através do cristal,

resultando no deslocamento dos átomos paralelo à sua superfície. Dessa forma, se um material

é depositado sobre a superfície do cristal ocorre uma redução no movimento de oscilação do

mesmo, ocasionando diminuição de sua frequência de ressonância. 73-75

3.2.2. Princípio básico de operação de um sensor baseado em QCM

A Figura 6 evidencia um esquema de um circuito genérico simples utilizado para

produzir a oscilação mecânica e medir a frequência de ressonância do cristal piezoelétrico.

Diretamente ligado ao circuito oscilador é conectado um contador de frequência

(frequencímetro) responsável pelo monitoramento das variações na frequência de oscilação do

cristal e um computador para obtenção e tratamento dos dados. É importante mencionar que o

circuito deve estar o mais próximo possível do quartzo para evitar interferências que produzam

variações na frequência de oscilação.

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42

Figura 6. Representação esquemática de um sistema genérico empregado para produzir

oscilação mecânica e medir a frequência de oscilação do cristal piezoelétrico. Constituintes

básicos: cristal piezoelétrico inserido no interior da célula de fluxo, circuito oscilador,

frequencímetro e um computador pessoal.

De forma geral, o efeito comum básico para toda as classes de sensores que operam

mediante ondas acústicas é a diminuição na frequência de ressonância causada pela deposição

de uma massa pelicular sobre a superfície. Esse efeito gravimétrico motiva à denominação de

Microbalança de Cristal de Quartzo (QCM), que desde sua primeira aplicação em 1959 por G.

Sauerbrey, 76 cristais de quartzo recobertos com filmes finos de metais nobres (ouro ou prata,

por exemplo) passaram a ser utilizados diretamente como eletrodos ou como substratos

funcionalizados em uma variedade de aplicações. Atualmente, a QCM é referida como o

instrumento de escolha no campo de sensores acústicos. 15

De acordo com a equação desenvolvida por Sauerbrey (equação 5) uma relação

quantitativa entre a variação de massa de filmes rígidos depositados em fase gasosa sobre o

cristal (∆𝑚) com a variação de sua frequência de ressonância (∆𝑓) pode ser obtida:

∆𝑓 = −2𝑓02

1

𝐴√ρ𝑐 µ𝑐 ∆𝑚 (5)

Sendo, 𝑓o a frequência de ressonância fundamental, 𝜌𝑐 a densidade do cristal, µc o módulo de

cisalhamento do cristal e 𝐴 é a área do cristal que entra em contato com o meio de detecção.

Pode ser observado através da equação de Sauerbrey que apenas o efeito gravimétrico é levado

em consideração sobre a ∆𝑓.

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No entanto, para casos em que se tem uma maior carga envolvida (estudos envolvendo

biomoléculas, por exemplo), há um afastamento do regime gravimétrico e a variação da

frequência torna-se uma função da massa, assim como, das propriedades viscoelásticas do

filme. 74,77

Neste contexto, a aplicação de amostras biológicas em QCM tornou-se possível

quando circuitos osciladores foram modificados para operarem em meio líquido. 78 Outro

aspecto a ser levado em consideração é a necessidade da não variação das propriedades do

líquido circundante durante os experimentos, uma vez que as mudanças nos parâmetros da

QCM devem ser devidas somente à deposição ou interação biomolecular que ocorre sobre a

interface metal-líquido. Além disso, nenhuma alteração na impedância acústica do sistema deve

ser monitorada durante o experimento, assegurando o comportamento de Sauerbrey como o da

camada de interface e efeitos insignificantes em relação às alterações das propriedades de

líquidos. 15,77

Em virtude da elevada sensibilidade e seletividade alcançada através da

combinação de receptores biológicos e o avanço tecnológico dos dispositivos piezoelétricos,

nos últimos anos, a grande maioria dos trabalhos publicados com QCM envolveu aplicações

em que o cristal de quartzo é utilizado como suporte para ligação de biomoléculas (Figura 7).

Para estes sistemas, a interação biomolecular pode ser acompanhada em tempo real através de

variações da frequência de oscilação do cristal piezoelétrico (Figura 7).

Figura 7. Representação esquemática da resposta característica observada em um sensor

baseado em QCM, evidenciando que a interação biomolecular é acompanhada pela

diminuição da frequência de oscilação do cristal de quartzo (f).

Δf

Tempo

Quartzo

Quartzo

Quartzo

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Este tipo de abordagem permite a obtenção de parâmetros cinéticos e termodinâmicos acerca

dos eventos de natureza biológica e, portanto, tem se apresentado como uma excelente

ferramenta para o entendimento a nível molecular desses sistemas. 16,18,79

3.2.3. Instrumentação - QCM

O aperfeiçoamento da tecnologia de QCM para avaliação de eventos de

reconhecimento molecular, tais como, afinidade de ligação, cinética e mudança

conformacional, tem impulsionado um crescente número de sistemas disponíveis no mercado.

Esta tendência se deve em grande parte ao reconhecimento da versatilidade e capacidade

analítica de sensores acústicos. 15 A Figura 8 é a fotografia de uma QCM (Metrohm-Autolab,

Utrecht, Holanda) utilizada como sensor químico em laboratório. Observa-se o local da célula

onde o cristal de quartzo é inserido e o acoplamento desse sistema ao circuito oscilador (Figura

8A).

Figura 8. Fotografia do cristal de quartzo recoberto com uma camada nanométrica de ouro

sendo inserido no interior da célula (A); e acoplamento do sistema (célula e cristal) ao circuito

oscilador (B).

Atualmente, os sensores baseados em QCM disponíveis comercialmente estão

inseridos em dois principais mercados. O primeiro consiste na investigação científica, a qual

está voltada à ciência dos materiais e da vida, sendo os sensores de QCM empregados para

estudar as interações biológicas e características de superfície. 80-82 O segundo está relacionado

à sistemas de detecção do tipo point of care para aplicações médicas e detecção química de

drogas e explosivos, por exemplo. 77,79,83

(A)

(B)

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Uma vez conhecido o potencial de aplicação das configurações baseadas em SPR e

QCM para a construção de sensores, uma ênfase será voltada ao uso dessas técnicas para o

desenvolvimento de biossensores, sendo este um campo interdisciplinar que tem despertado

grande atenção em inúmeras áreas da ciência.

3.3. BIOSSENSORES BASEADOS EM SPR E QCM

Os biossensores pertencem a uma subclasse de sensores químicos, sendo

constituídos de um componente de reconhecimento biológico (tais como enzimas, antígenos,

anticorpos, DNA, RNA, células inteiras e tecidos) em íntimo contato com uma superfície de

um transdutor, que por sua vez, converte a informação da interação biológica em um sinal

quantificável 84. Um desenho esquemático do princípio geral de operação dos biossensores pode

ser visualizado através da Figura 9.

Figura 9. Desenho esquemático de um biossensor, ilustrando: (I) interação de analitos com

biomoléculas de reconhecimento imobilizadas sobre superfície de ouro funcionalizada; (II)

respostas acompanhadas em tempo real das interações pelos biossensores de SPR e QCM; (III)

parâmetros cinéticos e termodinâmicos medidos através dos resultados obtidos pelos

biossensores.

Biossensores são dispositivos analíticos que combinam a elevada sensibilidade

alcançada pelo avanço da tecnologia dos sistemas de transdução, com a especificidade do

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sistema de reconhecimento biológico. 85 Neste sentido, além da configuração utilizada para

transdução do sinal, o bom desempenho de um biossensor (tais como, sensibilidade,

especificidade, linearidade, reusabilidade, estabilidade química e reprodutibilidade) também

está intimamente relacionado à etapa de imobilização de biomoléculas sobre o substrato sensor

(biofuncionalização). Idealmente, uma matriz de um biossensor deve ser uma superfície

molecularmente organizada que exiba acessibilidade adequada com elevada densidade de

grupos reativos para imobilização específica, além de minimizar ligações inespecíficas.

Portanto, extensivos estudos devem ser realizados visando à cobertura de superfícies metálicas

previamente à imobilização de biomoléculas. 86,87

De acordo com o exposto, pode-se mencionar a elevada eficiência de monocamadas

auto-organizadas (SAMs, do inglês Self-Assembled Monolayers) de alcanotióis e de

dendrímeros e dendrons combinados ou não com as SAMs para etapa de funcionalização de

superfícies metálicas. Essas moléculas têm permitido a formação de filmes estáveis com

elevada eficiência e menor susceptibilidade às variações de pH, força iônica, temperatura e

solvente. 24

3.3.1. Monocamadas auto-organizadas – SAMS

O emprego de SAMs formadas pela adsorção de tióis consiste em um dos métodos

mais convenientes, flexíveis e simples, o qual se adequa às propriedades interfaciais de metais,

óxidos e semicondutores. Além disso, características como elevada estabilidade, estrutura de

superfície uniforme e relativa facilidade de variar os grupos funcionais terminais da SAM,

permite com que esses organizados moleculares controlem a acessibilidade, bem como, a

orientação de biomoléculas ligadas. Tais características possibilitam em um excelente controle

a nível molecular. 23

Esse tipo de modificação emprega camadas orgânicas monomoleculares que

exibem alta organização e elevada cobertura de superfície (Figura 10). Podem ser facilmente

obtidas à temperatura ambiente através da simples imersão do substrato em uma solução diluída

contendo os adsorbatos orgânicos por um período de tempo específico. Adicionalmente e não

menos importante, a investigação dos processos de formação de SAMs de alcanotióis sobre

superfície de ouro foi extensivamente estudada pelo nosso grupo, fator fundamental no que diz

respeito ao entendimento a nível de organização dessas nanoestruturas. 22 Neste sentido, através

de estudos obtidos para um alcanotiol de cadeia carbônica grande, o ácido 11-

mercaptoundecanóico (11-MUA, mercaptundecanoic acid), o mecanismo envolvido durante a

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formação da SAM desse alcanotiol sobre superfície de ouro foi investigado e o seguinte modelo

de reação foi proposto 88,89:

sendo 𝐴𝑢 a superfície do metal (sítio de adsorção); 𝑅𝑆𝐻 o alcanotiol; 𝐴𝑢 − 𝑅𝑆𝐻 a

monocamada desorganizada; 𝐴𝑢 − 𝑅𝑆𝐻* a monocamada organizada; e 𝑘𝑎, 𝑘𝑑 e 𝑘𝑡 referem-se

às constantes de associação, dissociação e de rearranjo molecular, respectivamente.

Foi demonstrado através do modelo proposto que a reação do tiol 11-MUA sobre superfície de

ouro envolve duas etapas: (i) a primeira consistindo na etapa rápida, na qual uma cobertura de

superfície elevada é alcançada em segundos a poucos minutos, levando à formação de uma

monocamada ainda desorganizada (equação 6); (ii) seguida por uma segunda etapa lenta (ordem

de horas: 18 a 24h) envolvendo o rearranjo (organização) desse alcanotiol sobre superfície de

ouro, o que leva à formação de uma monocamada altamente organizada (equação 7, Figura 10).

Apesar de controvérsias ainda existirem na literatura especializada sobre a dinâmica

do processo de formação e as características estruturais da SAM de alcanotióis sobre superfície

de ouro, já é claro que o processo ocorre principalmente devido à elevada afinidade de ligação

entre enxofre e ouro, apresentando magnitude maior que 41,8 kJ mol-1. Tal fato, provavelmente

explica a elevada rapidez da primeira etapa de reação apresentada no modelo de reação

proposto. Adicionalmente, também é sabido que as energias envolvidas das interações entre as

moléculas de alcanotióis são consideradas menores que 41,8 kJ mol-1, e que o conjunto destas

interações confere à monocamada uma estabilidade bem mais elevada que unidades

individualmente adsorvidas. 22 Estas informações também vão de encontro ao modelo proposto,

sugerindo que um maior tempo se torna necessário para estabelecimento das interações entre

as moléculas do 11-MUA e formação de uma monocamada altamente organizada.

Atualmente, o uso de SAMs para funcionalização de superfícies metálicas consiste

em um campo de investigação bem estabelecido, no qual aspectos práticos e fundamentais

𝐴𝑢 + 𝑅𝑆𝐻 𝐴𝑢 − 𝑅𝑆𝐻

𝑘𝑎

𝑘𝑑

𝐴𝑢 − 𝑅𝑆𝐻 𝐴𝑢 − 𝑅𝑆𝐻 * 𝑘𝑡

(6)

(7)

Figura 10. SAM do 11-MUA no seu estado

final organizada (Au-RSH*).

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acerca desses organizados moleculares podem ser encontrados em inúmeros artigos de revisão

e capítulos de livros. Importante mencionar que as SAMs formadas pela adsorção de grupos

tióis sobre superfície de ouro apresenta-se como um dos principais métodos empregados na

construção de biossensores de SPR e QCM. 90-92

3.3.2. Dendrímeros e dendrons

Com o propósito de buscar amplificação da interface transdutora para

desenvolvimento de biossensores com sensibilidades e seletividades cada vez mais elevadas,

observa-se na literatura que uma grande motivação está relacionada à construção de plataformas

3D através do uso de sistemas multivalentes, tais como os dendrímeros e dendrons combinados

ou não com as SAMs, para imobilização de biomoléculas. 21,93,94

Dendrímeros e dendrons são macromoléculas monodispersas que possuem uma

arquitetura tridimensional altamente ramificada e são muito bem definidos em termos de

tamanho e número de grupos terminais (Figura 11). 25 Atualmente, esses sistemas estão sendo

explorados com significativo sucesso em uma diversidade de aplicações. 95

Figura 11. Representação estrutural de dendrímero (A) e dendron (B).

Devido às características inerentes desses sistemas supramoleculares, tais como

geometria globular, homogeneidade estrutural, tamanho controlado, elevada funcionalidade de

superfície, hidrofilicidade, versatilidade e alta estabilidade mecânica e química, dendrímeros e

dendrons apresentam-se como plataformas ideais para a etapa de biofuncionalização no

desenvolvimento de biossensores. 94,96 Especificamente, suas arquiteturas tridimensionais

nanométricas têm proporcionado melhor controle sobre a espessura da matriz do sensor e o

espaçamento entre as moléculas de reconhecimento imobilizadas, preservando assim a

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funcionalidade dos grupos ligantes imobilizados e reduzindo as ligações não específicas. Estas

características têm levado diversos grupos de pesquisa a reportarem melhorias no desempenho

analítico de biossensores construídos a base de dendrímeros e dendrons. 97

Estruturalmente, um dendrímero é tipicamente simétrico em torno de um núcleo,

apresentando uma morfologia tridimensional globular (Figura 11A). Por sua vez, o dendron

possui estrutura do tipo abx, em que a é igual ao ponto focal e x é igual ao número de grupos

funcionais terminais b (Figura 11B). 25 São moléculas sintetizadas através de sequências

iterativas de etapas de reação, em que cada iteração adicional conduz a uma geração mais

elevada, formando estruturas robustas que possuem alta densidade de grupos terminais (-NH2,

-COOH, -OH, -CHO, etc.), garantindo elevada exposição desses grupos. 98-101

A elevada versatilidade da química destas moléculas possibilitou na síntese de

estruturas ordenadas através de diferentes gerações, as quais não somente proveem diferentes

tamanhos de nanopartículas, mas também define os grupos terminais, morfologia, estabilidade,

solubilidade, rigidez/flexibilidade e a viscosidade destes sistemas. Dentre a diversidade de

moléculas sintetizadas, destaca-se a extensa e bem estabelecida família de dendrímeros

derivados de poliamidoamina (PAMAM) (Figura 12). 102 Esta classe foi desenvolvida

primeiramente por Tomalia e co-autores, 98 sendo sintetizada através de uma sequência de

adição de metil-acrilato (adição de Michael) sobre um núcleo diamino, seguido por amidação

com etilenodiamino (Figura 12). Atualmente, dendrímeros PAMAM são comercialmente

disponíveis, fator de suma importância para disseminação dessas moléculas em estudos

envolvendo biossensores, o que, consequentemente, culminou em um melhor entendimento em

relação a essas nanoestruturas. 103

Interessantemente, conforme discutido anteriormente, a sensibilidade de

biossensores baseados em SPR e QCM é fortemente influenciada pela distância entre o

substrato sólido e o elemento de reconhecimento, devendo as interações biomoleculares,

satisfatoriamente, ocorrerem nas proximidades da superfície do transdutor. Contudo, a ligação

de biomoléculas muito próximas ao substrato sólido leva ao impedimento estérico e perda de

funcionalidade devido ao menor caráter hidrofílico da superfície não modificada. 20 Dessa

forma, uma camada intermediária torna-se necessária para atuar como espaçador entre o

bioreceptor e o substrato sólido. De acordo com a literatura, 20 a espessura da camada de

dendrímero PAMAM (geração 3, por exemplo) sobre a matriz do sensor é cerca de 2-3 nm, o

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que provavelmente apresenta grandes benefícios para o uso desses sistemas multivalentes em

biossensores de SPR e QCM.

Figura 12. Estrutura química de um dendrímero PAMAM de geração 3 (G3) com núcleo

diamino e 32 grupos amino-terminais. Cada parte da molécula representada por uma cor é

referente a cada geração: zero (G0), um (G1), dois (G2) e três (G3).

Adicionalmente, devido à estrutura de química sintética única e das propriedades

variadas discutidas anteriormente, o uso de dendrímeros e dendrons é extremamente passível

de combinação com as SAMs de tióis. Uma matriz biofuncionalizada típica pode ser constituída

por uma camada de uma SAM de alcanotiol sobre uma superfície de ouro, seguida por uma

camada intermediária de dendrímero (PAMAM, por exemplo) e, por fim, uma camada da

biomolécula de reconhecimento. Por exemplo, uma abordagem particularmente simples e de

custo reduzido para formação de filmes do tipo layer-by-layer sobre superfície de ouro envolve

o uso da cisteamina (alcanotiol de cadeia curta) para formação da SAM, seguida pela ligação

covalente de dendrímeros (PAMAM, por exemplo) às aminas livres via agentes de

acoplamento, tais como glutaraldeído (GLU) ou uma molécula do tipo diéster - BS3 (bis

(sulfosuccinimidyl) suberate). 104

G0

G1

G2

G3

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Sumariamente, dendrímeros e dendrons têm aberto espaço para o desenvolvimento

de uma promissora área de pesquisa científica fundamentada nas propriedades desses

compostos. 105,106 Apresentam-se como propostas interessantes no desenvolvimento de

biossensores baseados em SPR e QCM, uma vez que estes sistemas supramoleculares excluem

a necessidade do uso de matrizes complexas como suporte para imobilização de biomoléculas.

A discussão realizada até o corrente momento teve como propósito demonstrar

frente a literatura especializada a viabilidade das técnicas de SPR e QCM e das metodologias

discutidas para construção de biossensores. A seguir, tendo como critério de escolha o seu

impacto no Brasil e em diversas partes no mundo, uma atenção será voltada à Leishmaniose

Visceral. Será enfatizada a importância em se investigar os eventos moleculares envolvidos

nessa parasitose, bem como, a necessidade do desenvolvimento de metodologias mais eficazes

para seu diagnóstico.

3.4. LEISHMANIOSE VISCERAL

As leishmanioses, conforme descrito originalmente por Ross em 1903, são doenças

infecciosas causadas por parasitas protozoários do gênero Leishmania. 1,107 A Organização

Mundial da Saúde refere-se à leishmaniose como uma das principais parasitoses, em que cerca

de 2 milhões de pessoas são infectadas anualmente em aproximadamente 98 países diferentes.

Portanto, trata-se de um grave problema de saúde pública.

De acordo com as espécies de Leishmania e a resposta humoral desenvolvida pelo

indivíduo infectado, existem algumas manifestações clínicas da doença que podem levar a

complicações cutâneas, mucosas ou viscerais. Levando-se em consideração estas

manifestações, as leishmanioses são basicamente divididas em leishmaniose tegumentar (LT),

leishmaniose mucocutânea (LMC) e leishmaniose visceral (LV). 4 Entre estas, a LV (conhecida

como "calazar") é a forma mais grave, em que parasitas de Leishmania deixam o local de

inoculação e proliferam no fígado, baço e medula óssea, resultando em imunossupressão do

hospedeiro. Esta capacidade de penetração do parasita em órgãos vitais do sistema fisiológico

humano resulta em elevado índice de mortalidade em indivíduos infectados que não tem acesso

a tratamento adequado. 5,6

Os sintomas típicos da LV são: febre, perda de peso, esplenomegalia,

hepatomegalia, linfadenopatia e anemia. 108,109 O agente etiológico mais encontrado nas

Américas e no norte da África é a espécie Leishmania infantum, também conhecida como

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Leishmania chagasi. Já em áreas do subcontinente indiano e leste da África a espécie

Leishmania donovani é responsável pela infecção da LV. 8,110 Embora mais de 90% das

infecções da LV estejam concentradas na Índia, Brasil, Bangladesh, Nepal e Sudão, estudos

mostram um aumento de casos de LV em todo o mundo, sendo esperado em um futuro próximo

que mudanças climáticas venham a causar impacto significativo na Europa. 111

Nas Américas, a via de transmissão mais frequente de antígenos de L. infantum

ocorre através da picada de flebotomíneos do sexo feminino (gênero Lutzomyia), sendo a LV

considerada uma zoonose em que o cão e/ou outros canídeos tem o papel de hospedeiro do

parasita. 8,9 Importante mencionar que menos de 50% dos cães infectados apresentam evolução

crônica dos sinais clínicos víscero-cutâneos, mas tanto os animais sintomáticos como

assintomáticos são infecciosos para o mosquito vetor. 112 Neste sentido, testes de diagnósticos

confiáveis para a leishmaniose visceral canina (LVC) são essenciais para programas de

vigilância da LV e para evitar o abate desnecessário de cães. 2,10

O diagnóstico da LV é executado principalmente através de métodos sorológicos

em análises de rotinas clínicas, uma vez que a resposta humoral em LV é geralmente muito

intensa com elevados níveis de imunoglobulinas específicas, além de evitarem a utilização de

procedimentos invasivos. 11 Os testes sorológicos mais empregados são o ensaio

imunoadsorvente ligado à enzima (ELISA) e o teste de anticorpo de imunofluorescência

indireta (IFAT, indirect immunofluorescence antibody test).113 Entretanto, estes testes ainda

apresentam limitações, tais como baixa sensibilidade para detecção de casos assintomáticos e a

existência de reações cruzadas com outras doenças. 12 Neste contexto, observa-se um grande

incentivo da pesquisa científica voltada à busca de novas metodologias para diagnóstico

sorológico da LV.

Um dos fatores que contribui significativamente para as limitações dos ensaios

convencionais é a forma antigênica utilizada, dado que antígenos brutos ou os seus extratos

solúveis ainda são utilizados nesses imunodiagnósticos. 13 Trabalhos recentes evidenciam que

a utilização de peptídeos sintéticos ou antígenos recombinantes ao invés do uso de antígenos

brutos, melhora a especificidade dos testes de diagnóstico da LV, diminuindo

significativamente o número de reações cruzadas com outras doenças. 114-117 No entanto, apesar

do progresso alcançado nestes últimos anos, o diagnóstico eficaz (100%) da LV ainda é um

desafio. 117. Portanto, a produção de novos antígenos de L. infantum, tais como proteínas

recombinantes com elevados potenciais antigênicos, apresenta-se como uma área bastante

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promissora, com destaque à tecnologia do DNA recombinante para produção dessas

recombinantes. 115,118,119

3.4.1. Proteínas Recombinantes

Por definição, proteínas recombinantes são aquelas produzidas a partir da expressão

em bactérias ou em outros organismos utilizando a tecnologia do DNA recombinante.

Geralmente, o sistema de expressão em Escherichia coli é o mais empregado. 120 A Figura 13

é uma representação esquemática das etapas envolvidas na tecnologia do DNA recombinante

para produção de proteínas. Tipicamente, os seguintes passos são realizados: (I) extração do

DNA e amplificação pela PCR (Polymerase Chain Reaction) dos fragmentos que contém o

gene de interesse; (II) uso de enzimas de restrição (endonucleases) para obter o gene que

codifica a proteína de interesse; (III) utilização das mesmas endonucleases para clivar o

plasmídeo (vetor) bacteriano; (IV) ligação do gene de interesse ao plasmídeo pela enzima DNA

ligase, produzindo o DNA recombinante; (V) introdução do DNA recombinante em bactéria

(E. coli., por exemplo); e (VI) inserção da bactéria em meio de cultura apropriado.

Figura 13. Desenho esquemático ilustrando as etapas envolvidas na tecnologia do DNA

recombinante para síntese de proteínas: (I) extração do DNA e amplificação pela PCR; (II)

obtenção do gene de interesse após clivagem pelas enzimas de restrição; (III) clivagem do

plasmídeo bacteriano pelas mesmas endonucleases; (IV) uso da DNA ligase para síntese do

DNA recombinante; (V) introdução do DNA recombinante na bactéria; (VI) inserção da

bactéria em meio de cultura.

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Após muitas gerações de bactérias, as proteínas recombinantes (produto da expressão dos

genes) são purificadas.

Nos últimos anos, observou-se um avanço significativo em relação ao domínio de

produção de proteínas através dessa tecnologia, sendo atualmente um método bem estabelecido

e amplamente difundido. Isto tornou possível o emprego de proteínas recombinantes de

diferentes sensibilidades e especificidades no imunodiagnóstico da LV. 117 Os antígenos de

natureza proteica originários do parasita Leishmania apresentam diferentes funções no

protozoário, fator que culminou na divisão das seguintes classes: (1) proteínas relacionadas à

cinesina, destacando a rK39 e a rK26; 121,122 (2) proteínas do choque térmico, por exemplo

rHSP70; 123 (3) enzimas, com ênfase à rLACK; 124 e (4) proteínas com função ainda

desconhecidas no protozoário, com destaque à rA2. 125

Entre estas classes, os genes de proteínas hipotéticas (proteínas de função

desconhecida) são alvos bastante interessantes para pesquisa, não somente pelo fato da

inexistência de dados a respeito dessas proteínas, mas também pela identificação de elevada

expressão e reprodutibilidade dessas proteínas, antes consideradas “hipotéticas”, nas formas

evolutivas (amastigotas e promastigotas) de L. infantum. 126,127

Outra abordagem particularmente interessante que vem sendo utilizada para

produção de antígenos e sua avaliação no diagnóstico da LV e de outras patologias está

relacionada à produção de proteínas recombinantes do tipo quimérica. Proteínas quiméricas

consistem na união de diferentes fragmentos peptídicos, originando uma proteína

artificialmente construída que pode apresentar vários epitopos em sua estrutura. Dessa forma,

as quimeras são capazes de expressar diferentes determinantes antigênicos, fator que tem sido

proposto por melhorar a sensibilidade de testes diagnósticos. 128

De acordo com a discussão apresentada, fica evidente que alternativas recentemente

utilizadas no intuito de buscar melhorias no imunodiagnóstico da LV estão voltadas para o

desenvolvimento de novas metodologias para detecção da doença, assim como, para a

investigação de novas proteínas recombinantes a serem empregadas nos imunoensaios.

Neste contexto, através de um levantamento realizado sobre os trabalhos publicados

que reportam a construção de biossensores que tem como incentivo a LV, observa-se que é uma

área ainda pouco explorada, mas que vem apresentando enorme perspectiva de crescimento.

129-135

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Importante salientar que, de acordo com nosso conhecimento, o primeiro estudo

envolvendo um biossensor de SPR para detecção de anticorpos da LV foi reportado pelo nosso

grupo. 89 Desde então, essa linha de pesquisa tem se tornado uma peça chave em nossos estudos,

visando contribuir significativamente em diversos aspectos relacionados a LV.

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Uso de SAM para imobilização

de uma proteína quimérica

recombinante

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4. USANDO QCM E SPR PARA AVALIAÇÃO CINÉTICA DA LIGAÇÃO

ENTRE UMA NOVA PROTEÍNA QUIMÉRICA RECOMBINANTE E

ANTICORPOS DA LV136

4.1. MOTIVAÇÃO PARA REALIZAÇÃO DESTE ESTUDO

Uma das alternativas recentemente empregadas por diferentes grupos de pesquisa

como metodologia de produção de antígenos a serem testados em imunodiagnósticos consiste

na união de diferentes fragmentos peptídicos, dando origem a uma proteína artificialmente

construída (proteína quimérica). Este tipo de proteína é capaz de expressar diferentes

determinantes antigênicos, podendo resultar no aumento da sensibilidade em testes

diagnósticos.

Diante essa temática, em estudo realizado pelos nossos colaboradores, dez

peptídeos provenientes de nove diferentes proteínas de L. infantum se mostraram promissores

antígenos a serem empregados no diagnóstico sorológico da LVC. 137 Então, esses peptídeos

foram reunidos em um mesmo gene artificial para produção de uma nova proteína quimérica

recombinante (CP10, do inglês chimeric protein). Entre os resultados obtidos com esta proteína

em imunoensaios, foi verificada a capacidade da CP10 para identificar cães assintomáticos

(cerca de 80%), o que é muito expressivo devido à dificuldade em detecção desses casos por

antígenos já bem documentados na literatura. 128

A partir dos resultados obtidos pelos nossos colaboradores, tornou-se notória a

importância de uma avaliação quantitativa do caráter imunogênico (antigênico) da CP10, a fim

de demonstrar o quão forte é a interação entre essa nova proteína e anticorpos específicos da

LV. Além disso, conforme já discutido na introdução, é fundamentalmente importante a

realização de uma pesquisa científica voltada à busca de novas metodologias para diagnóstico

da LV.

Neste contexto, no estudo discutido a seguir, imunossensores de SPR e QCM foram

desenvolvidos para detecção de anticorpos anti-L. infantum. Através dos resultados alcançados,

foi possível avaliar cineticamente a afinidade da ligação entre a CP10 e suas IgGs

(imunoglobulinas G) específicas, contribuindo para uma melhor compreensão acerca da

interação entre essas biomoléculas. Tal abordagem permitiu inferir de forma quantitativa a

viabilidade de aplicação dessa nova proteína quimérica (CP10) em imunodiagnósticos da LV.

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4.2. EXPERIMENTAL

4.2.1. Reagentes e soluções

Ácido 11-mercaptoundecanóico (11-MUA, do inglês mercaptoundecanoic acid);

hidrocloreto de N-(3-dimetilaminopropil)-N-etilcarbodiimida (EDC), N-hidroxissuccinimida

(NHS), 4 - (2 - hidroxietil) piperazina-1-etanossulfônico (Hepes), ferricianeto de potássio (III),

ferrocianeto de potássio (II), tween 20 (surfactante P20) e etanolamina (EA) foram adquiridos

da Sigma Aldrich Chemical (St. Louis, MO, EUA). Ácido etilenodiaminotetracético (EDTA),

cloreto de potássio (KCl), hidróxido de potássio (KOH), etanol (EtOH, 99%) e fosfato de sódio

monobásico foram obtidos da LabSynth LTDA (SP, Brasil). Cloreto de sódio (NaCl) foi

comprado de JT Baker Chemicals® (Xalostoc, México).

A solução etanólica de 11-MUA e as soluções aquosas de EA e da mistura

EDC/NHS foram preparadas previamente às suas utilizações. A solução tampão HBS-EP em

pH 7,4, foi utilizada para dissolução das amostras biológicas e como tampão de corrida nas

análises de SPR, QCM e eletroquímicas. Esta solução foi produzida pela mistura de 10,0 mmol

L-1 de Hepes (pH 7,4), 150,0 mmol L-1 de NaCl, 3,0 mmol L-1 de EDTA (pH 8,0) e 0,005 % do

surfactante P20. Água deionizada foi utilizada para a preparação das soluções após sua

purificação em um sistema Milli- Q.

4.2.2. Instrumentação

As medidas eletroquímicas foram realizadas utilizando um Autolab PGSTAT 128N

potenciostato/galvanostato (Eco Chemie BV, Holanda) acoplado a um microcomputador PC

com o software NOVA 1.10. Para estas medidas, foram utilizados uma célula eletroquímica

com volume de 10 mL, um eletrodo de Ag/AgCl (KCl 3,0 mols L-1) como eletrodo de

referência, um fio de platina como eletrodo auxiliar e um filme de ouro (área de 0,0314 cm2)

como eletrodo de trabalho. Em relação às medidas de espectroscopia de impedância

eletroquímica (EIS, do inglês electrochemical impedance spectroscopy), uma modulação

potencial sinusoidal de 10 mV de amplitude foi sobreposta a um potencial de circuito aberto e

o ângulo de amplitude e fase da corrente resultante foram registrados em frequências que variam

de 100 kHz a 0,1 Hz. Todas as análises eletroquímicas foram realizadas à temperatura ambiente.

As técnicas de SPR e QCM foram utilizadas para avaliar em tempo real as etapas

de imobilização da CP10 e de sua interação com os anticorpos específicos da LV.

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As medidas de SPR foram realizadas em um equipamento Autolab Spirit (Eco

Chemie BV, Ultrech, Holanda). Seu sistema óptico consiste de um prisma de vidro, um disco

de vidro recoberto com uma fina camada de ouro (50 nm de espessura) e um laser diodo com

um comprimento de onda fixo de 670 nm. Este equipamento está equipado com uma cubeta e

seu modo de operação é baseado na configuração de Kretschm. 43

Para as medidas de QCM, foi utilizado um cristal polido de corte-AT 6 MHz

contendo uma subcamada de adesão de 10 nm de TiO2 e um depósito de 100 nm de Au

(Metrohm-Autolab, Utrecht, Holanda). O cristal foi inserido em uma célula de polipropileno

apropriada com um volume máximo de 3 mL e fixado com o auxílio de dois anéis de vedação.

Ambas as faces do cristal (área de 0,361 cm2) foram utilizadas.

Tipicamente, os experimentos de SPR e QCM foram realizados à temperatura

constante (23 ± 1°C) em solução tampão HBS-EP (pH 7,4). E para avaliar cineticamente a

interação entre as biomoléculas através dos resultados obtidos por SPR e QCM, o software

Trace Drawer, versão 1.5 (Oy BioNavis Ltd., Tampere, Finlândia) foi utilizado.

Para a determinação simultânea da espessura (d) e índice de refração (n) da CP10

imobilizada sobre a SAM/Au, outro equipamento de SPR (MP-SPR, do inglês multiparametric

surface plasmon resonance) foi empregado (Oy BioNavis Ltd., Tampere, Finlândia). Uma

fotografia do equipamento MP-SPR pode ser visualizada abaixo (Figura 14).

Figura 14. (A) Fotografia do MP-SPR; (B) Substrato utilizado nas análises (filme de Au); (C)

Inserção do substrato no equipamento.

Este instrumento possui dois canais, cada um contendo um par de lasers com comprimentos de

onda fixos em 670 e 785 nm. Um software específico (Winspall, versão 3.02) foi utilizado para

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modelar as curvas de refletância de SPR em ambos os comprimentos de onda para a

determinação dos parâmetros n e d da CP10 sobre a SAM/Au. O princípio de transdução da

MP-SPR também é baseado na configuração de Kretschm. 43

4.2.3. Proteína quimérica recombinante - CP10

A proteína CP10 (MM = 21,41 kDa) foi sintetizada por Faria et al (2015) 128 através

da tecnologia do DNA recombinante, conforme sumarizado a seguir. Um DNA sintético foi

construído pela reunião de 10 sequências de codificação de peptídeos antigênicos. Para a

construção, ligantes flexíveis (Gly-Ser-Gly-Ser-Gly) foram utilizados como espaçadores entre

os epítopos 138 e sítios de restrição para Ndel e Notl foram adicionados, respectivamente, às

extremidades 5' e 3' do gene artificial para auxiliar na clonagem. Além disso, uma sequência de

codificação 6x His tag foi adicionada anteriormente ao códon de parada para posterior

purificação por afinidade da proteína recombinante. O DNA sintético que codifica a CP10

consiste em 578 pares de bases e foi sintetizado comercialmente por Genscript, EUA. O

desenho do gene sintético da CP10 pode ser visualizado na Tabela 1.

Tabela 1. Desenho do gene sintético da CP10

Sequência de Nucleotídeos:

CATATGCAACGGGAGCTGAAAATGGTCGTGGCGCAGAGCGGTAGCGGCAGTGG

TTCGCAGCAGCTGCTGGGGCAGCGGCTGTACGGACTGTGGAAAGGCTCTGGTA

GTGGCTTCCGTGCGATCAGCACGCCACGCACTGGCACCATGCCCGGTAGCGGC

AGTGGTAACGGCGACCGCTACGACGGCGAGTGGAAAGATGATAAACGTGGCTC

AGGTAGCGGCTCGAAACGCTACGCCAAGGCCATGGCCAAAATGGGCCTGAAAG

GTTCAGGCTCTGGTAACAACATCAAATCCTCCATCTGCGATATCCCGCCGAAAG

GCGGTAGCGGCAGTGGTTGGAACAACAACATCTTCTACGATGGCCCGGTCGGT

GCCTTCGGTTCAGGCTCTGGTTTCACGAATCGTCGCTGCGACTCGAACGCGACG

AATGCGCGGGGCTCTGGTAGTGGCCGCAAAAACATCGTGAAAAAATGCCTGGA

AATGTTCGACGAGGGTAGCGGCAGTGGTAAAGACGTGACGAAAGAGGAGTACG

CGGCCTTCTACAAAGCCCATCATCATCATCATCATTAAGCGGCCGC

CATATG → sítio de restrição de NdeI e códon de início

CAACGG... → peptídeos

GGTAGC... → ligantes flexíveis

CATCAT... → cauda de histidina

TAA: → códon de parada

GCGGCCGC → sítio de restrição NotI

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Sequência de Aminoácidos:

MWQRELKMVVAQSGSGSGSQQLLGQRLYGLWKGSGSGFRAISTPRTGTMPGSGS

GNGDRYDGEWKDDKRGSGSGSKRYAKAMAKMGLKGSGSGNNIKSSICDIPPKGGS

GSGWNNNIFYDGPVGAFGSGSGFTNRRCDSNATNARGSGSGRKNIVKKCLEMFDEG

SGSGKDVTKEEYAAFYKAHHHHHH

O gene quimérico obtido comercialmente foi produzido no plasmídeo PUC57 com

gene de resistência à ampicilina. Posteriormente, esse DNA artificial foi clonado nos sítios de

restrição Ndel e Notl de um vetor de expressão pET9a24a, resultando em pET-CP10. Então, um

plasmídeo recombinante foi utilizado para transformar uma cepa de E. coli C41 e a expressão

da proteína foi realizada através da inoculação (12 horas) de 500 mL de meio Luria Bertani

contendo 0,05 mg mL-1 de canamicina. Esta suspensão foi incubada em um agitador rotativo

(200 rpm) a 37° C. Quando a cultura atingiu uma absorbância de 0,6 a 600 nm, a mesma foi

induzida com 0,5 mmol L-1 de IPTG (isopropil-β-D-tiogalactopiranosídeo). A expressão foi

realizada durante 4 h a 37° C, e, então, as células foram lisadas por cinco passagens através de

um homogeneizador (EmulsiFlexTM C3, Avestin). Em seguida, as proteínas recombinantes

foram purificadas utilizando uma coluna HIS-Trap HP 5,0 mL (GE Healthcare Life Sciences)

ligados a um sistema de cromatografia ÄKTA Prime (GE Healthcare Life Sciences).

Alíquotas da proteína purificada (10 mg) foram aplicadas sobre um gel de

poliacrilamida (12%), o qual foi transferido para uma membrana de nitrocelulose (Amersham

Hybond ™, 0,2 um - GE Healthcare Life Sciences) a 30 V durante 50 min. Após, foi realizado

um western blotting empregando o quite Western Breeze™ Chromogenic Western Blot

Immunodetection kit (Life™). Então, as proteínas purificadas por cromatografia de afinidade

foram recolhidas em tampão de eluição (0,5 mol L-1 de NaCl, 0,5 mol L-1 de imidazol, 8 mol L-

1 de ureia e 1,0 mmol L-1 de β-mercaptoetanol). Em seguida, a amostra foi inserida em uma

membrana de diálise com poros de 12400 Da (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EUA). No

primeiro dia, as membranas foram colocadas em água Milli-Q, realizando a troca de água após

4 h. Posteriormente, a água foi substituída por tampão PBS (phosphate buffer saline) 0,15 mol

L-1 em pH 7,4 (0,2 g de KH2PO4, 5,0 g de Na2HPO4, 4,2 g de NaCl, qsp 500 mL de H2O), que

foi deixado 16-18 h em contato com a membrana. No segundo dia, o tampão PBS foi substituído

e deixado em contato com a membrana durante 8 h. As amostras foram então liofilizadas em

unidade Liotop, modelo K105, durante 24 h. Por fim, alíquotas com diferentes quantidades de

CP10 foram dissolvidas em solução tampão HBS-EP em pH 7,4 e congeladas a -80ºC até à sua

utilização.

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Todos os procedimentos descritos anteriormente foram realizados em conformidade com o

Comitê de Ética no Uso de Animais (Comitê de Ética no Uso de Animais / Universidade Federal

de Minas Gerais - UFMG), tendo obtido aprovação sob o protocolo número 161/2013 (ANEXO

I).

4.2.4. Produção de anticorpos específicos para a CP10

Soros de coelhos foram imunizados com a proteína CP10, conforme demonstrado

no trabalho de Faria et al. (2015). 128 Tais amostras foram gentilmente cedidas pelo Laboratório

de Leishmanioses coordenado pela Profa. Dra. Hélida Monteiro de Andrade do Instituto de

Ciências Básicas da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Um breve resumo do

procedimento adotado por nossos colaboradores é comentado a seguir. Os soros de coelhos

foram obtidos pela inoculação de 200 µg da CP10 em um coelho adulto do sexo masculino, da

raça Nova Zelândia. Anteriormente à primeira inoculação, uma amostra de sangue foi tomada

como controle pré-imune a partir da orelha do animal por punção venosa, estando esses

procedimentos em conformidade com o Comitê de Ética no Uso de Animais (ANEXO I).

Após a primeira imunização, as imunizações consecutivas foram realizadas em

intervalos de 15 dias (total de cinco imunizações). Uma semana após a última imunização, o

sangramento dos animais por punção cardíaca foi realizado, sendo recolhidos 60 mL de sangue

do animal. 139 Após imunização, as amostras foram centrifugadas e os soros obtidos foram

purificados por cromatografia de afinidade em relação às proteínas G e A. Seguidamente,

ensaios de ELISA foram realizados utilizando a CP10 para a determinação da concentração

molar de IgGs para CP10, obtendo-se uma concentração purificada de 1,3 mg mL-1 (8,90 μmol

L-1; IgG = 146 kDa). Por fim, as amostras contendo diferentes concentrações de

imunoglobulinas anti-CP10 foram obtidas por dissolução desses anticorpos em solução tampão

HBS-EP (pH 7,4).

4.2.5. Construção dos imunossensores

Anteriormente à etapa de funcionalização da superfície metálica durante a fase

inicial de construção dos sensores, a limpeza da superfície de ouro dos substratos utilizados nas

análises de SPR, QCM e eletroquímicas é fundamentalmente importante. Este processo foi

realizado em solução piranha (mistura 1:3 H2O2 (30%) e H2SO4 concentrado) durante cerca de

3-5 minutos, seguido pela imersão de cada substrato em acetona (5 minutos) e, então, em álcool

isopropílico (5 minutos). Posteriormente, os substratos foram lavados várias vezes com água

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63

deionizada e secados sob fluxo de N2(g) puro. A eficiência do processo de limpeza foi avaliada

através de voltamogramas cíclicos (VCs) em solução de H2SO4 0,5 mol L-1, velocidade de

varredura, v, de 50 mV s-1 no intervalo de potencial, ΔE, de -0,1 a 1,5 V vs Ag/AgCl. Neste

processo, correntes de pico anódica (Ia) e catódica (Ic) são observadas em aproximadamente

1,27 e 0,90V, potenciais característicos da oxidação do ouro a óxidos de ouro e redução dos

óxidos a ouro elementar, respectivamente. Este procedimento visa à renovação da superfície

metálica.

Após processo de limpeza da superfície metálica, as etapas subsequentes

relacionadas à construção e avaliação dos imunossensores podem ser visualizadas no esquema

abaixo (Figura 15):

Figura 15. Etapas envolvidas na construção e avaliação dos imunossensores: (I) formação da

SAM pela adsorção de 11-MUA sobre superfície do ouro; (II) imobilização da CP10 sobre a

SAM previamente ativada; (III) adição de etanolamina para bloqueio dos grupos reativos

remanescentes; (IV) interação das IgGs anti-CP10 com a CP10.

Etapa I - Formação da SAM sobre superfície do ouro. Imediatamente após limpeza da

superfície de ouro, uma SAM foi formada através da imersão de cada substrato em solução

etanólica do 11-MUA (1,0 mmol L-1) durante 24 horas (Figura 15). Em seguida, a SAM/Au

formada foi lavada algumas vezes com etanol e secada por um fluxo de N2(g) puro. Então, os

grupos carboxílicos terminais da SAM foram ativados pela adição de uma solução aquosa

contendo EDC (150 mmol L-1) e NHS (100 mmol L-1) durante aproximadamente 10 minutos

para a formação de grupos NHS-ésteres reativos. Por fim, os substratos foram lavados com

água deionizada e secados sob fluxo de N2(g) puro. 89

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64

Etapa II - Imobilização da CP10 sobre SAM. Para construção dos imunossensores de SPR,

QCM e eletroquímico, a proteína quimérica recombinante foi adicionada sobre a SAM/Au

previamente ativada (Figura 15). Visando otimizar o tempo de ligação e a concentração da

CP10 durante esta etapa de imobilização, a técnica de SPR foi utilizada. Neste estágio,

diferentes concentrações da CP10 (1,00, 2,32, 4,64, 23,2, 46,4, 116, 233, 350, 467, 934 e 1000

nmol L-1) dissolvidas em solução tampão HBS-EP (pH 7,4) foram avaliadas. Em seguida, as

condições otimizadas via SPR foram adotadas para construção dos imunossensores de EIS e

QCM.

Etapa III - Bloqueio dos grupos reativos inespecíficos. Após caracterização da ligação da CP10

sobre SAM/Au, os grupos ésteres reativos não ligados foram desativados por um breve fluxo

de 1,0 mol L-1 de uma solução aquosa de etanolamina (EA) em pH 8,5, durante

aproximadamente 5 min (Figura 15). A finalidade desta etapa é evitar ou minimizar ligações

não específicas. Em seguida, o excesso de moléculas de EA foi removido por sucessivas adições

de água, e, então, os imunossensores de SPR, QCM e EIS foram secados sob fluxo de N2(g).

4.2.6. Caracterização e avaliação cinética da interação CP10 - anti-CP10

Em um primeiro momento, a espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) foi

utilizada para caracterizar a interação entre a CP10 e os anticorpos anti-CP10. Para estas

medidas, concentrações equimolares de Fe(CN)64-/Fe(CN)6

3- (1,0 mmol L-1) em KCl 0,1 mol

L-1 foram utilizadas como sonda redox para examinar sua reatividade sobre eletrodo de ouro

não modificado e modificado com 11-MUA (SAM/Au), CP10/SAM/Au e após interação do

anticorpo sobre o imunossensor (anti-CP10/CP10/SAM/Au).

Posteriormente, a afinidade da ligação entre CP10 e os anticorpos anti-CP10 foi

mensurada via os imunossensores de SPR e QCM. Nesta etapa, diferentes concentrações dos

anticorpos (10,1; 20,2; 40,5; 81,0 e 162 nmol L-1) (Etapa IV, Figura 15) foram adicionadas

sobre os imunossensores de SPR e QCM. Em seguida, os resultados destas análises foram

extraídos para um software de modelagem cinética (TraceDrawer, versão 1.5) e os valores das

constantes cinéticas de associação (ka) e dissociação (kd) foram estimados. Dessa forma,

mediante os valores da constante de dissociação de equilíbrio, KD (kd/ka), encontrados tanto

via SPR quanto por QCM, foi possível avaliar o quão forte é a interação entre CP10 e as IgGs

anti-CP10 (anticorpos anti-L. infantum).

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65

4.3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.3.1. Proteína quimérica recombinante (CP10)

Produção

A expressão da proteína codificada pelo gene sintético foi visualizada em gel de

poliacrilamida (12%), no qual foram adicionadas as fracções solúveis e insolúveis, e, então,

recolhidas após indução com IPTG. Observou-se após coloração com Coomassie que a fracção

insolúvel tinha uma banda de 21,4 kDa, a qual está relacionada com a CP10 (Figura 16A). Uma

vez observado que a proteína quimérica permanece na porção insolúvel da cultura bacteriana,

um novo ensaio de expressão empregando grandes quantidades de meio (500 ml) foi conduzido.

Isto foi necessário para obter um volume suficiente de fração insolúvel para prosseguir com a

purificação da proteína por cromatografia de afinidade.

A Figura 16B mostra que o processo de purificação foi realizado de forma eficaz,

sem evidências de outros componentes, como por exemplo, proteínas inespecíficas. Além disso,

por Western Blotting utilizando anticorpo anti-histidina, foi possível confirmar que a banda

observada sobre o gel de poliacrilamida refere-se a CP10 (Figura 16C).

Figura 16. A) Gel de poliacrilamida (12%) (SDS-PAGE) corado com Coomassie. Frações

solúveis (S) e insolúveis (IS) da cultura bacteriana que comprovam a banda relacionada para

a CP10 (21,4 kDa). B) Gel de poliacrilamida (12%) corado com Coomassie, I: pré-purificação

por coluna de afinidade, II-VI: fracções da purificação. C) Membrana de nitrocelulose após

Western blotting usando anti-histidina, VII: pré-purificação por coluna de afinidade, VIII:

fracção da purificação. MW: peso molecular em kDa.

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Validação da CP10 em imunoensaios

Os estudos evidenciam que a utilização da proteína multiepitopo (CP10) tem um

grande potencial no diagnóstico da LVC. Resultados foram obtidos com a proteína CP10 em

três diferentes testes: 1) DPP® (Plataforma Dual-Path); 2) quite de EIE-LVC (ensaio

imunoenzimático) e 3) ELISA, observando diferenças significativas dos resultados encontrados

entre os testes. Os ensaios foram realizados com soros de cães não infectados (n = 9) e

infectados (n = 43). Enquanto as sensibilidades para os quites de EIE-LVC e DPP® foram

64,5% e 72,9%, respectivamente, no ELISA foi de 88,8%. No entanto, a especificidade obtida

pelo ELISA (80%) foi inferior quando comparada com os outros testes (DPP®: 90% e quite

EIE-LVC: 100%). Em relação à capacidade na detecção de cães infectados assintomáticos, o

quite de EIE-LVC não mostrou qualquer detecção, enquanto no DPP® foram detectados apenas

10% desses casos. Por sua vez, utilizando a CP10 em ensaios de ELISA foi possível detectar

80% dos cães assintomáticos, fator de extrema relevância, tendo em vista à dificuldade na

detecção desses casos.

A validação foi realizada com 231 amostras de soros de cães infectados com L.

infantum e 131 amostras de soros de cães não infectados utilizadas como os controles negativos.

Resultados promissores foram obtidos com ELISA, o que proporcionou uma sensibilidade

global de 80,2% e especificidade de 65,6%. De acordo com Swets, 140 esta proteína (CP10)

permitiu testes com precisão moderada (AUC = 0,82).

4.3.2. Avaliação in situ pela SPR e QCM da imobilização da CP10 sobre a SAM

Após a formação da SAM e a conversão dos seus grupos carboxílicos terminais em

NHS-ésteres reativos, a técnica de SPR foi utilizada para a análise em tempo real da

imobilização de diferentes concentrações da CP10 (1,00 a 1000 nmol L-1) sobre a SAM. Esta

etapa teve como finalidade caracterizar a imobilização da proteína sobre a monocamada, assim

como, otimizar a concentração e o tempo necessário para obter elevada cobertura de superfície

após interação da biomolécula com o filme.

A Figura 17A evidencia as curvas de SPR (sensorgramas) obtidas para a etapa de

imobilização de diferentes concentrações da CP10. Três regiões típicas das curvas para cada

uma das concentrações da proteína podem ser observadas. Primeiro, uma linha de base obtida

a partir da adição da solução tampão HBS-EP, pH 7,4, sobre a SAM previamente ativada.

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Figura 17. (A) Sensorgramas relacionando as respostas obtidas para a adição de diferentes

concentrações da CP10 (2,32 a 934 nmol L-1). (B) Curvas de refletância obtidas sobre SAM

previamente ativada (curva em preto), após imobilização da CP10 (467 nmol L-1 ou 10 µg mL-

1, curva em vermelho) e após lavagem com HBS-EP, pH 7,4 (curva em verde). (C) Resposta

obtida pela QCM para a imobilização da CP10 (467 nmol L-1) sobre a SAM.

(C)

(B)

-2000 0 20000

10

20

30

40

50

60

70

80

Refl

etâ

ncia

(%

)

SPR

/ mº

HBS-EP - linha de base

adição de CP10 (467 nmol L-1)

HBS-EP - SPR

efetiva

0 3 7 10 13

-80

-60

-40

-20

0

adição de HBS-EP

CP10 (467 nmol L-1 = 10 g mL

-1)

HBS-EP - linha de base

f

(H

z)

Tempo / min

0 4 8 12 16 20

0

400

800

1200

1600

2000

SP

R / m

º

Tempo / min

934 nmol L-1

467 nmol L-1

350 nmol L-1

233 nmol L-1

116 nmol L-1

46,4 nmol L-1

23,2 nmol L-1

4,64 nmol L-1

2,32 nmol L-1

(A)

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Em seguida, variações do ângulo de SPR (ΔθSPR) foram observadas para cada

concentração da proteína adicionada (Figura 17A). Tal fato ocorreu devido a ligação da CP10

sobre a SAM aumentar o índice de refração local nas proximidades da interface metal-

dielétrico, o que resultou em ΔθSPR como consequência de alterações provocadas na ressonância

de plásmons sobre a superfície metálica. Analisando a Figura 17A, observa-se que um

equilíbrio é atingido em aproximadamente 18 minutos, sendo este período de tempo suficiente

para obtenção de uma elevada cobertura de superfície da CP10 sobre o 11-MUA (SAM/Au). O

terceiro e último passo, consistiu em sucessivas adições da solução tampão HBS-EP (pH 7,4)

para a remoção de espécies fracamente adsorvidas sobre a SAM, observando diminuições

acentuadas na ΔθSPR devido à remoção das espécies fracamente ligadas (Figura 17A). Neste

estágio, variações efetivas do ângulo de SPR (ΔθSPR efetiva) foram obtidas, o que,

possivelmente, referem-se às moléculas de CP10 ligadas predominantemente de forma

covalente sobre a SAM. Através da análise dos valores obtidos para a ΔθSPR efetiva (Figura

17A), é possível visualizar que o aumento da concentração da CP10 de 2,32 para 467 nmol L-1

foi acompanhado por respostas mais elevadas. Por outro lado, para as concentrações de CP10

superiores a 467 nmol L-1, menores valores da ΔθSPR efetiva foram obtidos. Isto pode ser

atribuído à saturação da superfície alcançada após a adição de 467 nmol L-1 da CP10 e, portanto,

esta foi a concentração da proteína utilizada para a construção dos imunossensores.

A Figura 17B, evidencia as curvas de refletância obtidas após adição de HBS-EP,

pH 7,4, sobre SAM previamente ativada (curva em preto), após adição da CP10 (467 nmol L-1

ou 10 µg mL-1, curva em vermelho) e após lavagem com HBS-EP, pH 7,4 (curva em verde),

podendo visualizar a manutenção do mínimo das curvas de refletância obtidos em cada uma

das etapas durante o processo de imobilização da proteína sobre a SAM. Tal fato evidencia que

mesmo após a imobilização da CP10 houve o acoplamento entre a onda incidente e a onda de

plámons, e, portanto, a ocorrência do fenômeno de ressonância de plásmons sobre a superfície

de ouro.

As condições otimizadas nos estudos de SPR (concentração e tempo de

imobilização da proteína sobre a SAM) foram adotadas para a construção do imunossensor de

QCM. A Figura 17C evidencia a resposta obtida em tempo real pela QCM para a imobilização

da CP10 (467 nmol L-1 ou 10 µg mL-1) sobre a SAM. De forma semelhante às curvas de SPR,

a Figura 17C ilustra a linha de base obtida pela adição da solução tampão HBS-EP (pH 7,4)

sobre a SAM previamente ativada, seguido pela adição da CP10. Conforme observado, a adição

da proteína é caracterizada pela diminuição da frequência de oscilação do cristal de quartzo (f)

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devido ao aumento de massa ocasionado pela deposição do biomaterial sobre a superfície,

caracterizando a ligação da CP10 sobre o 11-MUA. Por fim, após lavagens sucessivas com

solução tampão HBS-EP (pH 7,4), observou-se o aumento da f devido à remoção de

biomoléculas fracamente ligadas, obtendo a variação efetiva da frequência de oscilação do

cristal (Δf efetiva) (Figura 17C).

De acordo com os resultados obtidos pela SPR e QCM, foi possível afirmar que a

formação de uma monocamada simples sobre superfície de ouro foi eficiente para a

imobilização da proteína para a construção dos imunossensores de SPR e QCM. Portanto, uma

vez otimizado o tempo de imobilização e a concentração da CP10, o passo seguinte consistiu

em determinar a espessura (d) e o índice de refração (n) do filme CP10/11-MUA formado sobre

a superfície de ouro. Estes parâmetros são aspectos importantes a serem considerados em

biossensores de SPR e QCM, uma vez que a sensibilidade desses dispositivos está concentrada

nas proximidades da interface metal-dielétrico. 43

4.3.3. Determinando simultaneamente via SPR a espessura (d) e o índice de

refração (n) da CP10 imobilizada sobre SAM/Au

Em dispositivos de SPR que operam mediante a configuração de Kretschm, quando

o fenômeno de ressonância de plásmons ocorre sobre uma superfície metálica uma quantidade

mínima de luz chega ao detector (reflexão interna total atenuada). Este fenômeno é facilmente

observado através das curvas de refletância de SPR (intensidade de refletância versus o θSPR,

Figura 5B). Estas curvas podem ser quantitativamente descritas através de resoluções acerca

das equações de Fresnel para a refletividade de um sistema de multicamadas com luz p-

polarizada. 141 Isto torna possível a simulação numérica para a determinação de algumas

propriedades, tais como o índice de refração (n) e a espessura de camadas (d) para filmes

ultrafinos (d <50 nm) em dispositivos de SPR. 142 Esta abordagem pode ser aplicada para

diversos materiais, incluindo os poliméricos, os materiais biologicamente ativos, para estruturas

em multicamadas, na pesquisa bioquímica básica, entre outras aplicações. 143

Neste estudo, o equipamento MP-SPR foi utilizado para determinar

simultaneamente n e d da CP10 (467 nmol L-1) imobilizada sobre a SAM. O método empregado

baseou-se em análises realizadas em diferentes comprimentos de onda (670 e 785 nm). Para

isto, curvas de refletância em ambos os comprimentos de onda foram obtidas antes (superfície

de ouro não modificada) e após a formação ex situ de CP10/SAM sobre a superfície metálica

(Figura 18A), sendo as análises realizadas em um mesmo meio (solução tampão HBS-EP, pH

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7,4). A imobilização de CP10 sobre 11-MUA em ambos os comprimentos de onda foi

acompanhada por uma significativa ΔθSPR, caracterizando a construção do imunossensor

(Figura 18A).

Figura 18. (A) Curvas de refletância medidas em 785 nm (curvas em preto) e 670 nm (curvas

em vermelho) para a superfície não modificada (Au) e após a formação ex situ de CP10/SAM

sobre superfície de ouro. (B) Gráfico n versus d obtido para CP10/SAM/Au em ambos os

comprimentos de onda apresentadas na Figura 18, curva em verde é a curva em 670 nm

deslocada. A interseção ocorre em d (6,80 ± 0,01) nm e n (1,475 ± 0,0001).

Em seguida, um software de ajuste óptico (Winspall, versão 3.02) foi utilizado para

modelar as curvas de refletância obtidas. Inserindo diferentes valores de n, contínuas respostas

1.40 1.42 1.44 1.46 1.48 1.50 1.52 1.54

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

Esp

essu

ra (

nm

)

Índice de Refração (a.u.)

670 nm

785 nm

deslocada

(B)

60 62 64 66 68 70 72 74 76 780.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8R

efl

etâ

ncia

SPR

(º)

785nm-Au

785nm-SAM/CP10

670nm-Au

670nm-SAM/CP10

(A)

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(d - n) para ambos os comprimentos de onda foram obtidas (Figura 18B). A posição da curva

em 670 nm (curva em preto, Figura 18B) foi deslocada (curva em verde, Figura 18B) através

de ajustes dos valores de n de acordo com a equação:

𝑛(𝑑𝑒𝑠𝑙𝑜𝑐𝑎𝑑𝑎) = 𝑛(𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙) +𝑑𝑛

𝑑𝜆∗ 115 (8)

sendo o valor dn/dλ utilizado para correlacionar os valores de n para o outro comprimento de

onda (o valor dn/dλ foi encontrado em: http://refractiveindex.info), e 115 é a diferença entre os

comprimentos de onda (neste caso 785 nm – 670 nm). Os valores para o ponto de interseção

das curvas deslocada e medida consiste numa única solução para n (1,475 ± 0,0001) e d (6,80

± 0,01) nm para CP10/SAM (Figura 18B).

De forma análoga, os valores de n e d foram previamente obtidos após adsorção ex

situ do 11-MUA sobre Au (SAM/Au). Considerando-se que a integridade da SAM não se

alterou após a imobilização da proteína, o valor aproximado de d para CP10 foi 4,64 nm (±

0,01). Estes resultados evidenciam a formação de um filme ultrafino formado após imobilização

da proteína sobre a SAM/Au. Baseando-se nestes resultados, foi possível avaliar seguramente

nas próximas etapas a interação entre a CP10 e suas IgGs específicas (anticorpos anti-CP10).

4.3.4. Caracterização da interação antígeno-anticorpo por espectroscopia de

impedância eletroquímica

A EIS fornece informações sobre variações de impedância a respeito da interface

entre a superfície metálica não modificada/solução ou a interface entre uma superfície do metal

modificado/solução. A impedância pode ser apresentada como a soma das componentes real Z

'(Ω) e imaginária Z "(Ω) que se originam, principalmente, da resistência e capacitância da

célula. Estes diagramas são conhecidos como Nyquist (-Z" versus Z') e seus espectros de

impedância incluem uma porção de semicírculo em frequências mais altas correspondente ao

processo limitante à transferência de elétrons, e uma porção linear em baixas frequências,

resultante da etapa limitante de difusão para o processo eletroquímico. O diâmetro do

semicírculo no diagrama de Nyquist representa a resistência à transferência de elétrons pela

camada, podendo, portanto, ser utilizado para descrever as propriedades da interface entre

eletrodo modificado e solução. 144

Para as medidas de EIS, quantidades equimolares de Fe(CN)6-3/-4 (1,0 mmol L-1)

em KCl 0,1 mol L-1 foram usadas como sonda eletroativa para examinar sua reatividade sobre

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eletrodo de ouro não modificado e após modificação com 11-MUA (SAM), CP10/SAM e anti-

CP10/CP10/SAM (Figura 19).

Figura 19. Diagrama de Nyquist (Z'' versus Z') obtido em solução aquosa de Fe(CN)6-3/-4 (1,0

mmol L-1) na presença de KCl (0,1 mol L-1). As curvas indicam a reação da sonda sobre

superfície de ouro não modificada (curva em azul), modificada com 11 MUA (curva em preto),

CP10/SAM (curva em vermelho) e com anti-CP10/CP10/SAM (curva em verde). Para essas

medidas, utilizou-se potencial de circuito aberto, uma amplitude de 10 mV e uma faixa de

frequência de 0,1 a 105 Hz. Inserção: circuito equivalente aplicado para modelar os dados dos

espectros de impedância na presença da sonda redox.

Os dados de EIS foram simulados com um circuito equivalente do tipo Randles

modificado, como mostrado pelo inserte da Figura 19. Este circuito inclui a resistência ôhmica

da solução de eletrólito (Rs); a impedância de Warburg (RW); a resistência à transferência de

carga (Rct); e um elemento de fase constante (CPE), o qual foi utilizado ao invés de um capacitor

puro para compensar respostas capacitivas não ideais da interface. Os dois componentes do

esquema eletrônico, Rs e RW, representam as propriedades de bulk da solução de eletrólito e as

características de difusão da sonda redox, respectivamente. CPE e Rct estão relacionados com

as características dielétricas e isolantes, respectivamente, na interface eletrodo/eletrólito e são

alterados pela modificação da superfície do eletrodo.

0 2 4 6 8 10

0

2

4

6

8

10

100

100

-Z" (

10

5

)

Z' (105 )

anti-CP10/CP10/SAM/Au

CP10/SAM/Au

SAM/Au

Au

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Cada espectro de impedância obtido (Figura 19) consiste de uma porção de semicírculo em

frequências mais altas, correspondendo ao processo limitante de transferência de elétrons, e

uma parte linear em baixas frequências resultante da etapa limitante de difusão do processo

eletroquímico. O diâmetro do semicírculo nos diagramas de Nyquist representa a Rct da camada,

e este diâmetro pode ser utilizado para descrever as propriedades da interface do eletrodo

modificado. 144

O eletrodo de ouro não modificado exibiu uma linha quase reta com um pequeno

semicírculo em altas frequências, indicando que o processo de transferência de elétrons é

limitado pela difusão (Rct = 4,30 x 10-4 MΩ) (curva ampliada em azul, Figura 19). Após a

adsorção do 11-MUA sobre a superfície de ouro (SAM/Au) e a imobilização da CP10 sobre

SAM/Au (CP10/SAM/Au), o valor de Rct aumentou para 0,732 MΩ (curva em preto, Figura

19) e 1,26 MΩ (curva em vermelho, Figura 19), respectivamente. É possível que a formação de

camadas com propriedades isolantes sobre a superfície de ouro bloquearam parcialmente as

espécies redox, e assim, dificultou a aproximação da sonda para a superfície do eletrodo. Estes

resultados demonstram a formação bem sucedida do imunossensor. Após a interação do

anticorpo anti-CP10 com CP10/SAM/Au (curva em verde, Figura 19), a Rct aumentou para 5,03

MΩ, caracterizando a interação antígeno-anticorpo.

4.3.5. Uso dos imunossensores de SPR e QCM para calcular a afinidade de ligação

entre CP10 e IgGs anti-CP10

A Figura 20 evidencia as fases de associação e dissociação obtidas após adição de

anticorpos anti-CP10 sobre os imunossensores (CP10/SAM/Au) de SPR e QCM. Tanto para a

SPR quanto para a QCM, as análises foram realizadas em três etapas consecutivas: (1) solução

tampão HBS-EP em pH 7,4 foi adicionada, e após estabilização da linha de base, a resposta

(ΔθSPR ou Δf) foi monitorada durante cerca de 50 segundos; (2) diferentes concentrações de

anticorpos anti-CP10 (10,1 a 162 nmol L-1) foram adicionadas durante aproximadamente 6-7

minutos, sendo esta etapa caracterizada como a fase de associação (ligação entre CP10 e anti-

CP10); (3) sucessivas lavagens com solução tampão HBS-EP (pH 7,4) foram realizadas para

remover o excesso de moléculas sobre a superfície do imunossensor (fase de dissociação). Após

estas etapas, foi possível obter por SPR e QCM a variação efetiva das respostas obtidas para a

ligação entre o anticorpo e CP10 imobilizada sobre a SAM/Au.

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Figura 20. Curvas de SPR (A) e QCM (C) evidenciando as etapas de associação e dissociação

para a adição de diferentes concentrações dos anticorpos anti-CP10 (10,1; 20,2; 40,5; 81,0 e

162 nmo L-1) sobre CP10 imobilizada sobre SAM/Au. Figuras (B) e (D): curvas analíticas

obtidas pelo logaritmo da variação efetiva em função do logaritmo da concentração de

anticorpos para as respostas dos imunossensores de SPR (B) e QCM (D).

Analisando as curvas de SPR (Figura 20A), foi possível observar que a constante

dielétrica do ambiente aumentou proporcionalmente com a concentração do anticorpo, sendo

tal fato acompanhado, portanto, pelo aumento do ângulo de SPR (θSPR). Em seguida, uma curva

analítica foi construída usando o logaritmo da ΔθSPR efetiva em função do logaritmo da

concentração do anticorpo (Figura 20B). Um comportamento linear (R: 0,997) foi obtido no

intervalo de concentração de 10,1 a 162 nmol L-1 com um limite de detecção de 4,23 nmol L-1.

Por sua vez, foi observado pela QCM que a frequência de oscilação do cristal

piezoelétrico diminuiu em proporção com o aumento da concentração de anticorpo (Figura

0 2 3 5 7 8

0

40

80

120

160

200

SP

R /

Tempo / min

162 nmol.L-1

81.0 nmol.L-1

40.5 nmol.L-1

20.2 nmol.L-1

10.1 nmol.L-1

(A)

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

Lo

g

SP

R (

mº)

Log conc. (nmol.L-1)

0 2 4 6 8 10

0

10

20

30

40

50

- [

f (H

z)]

Tempo / min

162 nmol.L-1

81.0 nmol.L-1

40.5 nmol.L-1

20.2 nmol.L-1

(B)

1.2 1.5 1.8 2.1 2.4

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Lo

g [

-f

(Hz)]

Log conc. (nmol.L-1)

(B)

(C)

(D)

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20C), sugerindo um maior número de biomoléculas depositadas sobre a superfície do cristal.

Uma curva analítica foi construída usando o logaritmo do negativo da Δf efetiva em função do

logaritmo da concentração do anticorpo de 20,2 a 162 nmol L-1 (Figura 20D), obtendo um R:

0,997. O limite de detecção obtido foi de 4,61 nmol L-1. Importante salientar que para uma

mesma concentração do anticorpo (81,0 nmol L-1), o desvio padrão relativo obtido para as

medidas de SPR e QCM foi menor que 5% (n=10).

Após caracterização da reação entre a proteína multiepitopo (CP10) e suas IgGs

específicas, o próximo passo consistiu em mensurar a afinidade de interação entre essas

biomoléculas. De acordo com alguns estudos relatados na literatura, as constantes de ligação

obtidas a partir dos biossensores de SPR e QCM não foram afetadas pela imobilização do

ligante, podendo uma molécula imobilizada sobre a superfície interagir de forma análoga como

se estivesse em solução. 145 Neste contexto, os dois grupos de curvas da Figura 20 (A e C) foram

avaliados através de um ajuste teórico realizado em relação aos dados experimentais, utilizando

para esta finalidade um software específico para tratamento de dados (Trace Drawer, versão

1.5) através de um modelo de interação 1:1 de Langmuir. Os resultados obtidos estão

evidenciados na Tabela 2. O ajuste realizado tanto por SPR quanto pela QCM apresentou x2 <

8 (chi2 menor que 8), sugerindo que os resultados simulados e experimentais estão em

concordância com nível de confiança de 95%.

Tabela 2. Parâmetros cinéticos obtidos pelas técnicas de SPR e QCM

Técnica ka (L mol-1 s-1)* kd (s-1)* KD (mol L-1)* r2

SPR 1,51x105 1,25x10-4 8,27x10-10 7,34

QCM 4,09x105 9,88x10-5 2,42x10-10 2,99

* Os desvios encontrados para essas medidas não são significativos (< 5 %).

Estes resultados sugerem um sítio (epítopo) imunodominante presente no antígeno (CP10).

Além disso, os valores obtidos dos parâmetros cinéticos encontrados tanto pela SPR quanto

pela QCM (Tabela 2) evidenciam elevada afinidade de ligação da CP10 frente suas IgGs

específicas, conforme evidenciado pelo baixo valor da constante de dissociação de equilíbrio

(KD = 10-10 mol L-1). De acordo com a literatura, valores de KD na ordem de 10-7 a 10-8 sugere

elevada afinidade de ligação para interações envolvendo antígeno-anticorpo. 145 Portanto, o

valor de KD obtido em nossos estudos sugere uma afinidade de ligação anda mais elevada da

CP10 frentes aos anticorpos da LV quando tipicamente comparado com os sistemas antígeno-

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anticorpo, demonstrando quantitativamente o forte caráter imunogênico dessa nova proteína

recombinante quimérica.

4.4. CONCLUSÕES PARCIAIS

No presente estudo, imunossensores de SPR e QCM foram empregados com

sucesso para avaliar cineticamente a afinidade de ligação de uma nova proteína quimérica

recombinante frente a anticorpos anti-Leishmania infantum, visando frente a uma abordagem

quantitativa, demonstrar a aplicabilidade dessa proteína no imunodiagnóstico da leishmaniose

visceral.

As medidas de SPR em diferentes comprimentos de onda (670 e 785 nm) foram

realizadas de modo a determinar simultaneamente o índice de refração (1,475) e a espessura

(6,80 nm) da CP10 covalentemente imobilizada sobre a SAM (CP10/SAM/Au). Sendo esta,

uma metodologia adotada pelo nosso grupo para análise de n e d de proteínas, sendo tal

abordagem possível de ser aplicada devido à formação de um filme ultrafino e transparente

formado sobre a interface metal-dielétrico após interação da CP10 com a SAM.

Pela técnica de EIS, verificou-se que a formação de camadas com propriedades

isolantes sobre a superfície do ouro bloquearam parcialmente as espécies redox, obtendo-se

valor mais elevado de Rct (5,03 MΩ) após a interação da CP10 com suas IgGs anti-CP10.

Através destes resultados, foi possível observar qualitativamente o caráter antigênico

(imunogênico) da CP10.

A partir da análise quantitativa do potencial antigênico da CP10 obtida pelos

imunossensores de SPR e QCM, observou-se elevada afinidade de ligação entre a CP10 e os

anticorpos anti-CP10 (KD = 8,27 x 10-10 mol L-1 calculado via SPR; e KD = 2,42 x 10-10 mol L-

1 calculado via QCM). Além disso, os baixos limites de detecção encontrados por SPR (LOD =

4,23 nmol L-1) e QCM (LOD = 4,61 nmol L-1) evidenciam a viabilidade de aplicação dos

imunossensores de SPR e QCM para detecção em tempo real, livre de marcação e com elevada

sensibilidade de anticorpos específicos da LV.

Os resultados encontrados nestes estudos, somados aos resultados obtidos pelo

método de ELISA empregando a CP10 para detecção dos cães infectados assintomaticamente,

consistem em fortes evidências para a potencial contribuição desta nova proteína em

imunodiagnósticos, e, portanto, em programas de controle da LV.

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Plataforma multivalente empregada

para imobilização de uma proteína

de função desconhecida

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5. IMOBILIZAÇÃO SOBRE DENDRÍMERO DE UMA PROTEÍNA DE

FUNÇÃO DESCONHECIDA EM L. INFANTUM PARA ESTUDO

CINÉTICO VIA SPR DA INTERAÇÃO ANTÍGENO-ANTICORPO 146

5.1. MOTIVAÇÃO PARA REALIZAÇÃO DESTE ESTUDO

Uma vez conhecida a viabilidade dos imunossensores desenvolvidos para avaliação

in situ da interação antígeno-anticorpo, o próximo passo do trabalho consistiu em buscar

amplificação da interface de reconhecimento durante a etapa de construção dos biossensores.

Para esta finalidade, foi explorado neste próximo estudo o método de “layer by layer” através

do uso combinado de SAM de tiol (cisteamina) e dendrímero de geração 4 consistindo de 64

grupos amino-terminais (poliamidoamina, PAMAM(G4)). Esta plataforma multivalente

(PAMAM-SAM) foi utilizada como suporte para a biomolécula de reconhecimento, sendo esta

uma proteína com função desconhecida no protozoário L. infantum (proteína hipotética C1 ou

proteína C1). 126

A importância de se empregar no presente momento a proteína hipotética

supracitada para a construção dos biossensores pode ser entendida a partir das considerações a

seguir. Verificou-se que a proteína hipotética C1 de L. infantum sintetizada por nossos

colaboradores (Fonseca et al. (2014)) apresentou em imunoensaios reatividade contra soros

caninos infectados por L. infantum e nenhuma reatividade frente a soros infectados com

Trypanosoma cruzi. Além disso, também foi notificado que todas as amostras de soros de cães

assintomáticos foram detectadas pela proteína C1. 126 Resultados estes bastante promissores,

tendo em vista à enorme dificuldade do diagnóstico eficaz para esses casos.

Outro ponto particularmente importante considerado para utilização da proteína C1

é que, conforme relatado por Peacock et al. (2007), L. infantum é uma célula diplóide que possui

36 pares de cromossomos e cerca de 8300 genes, dos quais 27 são genes específicos da espécie.

107 Entre estes genes, 10 apresentam funções preditas, enquanto 17 são hipotéticos, em outras

palavras, suas funções são desconhecidas. Dessa forma, em todo o genoma da espécie de L.

infantum não são conhecidas as funções para mais de 50% dos genes identificados, sendo estes

genes de proteínas hipotéticas, portanto, alvos bastante interessantes para a pesquisa. Tais

evidências corroboram às justificativas apresentadas para a escolha da proteína C1 neste estudo.

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Neste contexto, uma vez encontrado grande incentivo para realização deste próximo

estudo, foi realizada a imobilização da proteína C1 sobre a plataforma multivalente para a

construção de um imunossensor de SPR para detecção de anticorpos anti-L. infantum.

Importante salientar que a técnica de SPR foi escolhida para este estudo devido, principalmente,

sua maior praticidade em relação à QCM.

A partir dos resultados encontrados da interação entre a proteína C1 e suas IgGs

específicas, um estudo cinético foi proposto para elucidar o mecanismo de reação entre essas

biomoléculas, tornando possível quantificar o número de sítios imunodominantes e o caráter

imunogênico (antigênico) dessa proteína hipotética C1. Por fim, visando avaliar a viabilidade

de aplicação imunossensor de SPR proposto, foram utilizadas amostras reais consistindo de

soros caninos positivos e negativos para a LV.

5.2. EXPERIMENTAL

5.2.1. Reagentes químicos, soluções e instrumentação

O dendrímero poliamidoamina (PAMAM, núcleo etilenodiamina, geração 4,0,

solução 10 % (g/g) em metanol), a cisteamina (CYS, 99%) e uma solução aquosa de

glutaraldeído (GLU, 25 % g/v) foram adquiridos da Sigma Aldrich Chemical (St. Louis, MO,

EUA). Os demais reagentes químicos, soluções e instrumentação utilizados neste estudo já

foram descritos no estudo anterior (seção 4)

5.2.2. Proteína hipotética C1 (proteína recombinante C1 ou antígeno C1)

A proteína recombinante C1 (MM = 40,7 kDa) foi sintetizada através da tecnologia

do DNA recombinante, sendo adquirida através de colaboração efetivada com o Laboratório de

Leishmanioses do Instituto de Ciências Básicas da Universidade Federal de Minas Gerais

(UFMG). 126 A Tabela 3, evidencia a sequência de aminoácidos dessa proteína e de nucleotídeos

do gene que a codifica.

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Tabela 3. Sequências de aminoácidos e nucleotídeos da proteína C1 - gi|146094146|ref|XP_

001467184.1| hypothetical protein [Leishmania infantum JPCM5].

A seleção da proteína hipotética C1, as etapas realizadas para sua produção e a

avaliação de sua imunogenicidade, serão discutidas a seguir.

Seleção da proteína recombinante C1

Essa proteína hipotética de Leishmania foi selecionada com base em quatro critérios

diferentes. Primeiramente, a proteína não foi anteriormente descrita na literatura, exceto no

sequenciamento automático de genomas de tripanossomatídeos e em nossa pesquisa. Em

segundo lugar, essas proteínas são conservadas em espécies de Leishmania. O terceiro critério

consistiu na presença de epitopos de células B como previsto em dois softwares

MMYTGEIENGQMHGRGCLIYPNKEKYEGDWVYGKRHGHGVYTYAD

GSKYDGEWVEDKVHGKGTCYYASGNRYTGDWTFGRINGRGTLEYA

DGDRYDGEWKDGRMHGKGLYYYSNGDRYDGEWKDDKRHGKGTV

TYAGPDGSVSEKFDGDWVEGRMQGWGKYYYADGGVYEGEWQDGK

MHGKGTYIFPNGNKYEGEWCDDVKQGYGVLTYVNGERYEGYWLDD

KAHGTGTLTYLQGDRYTGEWYQGKKHGRGTLAYSNKDTYEGEWRN

DSATGRGVLEYANGCRYEGDWLDDRRHGEGQLLLPDGSSYEGGWV

NGKKEGRARIILKCGAVFVGTWKDNRIVGQGEFYLSENCDLNNPDY

Proteína em

formato FASTA

(358 aa)

Gene em

formato FASTA

(1077 pb)

ATGATGTATACAGGTGAAATCGAGAACGGCCAGATGCATGGCCGG

GGCTGCCTCATCTACCCGAACAAGGAGAAGTACGAGGGCGACTGG

GTGTACGGCAAGCGTCACGGCCACGGCGTGTACACATACGCGGAC

GGTAGCAAGTACGATGGGGAGTGGGTGGAGGATAAGGTGCACGG

CAAGGGCACATGCTACTACGCCAGCGGCAATCGCTACACCGGTGA

CTGGACGTTTGGCCGCATCAACGGCCGCGGTACCCTCGAGTACGCC

GACGGCGATCGCTACGACGGTGAGTGGAAGGACGGCCGCATGCAT

GGCAAAGGTCTCTACTACTACTCCAACGGCGACCGCTACGACGGC

GAGTGGAAGGATGATAAACGTCACGGAAAGGGTACGGTGACGTAC

GCCGGCCCCGACGGTAGCGTGTCGGAGAAGTTCGACGGCGACTGG

GTGGAGGGGCGCATGCAGGGCTGGGGTAAGTACTACTACGCCGAC

GGCGGCGTTTACGAGGGCGAGTGGCAGGATGGCAAGATGCACGGC

AAGGGTACGTACATATTCCCGAACGGCAACAAATACGAGGGTGAG

TGGTGCGACGATGTGAAGCAGGGCTACGGTGTGCTGACCTACGTC

AACGGCGAGCGCTACGAGGGCTACTGGCTGGACGACAAGGCGCAC

GGCACCGGCACCCTCACCTACCTCCAGGGTGACCGCTATACAGGC

GAGTGGTACCAGGGCAAGAAACACGGCCGCGGTACTCTGGCCTAT

AGCAACAAAGACACGTATGAGGGCGAGTGGCGGAACGACAGCGC

GACCGGCCGAGGTGTGCTCGAGTACGCGAATGGGTGCCGCTACGA

GGGAGACTGGTTGGATGATAGGCGCCACGGCGAAGGCCAGCTGTT

GCTACCGGACGGCTCCAGCTATGAGGGTGGGTGGGTGAATGGCAA

GAAGGAGGGCCGCGCCCGCATTATCCTCAAGTGCGGCGCCGTCTT

CGTGGGCACTTGGAAGGACAACCGTATCGTGGGACAGGGCGAGTT

CTACCTCTCCGAGAACTGCGACCTCAACAATCCCGACTACTAG

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simultaneamente (BCPred e ABCPred). O quarto fator, é que os epitopos mapeados não

reagiram com soros caninos infectados com Trypanosoma cruzi, nem mesmo com soros caninos

saudáveis em imunoblottings. Adicionalmente, seus epitopos são altamente imunogênicos

quando testados com soros caninos infectados com L. infantum.

Produção do antígeno C1 de L. infantum

A sequência de nucleotídeos e aminoácidos utilizada neste estudo foi obtida a partir

do Centro Nacional de Informações Biotecnológicas (http://www.ncbi.nlm.nih.gov).

Inicialmente, o DNA genômico foi extraído de L. infantum (MHOM/BR/1972/BH46) através

do quite QIAamp DNA Mini ® (QIAGEN) e utilizado como molde na PCR. Primes foram

projetados usando Oligo Explorer software 1.4 (www.genelink.com/tools/gl-oe.asp) e Primer

Premier 5.0 (www.premierbiosoft.com/primerdesign/). A reação de amplificação foi conduzida

nas seguintes condições: desnaturação preliminar a 94 ºC durante 5 minutos, seguido por 25

ciclos de desnaturação a 94 ºC durante 1 min, hibridização a 54 ºC durante 1 min, extensão a

72 ºC durante 1 min, e uma extensão final de 5 min.

O produto de PCR foi clonado em Nhel / HindIII (para proteínas C1) para sítios de

restrição do vector pET-28a - TEV, que permitiu uma marcação de 6 resíduos de histidina para

ser fundida com a proteína. Em seguida, células eletrocompetentes de Escherichia coli (BL21)

foram transformadas com os plasmídeos recombinantes. Para expressão da proteína, uma única

colônia foi crescida em meio 2xYT (1,6 % Bactotriptona, 1 % de extrato de levedura, 0,5 % de

NaCl) contendo 0,05 mg mL-1 de canamicina durante 16 h. Quando a cultura atingiu uma

absorbância de 0,6 a 600 nm, a mesma foi inoculada em 1L de 2xYT com canamicina, mantida

sob as mesmas condições acima e induzida com 0,5 mmol L-1 com IPTG. A expressão foi

realizada durante 4 h a 37°C, e as células foram então lisadas por cinco passagens através de

um homogeneizador (Emulsiflex ™ C3). Em seguida, a proteína recombinante foi purificada

utilizando uma coluna de 5 mL HIS-Trap (GE Healthcare Life Science) ligada a um sistema de

cromatografia Akta Prime (GE Healthcare Life Science).

Antigenicidade da proteína recombinante C1

Através dos ensaios de validação desta proteína, foi observado resultados

promissores para a utilização da proteína C1 frente a amostras de soros humanos e caninos.

Como exemplo, para amostras de soros caninos testados individualmente por ELISA, foi obtida

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uma sensibilidade de 80% e a proteína foi capaz de diferenciar significativamente os grupos

controles e infectados. Além disso, todas as amostras de soros de cães assintomáticos foram

detectadas pela proteína C1. 126 O antígeno de C1 possibilitou testes com precisão moderada

(área sob a curva - AUC = 0,76) 140. Em seguida, alíquotas consistindo de diferentes quantidades

da proteína C1 foram dissolvidas em solução tampão HBS-EP, pH 7,4, e congeladas à -80ºC

até a sua utilização.

5.2.3. Produção de IgGs específicas para a proteína recombinante C1

Soros de coelhos da raça Nova Zelândia foram imunizados através da inoculação

da proteína C1, conforme demonstrado no trabalho de Fonseca et al (2014). 126 Anteriormente

à primeira inoculação, uma amostra de sangue (3 mL) foi tomada como controle pré-imune a

partir da orelha do animal por punção venosa. Os procedimentos foram realizados em

conformidade com o Comitê de Ética no Uso de Animais (Comitê de Ética no Uso de Animais

/ Universidade Federal de Minas Gerais), tendo obtido aprovação com o número do protocolo

161/2013 (ANEXO II). Após a primeira imunização, sucessivas imunizações foram realizadas

em intervalos de 10 a 15 dias (total de 4 imunizações). Posteriormente, 7 dias após a última

imunização, a sangria dos animais foi realizada por punção cardíaca, em que foram recolhidos

50 mL de sangue do animal. 139

Após imunização, as amostras foram centrifugadas e os soros obtidos purificados

por cromatografia de afinidade em relação às proteínas G e A. Em seguida, os ensaios de ELISA

foram realizados utilizando a proteína C1 para a determinação da concentração molar de IgGs

específicas para esta proteína, obtendo-se uma concentração purificada de 1,40 mg mL-1 (9,59

mmol L-1, IgG = 146 kDa). As amostras contendo diferentes concentrações de IgGs anti-C1

(1,00 a 200 nmol L-1) foram obtidas por dissolução destes anticorpos em solução tampão HBS-

EP, pH 7,4.

5.2.4. Soros caninos

Amostras de soros positivos para LVC foram coletadas de cães naturalmente

infectados com o antígeno L. infantum em regiões endêmicas da cidade de Belo Horizonte

(MG), Brasil. Para estas amostras, os diagnósticos foram realizados pelos métodos sorológicos

IFAT e ELISA no Laboratório de Leishmanioses da Universidade Federal de Minas Gerais

(UFMG), Belo Horizonte (MG), Brasil. Para os controles negativos, amostras de soros foram

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obtidas a partir de cães saudáveis alojados em áreas não endêmicas da região metropolitana de

Belo Horizonte.

Para os ensaios, dois pools de soros caninos foram preparados. O primeiro

consistindo de 10 soros positivos para LV e o segundo de 10 soros negativos para LV. Ambos

os pools foram dissolvidos em tampão HBS-EP (pH 7.4) em diferentes diluições (v/v): 1:50,

1:100, 1:400 , 1:800 , 1:1600 , 1:3200 , 1:6400 , 1:12800 , 1:25600 , 1:51200 e 1:102400.

5.2.5. Construção e avaliação do imunossensor de SPR

Anteriormente ao início de construção dos biossensores, a limpeza da superfície de

ouro foi realizada, conforme já discutido no estudo anterior (seção 4).

Para facilitar a visualização das etapas envolvidas na construção do imunossensor

de SPR, um esquema foi inserido (Figura 21) e os procedimentos realizados em cada etapa

foram descritos abaixo:

Etapa I – Formação de CYS-SAM sobre ouro. Imediatamente após limpeza da superfície de

ouro, uma SAM foi formada por adsorção de cisteamina (CYS) sobre a superfície metálica

através da adição de uma solução etanólica consistindo de 2,0 mmol L-1 de CYS durante 24

horas de interação. Após formação, a superfície modificada com a CYS-SAM foi lavada

diversas vezes com etanol e secada sob fluxo de N2(g) puro. Então, os grupos amino-terminais

da SAM foram ativados pela adição de uma solução aquosa de glutaraldeído (GLU, 2,5 % g/v)

durante 10 minutos, seguido por sucessivas lavagens com água e secagem com fluxo de N2(g)

(Figura 21).

Etapa II – Formação de PAMAM(G4)/CYS-SAM. A solução metanólica de PAMAM(G4) 10%

(g/g) foi adicionada sobre CYS-SAM previamente ativada, deixando reagir overnight para a

formação de PAMAM(G4)/CYS-SAM (PAMAM(G4)/SAM). Então, a superfície contendo

PAMAM(G4)/SAM foi lavada três vezes com metanol e secada com N2(g). Posteriormente, os

grupos amino-terminais do dendrímero foram ativados pela adição da solução aquosa de

glutaraldeído (2,5% g/v) durante aproximadamente 30 minutos, seguido por sucessivas

lavagens com água e secagem sob fluxo de N2(g) (Figura 21).

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Figura 21. Etapas envolvidas na construção e avaliação do imunossensor de SPR. (I)

Formação de CYS-SAM sobre ouro; (II) Formação de PAMAM(G4)/CYS-SAM; (III)

Imobilização da proteína C1; (IV) Bloqueio dos grupos reativos inespecíficos; (V) interação

entre IgGs anti-C1 e proteína C1.

Etapa III – Imobilização da proteína C1. Diferentes concentrações da proteína recombinante

C1 (0,1 – 80 µg mL-1 ou 0,00245 – 1,96 µmol L-1) foram adicionadas sobre CYS-SAM e

PAMAM(G4)/SAM (Figura 21) previamente ativadas e a imobilização monitorada em tempo

real via SPR. A eficiência de CYS-SAM e PAMAM(G4)/SAM para suporte da proteína foi

comparada.

Etapa IV – Bloqueio dos grupos reativos inespecíficos. Os grupos reativos glutaraldeídos (Glu)

remanescentes sobre a SAM e PAMAM(G4)/SAM, foram desativados por um fluxo de 1,0 mol

L-1 de solução aquosa de EA por aproximadamente 5 minutos, visando evitar ou minimizar

ligações não específicas (Figura 21).

Etapa V – Avaliação do Imunossensor. Após construção do imunossensor, a cinética de

interação entre a proteína C1 e suas IgGs anti-C1 foi avaliada através das curvas de associação

e dissociação obtidas via SPR. Nesta etapa, diferentes concentrações de anticorpos (9,70; 13,0;

19,4; 25,9; 51,8; 77,7; 104 e 155 nmol L-1) foram adicionadas sobre proteína

C1/PAMAM(G4)/SAM/Au (Figura 21).

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5.3. RESULTADOS E DISCUSAO

5.3.1. Imobilização da proteína C1 sobre CYS-SAM e PAMAM(G4)/SAM

Primeiramente, a solução tampão HBS-EP (pH 7,4) foi adicionada sobre CYS-

SAM e PAMAM(G4)/SAM, ambas as superfícies previamente ativadas pela mistura

EDC/NHS, e o ângulo de ressonância foi monitorado até a estabilização da linha de base. Em

seguida, soluções da proteína C1 em diferentes concentrações foram adicionadas sobre os

filmes e o processo de imobilização foi acompanhado em tempo real via SPR (Figura 22).

Figura 22. Sensorgramas relacionando a ΔθSPR efetiva obtida para adição das diferentes

concentrações da proteína recombinante C1. Imobilização da proteína sobre CYS–SAM (A) e

sobre PAMAM(G4)-SAM (C). Figuras (B) e (D): relação linear entre a concentração da

proteína e a ΔθSPR efetiva para os resultados evidenciados pelas Figuras (A) e (B),

respectivamente.

0 3 6 9 12 15

0

300

600

900

1200

1500

1800

SP

R / m

º

Tempo / min

80 g mL-1

70 g mL-1

50 g mL-1

30 g mL-1

0 10 20 30 40 50

0

50

100

150

200

250

SP

R / m

º

conc. / g mL-1

30 40 50 60 70 80200

400

600

800

1000

1200

SP

R / m

º

conc. / g mL-1

0 3 6 9 12 15

0

300

600

900

1200

1500

1800

SP

R / m

º

Tempo / min

50 g mL-1

40 g mL-1

30 g mL-1

20 g mL-1

10 g mL-1

0.1g mL-1

(A)

(C)

(B)

(D)

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86

A Figura 22A mostra que a ligação da proteína C1 sobre CYS-SAM/Au foi

acompanhada por ΔθSPR. Após esta etapa, realizou-se sucessivas lavagens com tampão HBS-

EP, pH 7,4, e a ΔθSPR efetiva foi obtida para cada concentração da proteína adicionada (Figura

22A). Como pode ser visto pela Figura 22B, a ΔθSPR efetiva aumentou linearmente com o

aumento do número de moléculas. No entanto, a adição da proteína C1 numa concentração mais

elevada (50 µg mL-1) não demonstrou diferença significativa da ΔθSPR efetiva em comparação

ao valor observado para a concentração de 40 µg mL-1. Além disso, concentrações maiores que

50 µg mL-1 (60, 70 e 80 µg mL-1) foram acompanhadas por respostas menores quando

comparadas com o valor da ΔθSPR efetiva obtido para 50 µg mL-1. Possivelmente, a saturação

da superfície ocorreu devido a um número limitado de sítios da CYS-SAM acessíveis para

ligação da biomolécula.

Por sua vez, a adição de concentrações elevadas da proteína recombinante C1 (30

– 80 µg mL-1 ou 0,737 - 1,96 µmol L-1) sobre PAMAM(G4)-SAM foi acompanhada por maiores

valores da ΔθSPR efetiva quando comparada aos valores obtidos com a CYS-SAM somente

(Figura 22C). Como visto pela Figura 22D, maiores ΔθSPR efetivas foram possivelmente

observadas para concentrações ainda mais elevadas da proteína (50, 70, e 80 µg mL-1), não

ocorrendo a saturação da superfície de PAMAM(G4)/SAM/Au. Provavelmente, esta resposta

melhorada ocorreu devido à estrutura tridimensional do dendrímero, a qual proporcionou um

aumento de área superficial para interação com a proteína C1. Assim, a geometria estérea

combinada com vários grupos aminos reativos existentes em PAMAM(G4) aumentou

significativamente a quantidade de biomoléculas ligadas (Figura 22 C e D). De acordo com

estes resultados, o uso combinado de PAMAM(G4) e CYS-SAM foi escolhido para a

construção do imunossensor de SPR.

5.3.2. Caracterização eletroquímica do imunossensor

As técnicas de voltametria cíclica (VC) e espectroscopia de impedância

eletroquímica foram utilizadas para caracterização do imunossensor. Para estas medidas, o

ferricianeto de potássio (III) foi utilizado como sonda eletroativa para examinar a sua

reatividade sobre superfície de ouro não modificada e modificada com CYS-SAM,

PAMAM(G4)/SAM e após imobilização do antígeno (proteína C1) sobre a camada

multivalente (antígeno-PAMAM (G4)-SAM). As curvas em preto e vermelho da Figura 23A

evidenciam, respectivamente, os voltamogramas cíclicos para a reação da sonda sobre

superfície de ouro não modificada e após formação da SAM (CYS 2,0 mmol L-1) sobre ouro.

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87

Figura 23. Voltamogramas cíclicos (A) e diagrama de Nyquist (Z'' versus Z') (B), obtidos em

solução aquosa de Fe(CN)6 4-/3- (1,0 mmol L-1) na presença de KCI 0,1 mol L-1. As curvas

(Figuras A e B), evidenciam a reação da sonda sobre superfície de ouro não modificada (curvas

em preto), modificada com CYS-SAM (curvas em vermelho), PAMAM(G4)-SAM (curvas em

verde) e com antígeno-PAMAM(G4)-SAM (curvas em azul). Os voltamogramas (Figura 23A)

foram realizados a uma velocidade de varredura de 20 mV s-1. A Figura inserida (Figura 23B)

representa o circuito equivalente aplicado para modelar os dados de impedância na presença

da sonda redox.

Como pode ser visto, dois picos bem definidos característicos do Fe(CN)64-/ Fe (CN)6

3- foram

observados sobre o eletrodo de ouro não modificado (curva em preto, Figura 23A). Por sua vez,

após adsorção do alcanotiol de cadeia curta (formação de CYS-SAM) sobre superfície de ouro,

uma maior resistência à reação da sonda redox foi observada (curva em vermelho) em

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6

-12

-6

0

6

12

18

i (

A)

E(V) vs. Ag/AgCl

Au

CYS-SAM/Au

PAMAM/CYS-SAM/Au

C1/PAMAM/CYS-SAM/Au

0 500 1000 1500

0

500

1000

1500

Z'' (

)

Z' ()

Au

CYS-SAM/Au

PAMAM/CYS-SAM/Au

C1/PAMAM/CYS-SAM/Au

(A)

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88

comparação à superfície não modificada. A curva em verde da Figura 23A evidencia que o

sistema multivalente formado por PAMAM(G4)/CYS-SAM dificultou ainda mais o acesso da

espécie redox Fe(CN)63-/Fe(CN)6

4- para a superfície do eletrodo. Por fim, as menores

intensidades de corrente anódica e catódica e o maior sobrepotencial foram observados após

ligação da proteína recombinante C1 (antígeno C1) sobre a plataforma multivalente (curva em

azul, Figura 23A). Portanto, uma maior resistência à reação da espécie eletroativa foi alcançada

após adição da proteína C1 sobre o filme, caracterizando o processo de imobilização da

biomolécula.

A fim de comprovar os indícios observados pelos voltamogramas cíclicos e para

obter informações detalhadas acerca da resistência de transferência de carga (Rct) medidas de

EIS foram realizadas. Figura 23B evidencia as curvas de Nyquist para eletrodo de ouro não

modificado (curva em preto), para CYS-SAM/Au (curva em vermelho), PAMAM(G4)/CYS-

SAM/Au (curva em verde) e para C1/PAMAM(G4)/CYS-SAM/Au (curva em azul) na presença

da sonda redox. Os dados de impedância foram simulados com um circuito equivalente de

Randles modificado, como mostrado na inserção da Figura 23B.

O eletrodo de ouro não modificado exibiu uma linha quase reta com um pequeno

semicírculo em altas frequências, indicando um processo de transferência de elétrons limitado

por difusão (Rct = 0,43 k) (curva em preto, Figura 23B). Após a adsorção de CYS-SAM sobre

a superfície de ouro, o valor de Rct aumentou para 1,19 k (curva em vermelho, Figura 23B),

ocorrendo um bloqueio parcial da transferência de elétrons da sonda redox sobre a superfície

do eletrodo, caracterizando a formação da CYS-SAM. Após formação do sistema multivalente

(PAMAM(G4)/CYS-SAM/Au) sobre superfície de ouro, o valor encontrado de Rct foi mais

elevado (2,10 k ). Seguidamente, para a imobilização do antígeno recombinante C1 sobre

PAMAM(G4)/CYS-SAM/Au (curva 4, Figura 23B), a Rct aumentou para 9,97 k ,

confirmando a tendência observada pelos experimentos de voltametria cíclica.

A interação entre o antígeno C1 de L. infantum e a plataforma previamente ativada

foi ainda caracterizada por meio da análise da constante aparente da velocidade heterogênea à

transferência de elétrons (𝐾𝐸𝑇o ) para a sonda redox estudada. A 𝐾𝐸𝑇

o correspondente dos

eletrodos modificados foi calculada usando a cinética de transferência de carga 147:

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89

𝐾𝐸𝑇o = 𝑅𝑇 𝑛2⁄ 𝐹2𝐴 𝑅𝑐𝑡𝐶 (9)

sendo R a constante dos gases, T a temperatura, n o número de elétrons envolvidos, Rct a

constante de transferência de elétrons do par redox, F a constante de Faraday, A a área

geométrica do eléctrodo, e C a concentração molar da sonda em solução.

Quando o eletrodo de ouro não modificado foi funcionalizado com CYS-SAM a

kETo diminuiu de 1,97 x 10-2 cm s-1 para 7,12 x 10-3 cm s-1. Os valores de 𝐾𝐸𝑇

o para superfície

de ouro modificada com PAMAM(G4)/CYS-SAM e com a proteína C1 (antígeno C1/PAMAM

(G4)/CYS-SAM) foram 4,03 x 10-3 cm s-1 e 8,50 x 10-4 cm s-1, respectivamente.

Portanto, a formação de camadas sobre a superfície de ouro dificultou o acesso da

sonda eletroativa para a superfície do eletrodo, sendo o maior valor de resistência encontrado

após adição da proteína, caracterizando com sucesso sua imobilização sobre a plataforma

multivalente.

5.3.3. Estudo cinético da reação entre a proteína C1 imobilizada sobre

PAMAM(G4)/SAM e suas IgGs anti-C1

Após construção e caracterização do imunossensor de SPR, foi realizada uma

avaliação cinética da interação entre a proteína hipotética C1 e suas IgGs específicas anti-C1.

A Figura 24A evidencia as fases de associação e dissociação obtidas durante o ensaio.

Inicialmente, a solução tampão HBS-EP (pH 7,4) foi adicionada e, após a estabilização da linha

de base, a resposta (ΔθSPR) foi monitorada durante cerca de 50 segundos (Figura 24A). Em

seguida, diferentes concentrações de anticorpos anti-C1 (9,70 a 155 nmol L-1) dissolvidas em

solução tampão HBS-EP, pH 7,4, foram adicionadas sobre o imunossensor de SPR (proteína

C1/ PAMAM(G4)-SAM/Au), verificando a interação antígeno-anticorpo. Esta fase de

associação foi avaliada por aproximadamente 6 a 7 minutos. A última etapa consistiu em

sucessivas lavagens com solução tampão HBS-EP (pH 7,4) para remoção de moléculas em

excesso sobre a superfície do imunossensor (fase de dissociação). Após estas etapas, os valores

da ΔθSPR efetiva foram obtidos (Figura 24A e Figura 24B). É possível observar que a ΔθSPR

efetiva aumentou em proporção com a concentração de anticorpo adicionada. Dessa forma, uma

curva analítica foi construída usando a ΔθSPR efetiva em função da concentração do anticorpo

(Figura 24B). Este gráfico exibiu uma boa linearidade (R = 0,998) no intervalo de concentração

de 9,70 a 51,8 nmol L-1, com limites de detecção e quantificação de 7,37 e 7,83 nmol L-1,

respectivamente.

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Figura 24. (A) Sensorgrama ilustrando as fases de associação e dissociação após a adição de

diferentes concentrações dos anticorpos anti-C1 (9,70 a 155 nmol L-1) sobre a proteína C1

(1,96 µmol L-1 ou 80 µg mL-1) imobilizada sobre PAMAM(G4)/SAM/Au. (B) Curva analítica

evidenciando a faixa linear de resposta (9,70 a 51,8 nmol L-1).

Com o intuito de um melhor entendimento acerca da cinética de reação entre a

proteína C1 e suas específicas IgGs anti-C1, um mecanismo de reação foi proposto neste estudo.

A seguir, serão descritos os processos que auxiliaram na elaboração de um modelo cinético que

explica o comportamento experimental observado através da Figura 24A. Para entendimento

dos mecanismos envolvidos na reação entre a proteína C1 (antígeno C1) e suas específicas IgGs

anti-C1, uma consulta à literatura foi realizada para estudo das abordagens disponíveis para

avaliação de interações entre biomoléculas. Verificou-se que há basicamente três metodologias

disponíveis, as quais envolvem estratégias de linearização, desenvolvimento de equações de

velocidades integradas e processos de integração numérica. 148 Além disso, foi observado que

0 2 3 5 7 8

0

40

80

120

160

200 155 nM

104 nM

77.7 nM

51.8 nM

25.9 nM

19.4 nM

13.0 nM

9.70 nM

SP

R /

Tempo / min

(A)

0 30 60 90 120 150

0

30

60

90

120

150

SP

R / m

º

conc. (nmol L-1)

(B)

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geralmente as interações do tipo antígeno-anticorpo são descritas com estequiometria de 1 para

1 que levam à formação de um complexo. Neste contexto, esta foi a estequiometria inicialmente

adotada para descrevermos a cinética da reação entre o antígeno C1 e os anticorpos anti-C1,

como demonstrado pela seguinte expressão:

𝐴 + 𝐵 ⇌ 𝐴𝐵 (10)

em que, [A]: concentração de moléculas do antígeno C1; [B]: concentração de moléculas do

anticorpo anti-C1; [AB]: concentração do complexo antígeno C1 – anticorpo anti-C1 com

ligação do anticorpo em um sítio (epitopo) do antígeno.

A expressão 10 pode ser representada pela constante de equilíbrio de dissociação (KD):

𝐾𝐷 =𝑘𝑑

𝑘𝑎=

[𝐴][𝐵]

[𝐴𝐵] (11)

sendo, Kd: constante cinética de dissociação; Ka: constante cinética de associação.

Considerando que as moléculas do antígeno C1 (A) estão fortemente imobilizadas

sobre PAMAM(G4)/SAM/Au, podemos considerar que sua variação é desprezível. Por sua vez,

ao adicionar uma determinada concentração de anticorpos anti-C1 sobre a superfície do sensor,

ocorre a formação do complexo antígeno-anticorpo (AB). A partir deste instante, a

concentração inicial do anticorpo (B) adicionada diminui de acordo com a seguinte equação:

𝑑[𝐵]

𝑑𝑡= −𝑘𝑎[𝐴][𝐵] + 𝑘𝑑[𝐴𝐵] (12)

De maneira semelhante, a formação do complexo antígeno-anticorpo (AB) também pode ser

representada:

𝑑[𝐴𝐵]

𝑑𝑡= 𝑘𝑎[𝐴][𝐵] − 𝑘𝑑[𝐴𝐵] (13)

Sabendo-se que a mesma solução tampão HBS-EP (pH 7,4) foi utilizada tanto para dissolução

das amostras biológicas quanto para as análises de SPR, podemos atribuir as variações no

ângulo de ressonância (ΔθSPR) devido somente às interações ocorridas sobre a superfície do

sensor. Diante disto e levando-se em consideração as espécies presentes, a formação do

complexo AB é responsável pela alteração no ângulo de SPR. Neste sentido, existe uma relação

de proporcionalidade entre a ΔθSPR e sua taxa de variação com a concentração do complexo:

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𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅 [𝐴𝐵] (14)

𝑑𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅

𝑑𝑡

𝑑[𝐴𝐵]

𝑑𝑡 (15)

Realizando as substituições de (14) e (15) em (13) obtemos a seguinte equação resultante:

𝑑𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅

𝑑𝑡= 𝛼 𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅 + 𝛽 (16)

Em que, 𝛼 = −𝑘𝑎𝐶 − 𝑘𝑑; 𝛽 = 𝑘𝑎𝐶 𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅𝑚𝑎𝑥. Sendo, C: concentração do antígeno em tempo

t ([𝐴] = 𝐶); ΔθSPRmax: o sinal máximo a ser obtido durante as medidas de SPR, o qual é

dependente da concentração inicial do anticorpo, [𝐵]0, (𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅 𝑚𝑎𝑥 [𝐵]0).

Para os dados experimentais, a derivada do ângulo de ressonância com o tempo em

função do ângulo de ressonância (Figura 25) foi obtida a partir das curvas de associação e

dissociação representadas pela Figura 24A.

Figura 25. Gráfico construído a partir da derivada do ângulo de ressonância com o tempo

(dΔθSPR/dt) em função do ângulo de ressonância (ΔθSPR), obtido a partir das curvas de

associação e dissociação ilustradas na Figura 24A.

De acordo com a equação 16 originada do modelo inicialmente proposto, esperava-se obter um

comportamento linear para as diferentes concentrações de anticorpos anti-C1 adicionadas sobre

antígeno C1/PAMAM(G4)/SAM/Au. Entretanto, ao analisar as curvas ilustradas na Figura 25

dois comportamentos distintos foram observados. Em baixas concentrações de anticorpos e,

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consequentemente, para menores ΔθSPR e baixas velocidades, um comportamento linear foi

verificado sobre toda a curva (Figura 25). Por outro lado, para maiores concentrações de

anticorpos e, portanto, para maiores ΔθSPR e elevadas velocidades, um comportamento não

linear do tipo quadrático foi observado (Figura 25).

Esse comportamento sugeriu que o mecanismo até então proposto (ligação do

anticorpo a um único epítopo do antígeno), não representou o comportamento experimental em

sua totalidade, sugerindo fortemente a presença de outra reação elementar que possa contribuir

para a cinética de interação. Desta forma, foi proposta uma adaptação no mecanismo cinético

para descrever a interação entre o antígeno e o anticorpo. Então, uma segunda etapa elementar

foi sugerida com a ligação do anticorpo anti-C1 em um segundo epítopo do antígeno C1. Esta

segunda ligação levou a formação do complexo representado por ABB, e uma nova etapa de

reação foi inserida (equação 17):

𝐴 + 𝐵 ⇌ 𝐴𝐵 (10)

𝐴𝐵 + 𝐵 ⇌ 𝐴𝐵𝐵 (17)

Sendo as equações 10 e 17 representantes da primeira e segunda etapa da reação,

respectivamente. As constantes de equilíbrio de dissociação foram descritas como:

𝐾𝐷1 =𝑘𝑑1

𝑘𝑎1=

[𝐴][𝐵]

[𝐴𝐵] (18)

𝐾𝐷2 =𝑘𝑑2

𝑘𝑎2=

[𝐴𝐵][𝐵]

[𝐴𝐵𝐵] (19)

em que, [AB]: concentração do complexo antígeno-anticorpo com ligação do anticorpo em um

primeiro sítio de ligação do antígeno; [ABB]: concentração do complexo antígeno-anticorpo

com ligação do anticorpo em um segundo epitopo do antígeno; KD1 e KD2: constantes de

equilíbrio de dissociação para primeira e segunda etapa; kd1 e kd2: constantes cinéticas de

dissociação para primeira e segunda etapa; ka1 e ka2: constantes cinéticas de associação para

primeira e segunda etapa.

De maneira semelhante como descrito anteriormente, as equações cinéticas que

descrevem as velocidades dessas reações podem ser representadas por:

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𝑑[𝐵]

𝑑𝑡= −𝑘𝑎1[𝐴][𝐵] + 𝑘𝑑1[𝐴𝐵] − 𝑘𝑎2[𝐴𝐵][𝐵] + 𝑘𝑑2[𝐴𝐵𝐵] (20)

𝑑[𝐴𝐵]

𝑑𝑡= 𝑘𝑎1[𝐴][𝐵] − 𝑘𝑑1[𝐴𝐵] − 𝑘𝑎2[𝐴𝐵][𝐵] + 𝑘𝑑2[𝐴𝐵𝐵] (21)

𝑑[𝐴𝐵𝐵]

𝑑𝑡= 𝑘𝑎2[𝐴𝐵][𝐵] − 𝑘𝑑2[𝐴𝐵𝐵] (22)

Levando em consideração que somente os complexos AB e ABB alteram a ΔθSPR, os valores

observados experimentalmente (Figura 24A) podem ser atribuídos pela contribuição individual

de cada interação (ΔθSPR1) e (ΔθSPR2):

𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅 = 𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅1 + 𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅2 (23)

𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅1 [𝐴𝐵] (24)

𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅2 [𝐴𝐵𝐵] (25)

Sendo a taxa de ΔθSPR também descrita pelas contribuições individuais:

𝑑𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅

𝑑𝑡=

𝑑𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅1

𝑑𝑡+

𝑑𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅2

𝑑𝑡 (26)

𝑑𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅1

𝑑𝑡

𝑑[𝐴𝐵]

𝑑𝑡 (27)

𝑑𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅2

𝑑𝑡

𝑑[𝐴𝐵𝐵]

𝑑𝑡 (28)

Uma vez que, 𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅 𝑚𝑎𝑥 [𝐵]0, realizando-se as substituições em (21) e (22) e através de

rearranjos adequados, chegamos às equações diferenciais (29) e (30) que representam a

contribuição da interação AB e ABB, respectivamente:

𝑑𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅1

𝑑𝑡= 𝛼1𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅1

2 + 𝛽1𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅1 + 𝛾1 (29)

sendo, 𝛼1 = 𝑘𝑎2; 𝛽1 = −𝑘𝑎1𝐶 − 𝑘𝑑1 − 𝑘𝑎2 𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅𝑚𝑎𝑥 + 𝑘𝑎2𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅2; 𝛾1 =

𝑘𝑎1𝐶 𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅𝑚𝑎𝑥 − 𝑘𝑎1𝐶𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅2 + 𝑘𝑑2𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅2

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𝑑𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅2

𝑑𝑡= 𝛼2𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅2 + 𝛽2 (30)

sendo, 𝛼2 = −𝑘𝑎2𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅1−𝑘𝑑2; 𝛽2 = 𝑘𝑎2𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅1 𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅𝑚𝑎𝑥 − 𝑘𝑎2𝛥𝜃𝑆𝑃𝑅12

Analisando as equações 29 e 30 verifica-se que a contribuição da interação AB

(equação 29) exibe um comportamento quadrático enquanto a contribuição da interação ABB

(equação 30) exibe um comportamento linear. Em concordância como os resultados

experimentais e a discussão realizada até aqui acerca da cinética de reação entre o antígeno

recombinante C1 e o anticorpo anti-C1 é possível inferir três condições limites a respeito desta

interação específica:

(1) Em elevadas concentrações de anticorpos a velocidade da interação é elevada e exibe um

perfil quadrático (Figura 25). Isso sugere que a cinética da interação AB representada por

dΔθSPR1/dt (equação 29) é a que mais contribuiu para a taxa de variação total do ângulo de

ressonância (ΔθSPR) para tempos iniciais;

(2) Em tempos prolongados, mesmo em concentrações elevadas de anticorpos, um perfil

próximo do linear foi observado (Figura 25). Isso sugere que a cinética da interação AB atingiu

uma condição de pseudoequilíbrio. Neste instante, a cinética da interação ABB representada

por dΔθSPR2/dt (equação 30) passa a contribuir mais para a taxa de ΔθSPR;

(3) Em baixas concentrações de anticorpos, a velocidade da interação é lenta e exibe um perfil

linear (Figura 25). Isso sugere que a cinética da interação ABB representada por dΔθSPR2/dt

(equação 30) é a que mais contribui para a taxa de ΔθSPR quando baixas concentrações de

anticorpos são adicionadas.

Conforme discutido até o corrente momento, as equações obtidas ajudaram a

explicar o comportamento qualitativo dos resultados experimentais. Neste contexto, visando

um estudo quantitativo através da obtenção dos valores das constantes cinéticas, a soma das

equações 29 e 30 deve ser levada em conta, o que dificulta a obtenção da resolução das equações

diferenciais e ou processos de linearização. 148 Devido a isto, as constantes foram obtidas por

métodos numéricos com auxílio de um software específico para tratamento de dados de SPR

(Trace Drawer, version 1), no qual inúmeros mecanismos de reações foram avaliados, tais

como, modelos envolvendo interações do tipo um para um, interação bivalente, um para dois,

entre outros. Dentre estes mecanismos, aquele que melhor se ajustou aos dados experimentais

(menor valor de chi2: 8,44) foi o modelo baseado na interação bivalente entre antígeno C1 e

anticorpo anti-C1. Os parâmetros cinéticos obtidos do ajuste estão inseridos na Tabela 4.

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Tabela 4. Parâmetros cinéticos obtidos a partir das curvas de SPR.

ka1 (L mol-1 s-1) kd1 (s-1) KD1 (mol L-1) ka2 (L mol-1 s-1) kd2 (s-1) KD2 (mol L-1)

1,08x105 7,33x10-4 6,79x10-9 2,56x10-1 6,16x100 2,41x101

Analisando criteriosamente estes valores (Tabela 4) observamos que eles estão em

concordância com os mecanismos discutidos sobre a cinética de reação proposta. Conforme

demonstrado, a reação entre essas biomoléculas ocorre em duas etapas (visualizar representação

esquemática em Figura 21).

O elevado valor de ka1 (1,08 x 105 L mol-1 s-1), o baixo valor de 𝑘𝑑1 (7,33 x 10-4 s-1)

e consequentemente, o baixo valor de KD1 (6,79 x 10-9 mol L-1), evidenciaram que a etapa de

formação de AB (equação 10) é a etapa rápida da reação. Isto sugere que inicialmente uma

porção específica do anticorpo anti-C1 se liga fortemente em um dos sítios de ligação do

antígeno C1. Por outro lado, o maior valor de KD2 (2,41 x 101 mol L-1) evidencia que a etapa

rápida da reação é seguida por uma etapa lenta envolvendo a formação de ABB (equação 17).

Isto sugere que tempos maiores são necessários para que outra porção específica do anticorpo

anti-C1 se ligue menos fortemente a um segundo epitopo do antígeno C1. Portanto, o valor da

constante de dissociação de equilíbrio, KD da equação geral (KD1 x KD2: 1,64 x 10-7 mol L-1),

demonstra a elevada afinidade de ligação entre as biomoléculas, quantitativamente inferindo o

forte caráter imunogênico dessa hipotética proteína C1.

Uma vez que o potencial antigênico desta proteína de função desconhecida no

protozoário L. infantum foi cineticamente demonstrado, a próxima etapa consistiu na avaliação

pela SPR da reação entre essa proteínas e soros caninos positivos e negativos para a LV.

5.3.4. Avaliação da imunogenicidade da proteína hipotética C1 frente a amostras

reais

Para estes ensaios, pools de soros caninos positivos e negativos para a LV foram

utilizados, conforme descrito anteriormente na parte experimental. A Figura 26A evidencia as

fases de associação e dissociação características obtidas após adição de soros caninos positivos

para LVC.

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97

Figura 26. (A) Sensorgrama evidenciando as etapas de associação e dissociação para a adição

de soros caninos positivos em diferentes diluições (v/v) (1:50, 1: 100, 1: 200, 1: 400, 1: 800, 1:

1600, 1: 3200, 1: 6400 e 1: 12800). (B) Curva analítica obtida do logaritmo da ΔθSPR efetiva

em função do fator de diluição do soro positivo. (C) Representação pelo gráfico de barras dos

valores da ΔθSPR efetiva após injeção de diferentes diluições dos soros caninos positivos e

negativos para a LVC.

0 2 3 5 7 8

0

70

140

210

280

350

SP

R / m

º

Tempo / min

+ 1/50

+ 1/100

+ 1/200

+ 1/400

+ 1/800

+ 1/1600

+ 1/3200

+ 1/6400

+ 1/12800

(A)

1/200 1/400 1/800 1/1600 1/3200 1/6400 1/12800

0

20

40

60

80

100

120

SP

R / m

º

Diluição

soros caninos positivos

soros caninos negativos

(C)

-1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 -4.5

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

1/12800

Lo

g (

SP

R / m

º )

Log (fator de diluição)

(B)

1/50

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98

Como pode ser visto, respostas (ΔθSPR efetiva) para uma ampla faixa de diluições dos soros

(1:50 a 1:12800) foram apresentadas. Para uma mesma diluição (1:1000) o desvio padrão

relativo obtido para essas medidas foi de 6% (n=10). A Figura 26B evidencia a relação linear

obtida a partir do logarítmo da ΔθSPR efetiva em função do fator de diluição do soro canino

positivo.

Para avaliação da especificidade do sensor, soros caninos negativos foram

injetados. Adições destes soros em diluições maiores não foram acompanhadas por ΔθSPR

efetiva em comparação com as respostas obtidas com os soros caninos positivos. Para fácil

comparação, os valores da ΔθSPR efetiva obtidos após a injeção de soros caninos positivos e

negativos para LV estão evidenciados pela Figura 26C. Como pode ser visto, para diluições de

soros mais elevadas, predominam a ligação específica antígeno-anticorpo e uma grande

discriminação entre as respostas positivas e negativas ocorre (Figura 26C).

Para diluições acima de 1:1000 nenhum sinal para o soro canino negativo foi

observado, mas para soros caninos positivos sinais elevados ainda são verificados, sugerindo,

portanto, que amostras mais diluídas devem ser empregadas para a detecção seletiva de

anticorpos da LV. Assumindo-se que a partir da diluição do soro de 1:1000 as respostas

observadas são devidas apenas à interação entre o antígeno C1 de L. infantum e os anticorpos

específicos anti-L. infantum, os valores da ΔθSPR efetiva ilustrados na Figura 26B foram

extrapolados para a curva analítica (Figura 24B) e as concentrações molares desses anticorpos

obtidas. Assim, para as diluições de soros caninos positivos de 1:1600, 1:3200, 1:6400 e

1:12800 as concentrações molares dos anticorpos específicos anti-L. infantum são de

aproximadamente 31,0, 25,8, 17,0, e 13,4 nmol L-1, respectivamente.

Adicionalmente, uma vez que essas mesmas amostras foram utilizadas em ensaios

de ELISA, no qual respostas características para amostras positivas não foram observadas para

um fator de diluição acima de 1:4000, o imunossensor de SPR proposto neste trabalho

apresentou maior sensibilidade em relação ao ensaio convencional. Estes resultados

demonstram a excelente sensibilidade do imunossensor de SPR proposto e confirmam a elevada

afinidade de ligação entre a proteína C1 e os anticorpos anti-L. infantum.

Portanto, em acordo à discussão acima, o forte caráter imunogênico desta proteína

hipotética C1 de L. infantum combinado com a eficiência do PAMAM(G4)/SAM/Au

apresentam-se como um sistema de reconhecimento promissor para ser explorado em

imunodiagnósticos da LV.

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99

5.4. CONCLUSÕES PARCIAIS

Nesta fase do trabalho, foi construído com sucesso um imunossensor de SPR

baseado na imobilização de uma proteína de função desconhecida em Leishmania sobre

PAMAM(G4)/CYS-SAM/Au para a detecção de anticorpos específicos da LVC.

A imobilização da proteína recombinante C1 sobre a plataforma multivalente

formada pela combinação da SAM de tiol (cisteamina) e o dendrímero PAMAM(G4) foi

acompanhada pela amplificação do sinal de SPR. Esta observação sugeriu que a estrutura

tridimensional das moléculas do dendrímero forneceu maior área superficial para a interação

com a proteína C1, possibilitando maior número de biomoléculas imobilizadas. Estes

encontrados demonstram elevada eficiência do filme multivalente empregado para construção

do imunossensor de SPR.

O modelo cinético proposto mostrou que a reação entre o antígeno C1 e os

anticorpos anti-C1 ocorre através de uma interação bivalente devido à presença de dois sítios

imunodominantes existentes na proteína para a ligação com o anticorpo. Os valores das

constantes de dissociação de equilíbrio para a primeira e segunda etapa (KD1 = 6,79 x 10-9 mol

L-1 e KD2 = 2,41 x 101 mol L-1), assim como o valor de KD para a reação global (KD1 x KD2: 1,64

x 10-7 mol L-), evidenciaram elevada afinidade de ligação entre as biomoléculas. Em adição, os

baixos limites de detecção (LOD = 7,37 nmol L-1) e quantificação (LOQ = 7,83 nmol L-1)

alcançados pelo imunossensor de SPR demonstram a elevada sensibilidade da metodologia

proposta.

Em relação à avaliação do imunossensor de SPR frente às amostras reais, a adição

de soros caninos positivos em elevadas diluições foi acompanhada por ΔθSPR efetivas. Em

contraste, a adição de soros caninos negativos não apresentou ΔθSPR efetivas em diluições mais

elevadas, sugerindo que amostras mais diluídas devem ser empregadas para a detecção seletiva

de anticorpos. Por fim, o imunossensor de SPR possibilitou análise rápida e não necessitou do

uso de marcadores para a detecção sensível e seletiva de anticorpos anti-L. infantum.

Este estudo demonstrou via abordagem cinética realizada a partir dos resultados

obtidos com um imunossensor de SPR, um forte carácter antigênico (imunogênico) de uma

proteína de função desconhecida no protozoário L. infantum (proteína hipotética C1), e,

consequentemente, a potencial utilização desta proteína no imunodiagnóstico da LV.

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100

Design de uma plataforma

multivalente baseada

em Dendron

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101

6. SÍNTESE DE MOLÉCULA DO TIPO HS-DENDRON-(PEG-COOH)9 PARA

CONSTRUÇÃO DE UMA PLATAFORMA MULTIVALENTE INÉDITA EM

BIOSSENSORES

6.1. MOTIVAÇÃO PARA REALIZAÇÃO DESTE ESTUDO

Conforme observado nos estudos anteriores, a capacidade de sensoriamento é

fortemente dependente da metodologia adotada para imobilização de biomoléculas, verificando

a viabilidade de plataformas organizadas e multivalentes para construção de biossensores. A

partir destes achados, tornou-se bastante incentivador focarmos na síntese de moléculas inéditas

com características particulares desejáveis para aplicações em biossensores. Com este intuito,

através do desenho de uma molécula supostamente “ideal” para a finalidade de nossos estudos,

nesta parte do trabalho, uma atenção foi voltada à síntese orgânica de um dendron com as

seguintes características estruturais: (1) presença de um grupo tiol (-SH) em seu ponto focal,

conferindo-o elevada afinidade de ligação sobre o ouro, visando, dessa forma, facilitar a

formação de uma plataforma multivalente através da adsorção direta do dendron sobre a

superfície metálica; (2) presença de grupos hidrofílicos em toda sua estrutura, tendo como

propósito conferir elevada solubilidade do dendron em água. Tal fato é de suma importância,

uma vez que permite a manipulação do dendron nas mesmas soluções aquosas utilizadas para

a dissolução das biomoléculas (maior biocompatibilidade); (3) dimensões nanométricas (< 50

nm), uma vez que a sensibilidade dos sensores de SPR e QCM está concentrada nas

proximidades da interface metal-dielétrico; (4) elevada área superficial com grande número de

grupos carboxílicos funcionais terminais para ligação de biomoléculas. A escolha dos grupos

carboxílicos na extremidade do dendron se deve à facilidade de ativação desses grupos

(formação de ésteres reativos) via agentes de acoplamento EDC/NHS previamente à

imobilização de biomoléculas.

Levando-se em consideração todas as características supracitadas, no presente

estudo, foi sintetizado um dendron contendo um grupo tiol em seu ponto focal e nove grupos

ácidos carboxílicos espaçados entre si através de linkers hidrofílicos do tipo glicol (HS-

dendron-(PEG-COOH)9). A síntese orgânica desse dendron foi realizada sob colaboração da

Profa. Dra. Cátia C. C. Ornelas (Laboratório de Síntese Orgânica – Unicamp). Após síntese,

resultados prévios foram obtidos com a utilização do dendron na construção de biossensores.

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102

6.2. EXPERIMENTAL

6.2.1. Reagentes e instrumentação

Os reagentes trietilenoglicol, cloreto de tosila (TsCl), azida de sódio (NaN3),

trifenilfosfina (PPh3), trietilamina (Et3N), dicarbonato de di-terc-butila, iodeto de sódio (NaI),

dimetoxietano (DME), nitrometano (MeNO2), t-butil-acrilato, anidrido succínico, HATU (1-

[Bis(dimethylamino)methylene]-1H-1,2,3-triazolo[4,5-b]pyridinium-3-oxid hexa fluorophos-

phate), DIPEA (N,N-diisopropiletilamina) e o catalisador Raney-Ni foram obtidos da Sigma

Aldrich Chemical (St. Louis, MO, EUA). Os demais reagentes e solventes: ácido fórmico

(HCOOH), tioacetato de potássio, ácido trifluoracético (CF3CO2), piridina, carbonato de

potássio (K2CO3), metanol (MeOH), dimetilformamida (DMF), tetraidrofurano (THF),

diclorometano (CH2Cl2), clorofórmio (CHCl3), acetato de etila, hexano e etanol (EtOH) foram

obtidos da LabSynth LTDA (SP, Brasil).

Cada uma das etapas de síntese realizadas neste estudo foi caracterizada através da

espectrometria de ressonância magnética nuclear (1H RMN e 13C RMN, Bruker; modelos

avance III de 250, 400, 500 e 600 MHz) e espectrometria de massas acoplada a UPLC (Waters,

modelo TQD Quattro Micro API).

6.2.2. Síntese do dendron de interesse - HS-DENDRON-(PEG-COOH)9

Todas as etapas envolvidas para síntese do dendron de interesse estão evidenciadas

no esquema a seguir (Figura 27).

Síntese do linker 1 do ponto focal:

NaN3

DMF

Refluxo,

48h

TsCl,

Et3N

CH2Cl2

16h

50º C, 16h

PPh3, THF

CH2Cl2, 16h

(2)

(3) (4)

(1)

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103

Síntese do HS-dendron-(PEG-COOH)9 - composto (18):

NaI, DMF,

50ºC, 24h

CF3CO2H

5h, CH2Cl2

linker 1

TsCl,

Et3N

CH2Cl2,

16h (5) (6)

(7) (8)

T

ri

to

n

DME, 75ºC

[H2], Raney-Ni Piridina,

48h 55ºC, 24h

DMF

HATU,

DIPEA

(9)

(10)

(11)

(12)

(13) (14)

HCOOH

16h

[H2], Raney-Ni

55ºC, 24h

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104

Figura 27. Esquema evidenciando as etapas envolvidas para síntese de HS-dendron-(PEG-

COOH)9 - composto (18).

HATU, DIPEA, 48h

linker 1 (8)

(15)

(16)

(17)

HCOOH

48h

(18)

K2CO3,

2h

MeOH, CH2Cl2

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105

A descrição da reação orgânica, assim como, o procedimento experimental realizado em cada

etapa para síntese do composto (18) serão abordados a seguir.149-154

SÍNTESE DO LINKER 1 DO PONTO FOCAL:

Etapa 1) Síntese do composto (2)

Fórmula química: C13H20O3S

Massa molecular: 304,36 g mol-1

Reação: nesta primeira etapa da síntese, foi realizada uma reação de

dessimetrização através da inserção do grupo tosila a uma das extremidades do composto (1)

(trietilenoglicol) para formação do composto (2) (ver Figura 27).

Procedimento: o composto (1) (trietilenoglicol) (7 mL; 7,8764 g; 0,0524 mol) e

trietilamina (Et3N) (14,60 mL; 10,6158 g; 0,1049 mol) foram dissolvidos em diclorometano

anidro sob atmosfera de N2 e agitação. Em seguida, o sistema foi resfriado a 0°C para adição

gota a gota de uma solução de cloreto de tosila (TsCl) (1 eq; 9,9990 g; 0,0524 mol) dissolvido

em diclorometano anidro (180 mL). A mistura reacional foi mantida a 0°C por 4 horas sob

agitação e, então, em temperatura ambiente por mais 12 horas. Após, foi realizada a

neutralização da solução com HCl (solução aquosa 10%), seguido por sucessivas lavagens com

água (3X), secagem com Na2SO4, filtração e evaporação do solvente sob pressão. A purificação

final foi realizada por coluna cromatográfica (sílica gel) utilizando CH2Cl2/MeOH (99:1) como

eluente. O produto (2) foi obtido como um óleo transparente em um rendimento de 42% (6,7300

g).

Caracterização: RMN de 1H (500 MHz, CDCl3): δ ppm= 7,81 (d, 2H), 7,35 (d,

2H), 4,17 (t, 2H), 3,70 (m, 4H), 3,61 (s, 4H), 3,57 (t, 2H), 2,44 (s, 3H). EM-ESI+ (M) m/z [M]+

para C13H20O6S: 304,36 (calculado), 305,12 (encontrado). ANEXO III (Figura 30).

(2)

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106

Etapa 2) Síntese do composto (3)

Fórmula Química: C6H13N3O3

Massa molecular: 175,19 g mol-1

Reação: o grupo tosila presente no composto (2) foi substituído pelo grupo azida

para formação do composto (3) (Figura 27).

Procedimento: o composto (2) (6,7300g; 0,0220 mol)) foi dissolvido em DMF

anidro (30 mL), e azida de sódio (2 eq; 2,8600 g; 0,0440 mol) foi adicionado à solução. A

mistura reacional foi aquecida a 80°C durante 16 horas sob agitação. Posteriormente, o solvente

foi removido sob vácuo, seguido por dissolução da mistura em CH2Cl2 e lavagem com água

(3X). A fase orgânica foi secada com Na2SO4, filtrada e o solvente removido sob vácuo. O

composto (3) foi obtido como um óleo transparente com um rendimento de 87% (3,3787 g).

Caracterização: RMN de 1H (600 MHz, CDCl3): δ ppm = 3,71 (t, 2H), 3,66 (s,

6H,), 3,59 (t, 2H), 3,38 (t, 2H). EM-ESI+ (M) m/z [M]+ para C6H13O3N3: 175, 19 (calculado),

176,59 (encontrado). ANEXO III (Figura 31).

Etapa 3) Síntese do composto (4)

Fórmula Química: C6H15NO3

Massa molecular: 149,19 g mol-1

Reação: redução do grupo azida do composto (3) em grupo amino para a formação

do composto (4) (Figura 27).

Procedimento: no frasco de reação foram adicionados: o composto (3) (0,950 g;

5,42x10-3 mol), trifenilfosfina (PPh3, 1 eq; 1,42 g; 5,4x10-3 mol), água (1,3 eq; 0,1268 g; e

7,046x10-3 mol) e THF (150 mL). A mistura reacional foi aquecida a 50 °C durante 16 horas

sob agitação. Após, o solvente foi removido sob vácuo e a purificação realizada por coluna

cromatográfica (sílica gel) utilizando CH2Cl2/MeOH (99:1) como eluente. O composto (4) foi

obtido com um do óleo transparente com 60% de rendimento (0,2023 g).

(3)

(4)

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107

Caracterização: RMN de 1H (250 MHz, CDCl3): δ ppm = 3,72 (t, 2H), 3,63 (m,

6H,), 3,57 (t, 2H), 2,88 (t, 2H) EM-ESI+ (M) m/z [M]+ para C6H15NO3: 149,19 (calculado),

150,50 (encontrado). ANEXO III (Figura 32).

Etapa 4) Síntese do composto (5)

Fórmula Química: C11H23NO5

Massa molecular: 249,30 g mol-1

Reação: proteção do grupo amino do composto (4) através da inserção do grupo

terc-butilcarbamato (-BOC), formando o composto (5) (Figura 27).

Procedimento: o composto (4) (0,3960 g; 2,650x10-3 mol) foi dissolvido em DMF

anidro (100 mL), seguido pela adição sucessiva de trietilamina (3 eq; 0,804 g; 7,950x10-3 mol)

e dicarbonato de di-terc-butila (1,2 eq; 0,6360 g; 2,910x10-3 g). A mistura reacional foi mantida

sob agitação em temperatura ambiente durante 16 horas. Após, o solvente foi removido sob

vácuo e o produto purificado por coluna cromatográfica (sílica gel) utilizando como eluente

hexano/acetado de etila (90:10). O composto (5) foi obtido como um óleo transparente com

rendimento de 66% (0,4367 g).

Caracterização: RMN de 1H (250 MHz, CDCl3): δ ppm = 3,75 (t, 2H), 3,63 (m,

6H), 3,56 (t, 2H), 3,31 (t, 2H), 1,44 (s, 9H). EM-ESI+ (M) m/z [M]+ para C11H24O5NNa: 272,29

(calculado), 272,14 (encontrado). ANEXO III (Figura 33).

Etapa 5) Síntese do composto (6)

Fórmula Química: C18H29NO7S

Massa molecular: 403,49 g mol-1

Reação: formação do composto (6) através da tosilação da hidroxila presente no

composto (5) (Figura 27).

(5)

(6)

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Procedimento: o composto (5) (0,900 g; 3,610x10-3 mol) e Et3N (0,025 mL, 0,630

g; 0,0025 mol) foram dissolvidos em diclorometano anidro. A mistura reacional foi resfriada à

0°C para a adição gota a gota de TsCl (5 eq; 3,400 g; 1,80x10-2 mol) previamente dissolvido

em CH2Cl2 (80 mL). O sistema foi mantido a 0°C por 4 horas, e, então, em temperatura

ambiente por mais 12 horas. Em seguida, a mistura foi neutralizada com HCl (solução aquosa

10%), lavada com água (3X), secada com Na2SO4, filtrada e o solvente evaporado sob pressão.

A purificação final foi realizada por coluna cromatográfica, contendo SiO2 como fase

estacionária e CH2Cl2/MeOH (99:1) como eluente. O composto (6) foi obtido como um óleo

transparente com rendimento de 43% (0,6300 g).

Caracterização: RMN de 1H (600 MHz, CDCl3): δ ppm = 7,78 (d, 2H), 7,32 (d,

2H), 4,17 (t, 2H) 3,69 (t, 2H), 3,55 (s, 4H), 3,50 (t, 2H), 3,28 (t, 2H), 2,44 (s, 3H), 1,43 (s, 9H).

ANEXO III (Figura 34).

Etapa 6) Síntese do composto (7)

Fórmula Química: C13H25NO5S

Massa molecular: 307,41g mol-1

Reação: substituição do grupo tosila do composto (6) pelo grupo tioacetato para

formação do composto (7) (Figura 27).

Procedimento: foram adicionados no frasco de reação: o composto (6) (0.189 g,

4.68 x 10-4 mol), NaI (2 eq.; 0.1400 g; 9.37 x 10-4 mol), tioacetato de potássio (2 eq.; 0.1068 g;

9.37 x 10-4 mol) e DMF (15 mL). A mistura reacional foi mantida sob agitação a 50ºC durante

24 horas de reação. Em seguida, o solvente foi removido sob vácuo e o produto purificado por

coluna cromatográfica (sílica gel) utilizando como eluente CH2Cl2/MeOH (99,5:0,5). O

composto (7) foi obtido como um óleo transparente com rendimento de 48,3% (69,5 mg).

Caracterização: RMN de 1H (250 MHz, CDCl3): δ ppm = 1,44 (s, 9H), 2,34 (s,

3H), 3,10 (t, 2H), 3,31 (t, 2H), 3,60 (m, 8H). ANEXO III (Figura 35).

(7)

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Etapa 7) Síntese do composto (8) - (linker 1)

Fórmula Química: C8H17NO3S

Massa molecular: 207,32 g/mol

Reação: desproteção do grupo amino do composto (7) através da eliminação do

grupo terc-butilcarbamato para formação do composto (8) (Figura 27).

Procedimento: o composto (7) (0,0695g; 2,26 x 10-4 mol) foi dissolvido em CH2Cl2,

seguido pela adição de CF3CO2 (1,5eq.; 0,026 mL; 0,0987 g; 3,39x10-4 mol). A mistura

reacional permaneceu sob agitação em temperatura ambiente durante 5 horas. Após tempo de

reação, o produto foi lavado com CH2Cl2 e o solvente evaporado sob vácuo. Em seguida, foram

realizadas sucessivas lavagens com hexano (3X) e, então, a evaporação do solvente sob vácuo.

O composto (8) foi obtido como um óleo transparente com rendimento de 92 % (43,8 mg).

Caracterização: RMN de 1H (250 MHz, CDCl3): δ ppm = 2,32 (s, 3H), 3,05 (t,

2H), 3,18 (s, 2H), 3,62 (m, 8H), 3,72 (t, 2H). RMN de 13C (500 MHz, CDCl3): δ ppm = 28,57;

30,62; 39,82; 66,69; 69,78; 70,07; 70,24; 196,04. ANEXO III (Figura 36).

SÍNTESE DO HS-DENDRON-(PEG-COOH)9 - COMPOSTO (18):

Etapa 8) Síntese do dendron (10)

Fórmula Química: C22H39NO8

Massa molecular: 455,62 g mol-1

Reação: Substituição dos hidrogênios do nitrometano (CH3NO2) pelo terc-

butilacrilato para a formação do dendron (10) (Figura 27).

Procedimento: para uma solução de dimetoxietano (DME) foram adicionados DME

(10 mL), nitrometano (MeNO2, 2,85 mL, 3,1561 g; 0,052 mol) e Triton (0,5 mL). A mistura foi

(8)

(10)

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110

aquecida até 67ºC e 24 mL de t-butil-acrilato (20,5800 g; 0,1600 mol) foram adicionados gota

a gota. Então, ajustou-se a TºC para 75ºC e quando a temperatura começou a diminuir, o Triton

(0.25 mL) foi adicionado gota a gota e a solução foi aquecida para 75ºC durante 2h. Em seguida,

o solvente foi removido sob vácuo e o resíduo foi dissolvido em CHCl3. A solução resultante

foi lavada com 10% HCl e secada sobre Na2SO4, seguido pela filtração do sistema para remoção

de Na2SO4 e evaporação do solvente sob vácuo. A purificação final foi realizada por

recristalização do cristal em etanol. O dendron (10) foi obtido na forma de um sólido branco

com rendimento de 64,7% (8,97 g).

Caracterização: RMN de 1H (250 MHz, CDCl3): δ ppm = 2,20 (s, 12H), 1,44 (s,

27H). ANEXO III (Figura 37).

Etapa 9) Síntese do dendron (11)

Fórmula Química: C22H15NO8

Massa molecular: 277,26 g mol-1

Reação: desproteção dos grupos carboxílicos do dendron (10) para formação do

dendron (11) (Figura 27).

Procedimento: o dendron (10) (2,0248g; 4,44 x 10-3 mol) foi dissolvido em uma

mistura consistindo de ácido fórmico (300 mL) e água (20 mL). O sistema foi deixado para

reagir sob agitação durante 24h à temperatura ambiente. Em seguida, o solvente foi removido

sob vácuo e o sólido lavado cuidadosamente com éter. O dendron (11), foi obtido na forma de

um sólido branco, com rendimento de 88% (1,08g.).

Caracterização: RMN de 1H (250 MHz, CDCl3): δ ppm = 2,29 (s). ANEXO III

(Figura 38)

Etapa 10) Síntese do dendron (12)

Fórmula Química: C22H41NO6

(11)

(12)

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111

Massa molecular: 415,64 g mol-1

Reação: Redução do grupo nitro do dendron (10) para formação do dendron (12)

(Figura 27).

Procedimento: o composto (10) (0,5041g; 1,11 x 10-3 mol) foi dissolvido em 60 mL

de EtOH, seguido pela adição do catalisador Raney-Ni. Em seguida, a solução foi saturada com

H2(g) e o sistema vedado. A mistura reacional foi colocada à temperatura de 55º C sob agitação,

durante tempo de ração de 24h. Após, a solução foi resfriada até a temperatura ambiente, filtrada

para remover o catalisador e o solvente foi removido sob vácuo. Então, o produto foi dissolvido

em CH2Cl2, filtrado novamente e o solvente evaporado sob vácuo. A purificação final foi

realizada por coluna cromatográfica (sílica gel) utilizando como eluente hexano/acetato de etila

(50:50). O dendron (12) foi obtido como um pó branco com um rendimento de 94 % (0,437g.).

Caracterização: RMN de 1H (250 MHz, CDCl3): δ ppm = 2,55 (t, 6H), 1,81 (s,

2H), 1,63 (t, 6H) 1,43 (s, 27H). ANEXO III (Figura 39).

Etapa 11) Síntese do dendron (13)

Fórmula Química: C76H132N4O23

Massa molecular: 1470,12 g/mol

Reação: acoplamento entre os dendrons (11) e (12) para formação do dendron (13)

(Figura 27).

Procedimento: O dendron (11) (0,0404g; 1,46x10-4 mol) foi dissolvido em DMF

(15 mL), seguido pela adição do dendron (12) (4,5 eq.; 0,2724g; 6.55x10-4 mol), HATU (3,3

eq.; 0,1832g; 4,82 x 10-4 mol) e, por fim, adição de DIPEA (6 eq.; 0.15 mL; 0,1132g; 8,76 x

10-4 mol). A solução foi agitada à temperatura ambiente durante 48h. Após, o solvente foi

removido sob vácuo e o produto purificado por coluna cromatográfica (sílica gel) utilizando

hexano/acetato de etila (60:40) como eluente. O dendron (13) foi obtido como pó branco com

rendimento de 92 % (0,197 g).

(13)

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112

Caracterização: RMN de 1H (250 MHz, CDCl3): δ ppm = 6,13 (s, 3H), 2,20 (t,

24H), 1,95 (t, 18H), 1,72 (s, 6H) 1,43 (s, 81H). ANEXO III (Figura 40).

Etapa 12) Síntese do dendron (14)

Fórmula Química: C76H134N4O21

Massa molecular: 1440,14 g/mol

Reação: redução do grupo nitro do dendron (13) para formação do dendron (14)

(Figura 27).

Procedimento: O dendron (13) (0,138 g; 9,39 x 10-5 mol) foi dissolvido em 60 mL

de EtOH, seguido pela adição do catalisador Raney-Ni. A solução foi saturada com H2(g) e o

sistema vedado e colocado à temperatura de 55º C sob agitação durante tempo de ração de 24h.

Posteriormente, a solução foi resfriada até a temperatura ambiente, filtrada para remover o

catalisador e o solvente foi removido sob vácuo. Então, o produto foi dissolvido em CH2Cl2

para uma nova filtração. Após remoção do solvente sob vácuo, o dendron (14) foi obtido como

um sólido branco com rendimento de 89% (0,120 g).

Caracterização: RMN de 1H (600 MHz, CDCl3): δ ppm = 2,21 (s, 24H), 1,95 (s,

24H), 1,43 (s, 81H). EM-ESI+ (M) m/z [M]+ para C76H134N4:O21: 1440,14 (calculado), 1442,0

(encontrado). ANEXO III (Figura 41).

Etapa 13) Síntese do composto (15)

Fórmula Química: C80H138N4O24

Massa molecular: 1540,22 g mol-1

(14)

(15)

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Reação: acoplamento entre o dendron (14) e o anidrido succínico para formação do

dendron (15) (Figura 27).

Procedimento: o dendron (14) (113,8 mg; 0,079 mmol) foi dissolvido em 5 mL de

piridina e anidrido succínico (2 eq.; 0.016 g; 0,158 mmol). A solução foi agitada à temperatura

ambiente durante 48h. Após tempo de reação, o produto bruto foi dissolvido em CH2Cl2 e

realizou-se sucessivas adições de água (3X). Em seguida, descartou-se a fase aquosa e o

solvente orgânico foi removido sob vácuo. O dendron (15) foi obtido na forma de um sólido

branco com rendimento de 87,7 % (106,7 mg).

Caracterização: RMN de 1H (250 MHz, CDCl3): δ ppm = 1,41 (s, 81H), 1,92 (t,

24H), 2,18 (t, 24 H), 2,37 (m, 2H), 2,62 (m, 2H). ANEXO III (Figura 42).

Etapa 14) Síntese do composto (16)

Fórmula Química: C88H153N5O26S

Massa molecular: 1729,52 g mol-1

Reação: acoplamento entre o composto (8) (linker 1) e o dendron (15) para

formação do composto (16) (Figura 27).

Procedimento: o dendron (15) (78,8 mg; 5,12 x 10-5 mol) foi dissolvido em DMF

(10 mL), seguido pela adição do composto (8) (linker 1) (1,5eq.; 21,0 mg; 1,01x10-4 mol), de

HATU (31,5 eq.; 39,5 mg; 1,04x10-4 mol) e, por fim, adição de DIPEA (3 eq.; 0,1 mL; 2,08

x10-4 mol). A solução foi agitada à temperatura ambiente durante 48h. Em seguida, o solvente

foi evaporado sob vácuo e o produto purificado por coluna cromatográfica (sílica gel) utilizando

hexano/acetato de etila (10:90) como eluente. O dendron (16) foi obtido como um pó branco

com rendimento de 97,3 % (86,1 mg).

(16)

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Caracterização: RMN de 1H (250 MHz, CDCl3): δ ppm = 1,41 (s, 81H), 1,94 (t,

24H), 2,16 (t, 24 H), 2,33 (s, 3H), 2,47 (s, 4H), 3,08 (t, 2H), 3,41 (t, 8H), 3,61 (t, 2H). ANEXO

III (Figura 43)

Etapa 15) Síntese do composto (17)

Fórmula Química: C86H151N5O25S

Massa molecular: 1687,48 g mol-1

Reação: desproteção do grupo tiol do composto (16) para formação do composto

(17) (Figura 27).

Procedimento: o dendron (16) (86,1 mg; 4,98 x 10-5 mol) foi dissolvido em uma

mistura consistindo de MeOH (10 mL) e CH2Cl2 (10 mL). Adicionou-se no meio reacional

K2CO3 (2 eq.; 18,2 mg) e o sistema foi agitado à temperatura ambiente durante 2h. Em

seguida, lavagens foram realizadas com H2O e CH2Cl2 tendo como finalidade dissolver o

produto de interesse na fase orgânica e as impurezas em fase aquosa. Após recuperação da

fase orgânica, sucessivas adições de Na2SO4 foram realizadas até completa limpidez da

solução, seguido por filtração e remoção do solvente sob vácuo. O dendron (17) foi obtido na

forma de um pó branco com rendimento de 90,6 % (76,1 mg).

Caracterização: RMN de 1H (250 MHz, CDCl3): δ ppm = 1,42 (s, 81H), 1,94 (t,

24H), 2,16 (t, 24 H), 2,49 (m, 4H), 3,65 (m, 8H). ANEXO III (Figura 44).

(17)

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Etapa 16) Síntese do composto (18) - HS-dendron-(PEG-COOH)9

Fórmula Química: C50H79N5O25S

Massa molecular: 1182,40 g mol-1

Reação: desproteção dos grupos carboxílicos do composto (17) para formação do

composto (18) (HS-dendron-(PEG-COOH)9) (Figura 27).

Procedimento: dissolveu-se o dendron (17) (76,1 mg; 4,51 x 10-5 mol) em uma

mistura consistindo de MeOH (30 mL) e H2O (3 mL). A solução reacional foi agitada à

temperatura ambiente durante 48 h. Em seguida, o solvente foi removido sob vácuo. O dendron

(18) foi obtido na forma de um sólido branco com rendimento de 90 % (48,0 mg).

Caracterização: RMN de 1H (250 MHz, CDCl3): δ ppm = 1,93 (m, 24H), 2,26 (m,

24H) 2,45 (t, 4H), 3,31 (m, 4H), 3,56 (m, 8H). ANEXO III (Figura 45).

6.3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Resultados iniciais foram obtidos com o dendron sintetizado. Em um primeiro

ensaio, foi avaliada in situ via SPR a interação do dendron (18) (HS-dendron-(PEG-COOH)9)

com superfície de ouro. Para estas medidas, soluções aquosas do dendron foram empregadas

(Figura 28). As curvas de SPR (Figura 28A) evidenciam três regiões características: (1)

estabelecimento da linha de base após adição de água; (2) adição de duas concentrações

diferente do dendron; e (3) adição de água para remoção das moléculas fracamente ligadas.

Conforme observado, após etapa de lavagem observou-se apenas uma pequena diminuição no

θSPR, sugerindo que o dendron se liga fortemente sobre a superfície do ouro. A Figura 28B

ilustra as curvas de refletância de SPR, evidenciando através do mínimo de refletividade

observado em cada etapa que o fenômeno de ressonância dos plásmons é mantido mesmo após

a interação do dendron. Estes resultados sugerem a viabilidade do uso do dendron (18) para

construção de biossensores de SPR.

(18)

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Figura 28. (A) Curvas de SPR ilustrando as etapas envolvidas na interação in situ de duas

diferentes concentrações do dendron (18) (1,0 e 0,75 mmol L-1) com a superfície de ouro. (B)

Curvas de refletância de SPR obtidas em cada etapa durante adsorção do dendron (1,0 mmol

L-1).

Posteriormente, com o intuito de avaliar a versatilidade da plataforma multivalente

formada com o dendron (18), foi realizado o estudo via SPR da imobilização de proteínas de

diferentes naturezas sobre o filme. Para estas análises, deixou-se o dendron (1,0 mmol L-1)

interagir ex situ com a superfície de ouro durante 24 horas. Em seguida, os grupos carboxílicos

terminais do dendron foram ativados via EDC (150 mmol L-1)/NHS (300 mmol L-1) durante 30

minutos, e, então, o substrato modificado foi imediatamente colocado no equipamento de SPR.

(A)

0 20 40 60 80

0

100

200

300

SP

R / m

0

Tempo / min

Dendron:

0,75 mmol L-1

1,0 mmol L-1

-2000 -1000 0 1000 20000

10

20

30

40

50

Refl

etâ

ncia

(%

)

SPR

/ mº

antes da adsorção

durante a adsorção

após etapa de lavagem

1,0 mmol L-1 dendron(B)

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A Figura 29 evidencia os resultados obtidos durante a imobilização das seguintes proteínas:

uma imunoglobulina padrão (IgG, Figura 29A), uma proteína com sítio de reconhecimento a

carboidratos (galectina-3 ou Gal-3, Figura 29B), um marcador cardíaco (proteína C reativa ou

CRP, Figura 29C) e um antígeno recombinante de L infantum (K39, Figura 29D).

Figura 29. Curvas de SPR ilustrando a imobilização de diferentes proteínas: IgG (A), Gal-3

(B), CRP (C) e K39 (D) sobre o dendron (18) previamente ativado via EDC/NHS.

Os resultados evidenciados demonstram que todas as proteínas avaliadas foram

eficientemente imobilizadas sobre o dendron (18), sugerindo elevada versatilidade dessa

plataforma multivalente inédita para construção dos biossensores de SPR.

0 120 240 360 480 600

0

50

100

150

200

250(A) IgG

SP

R / m

º

Tempo / s

IgG 100 g mL-1

IgG 50 g mL-1

0 150 300 450 600

0

8

16

24

32 Gal-3(B)

SP

R / m

0

Tempo / s

Gal-3 (500 g mL-1)

0 150 300 450 600

0

50

100

150

200

250(D) K39

SP

R / m

0

Tempo / s

K39 (50 g mL-1)

0 120 240 360 480 600

0

50

100

150

200

250CRP(C)

SP

R / m

º

Tempo / s

CRP (50 g mL-1)

(A)

(C)

(B)

(D)

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118

6.4. CONCLUSÕES PARCIAIS

As etapas necessárias para obtenção da molécula HS-dendron-(PEG-COOH)9

(composto (18)), foram sintetizadas e caracterizadas com sucesso. Em seguida, os estudos

iniciais em relação à aplicação desse dendron na construção de biossensores de SPR mostraram-

se bastante promissores.

Através da avaliação in situ via SPR da interação do HS-dendron-(PEG-COOH)9

com a superfície de ouro, variações significativas no θSPR evidenciaram o sucesso da ligação do

dendron, sugerindo elevada afinidade de ligação da molécula com o ouro. Durante esta etapa,

também foi observado mediante as curvas de refletância de SPR que o mínimo da refletividade

foi mantido durante adsorção do dendron, demonstrando a viabilidade de aplicação dessa

macromolécula em biossensores de SPR.

Proteínas de diferentes naturezas foram imobilizadas com sucesso sobre o dendron

via agentes de acoplamento EDC/NHS, sugerindo elevada versatilidade da plataforma

multivalente formada pelo dendron.

Portanto, esses resultados iniciais abrem boas perspectivas em termos de aplicação

desse dendron inédito sintetizado, justificando nosso interesse em aprofundarmos os estudos

com essa molécula nas próximas etapas.

6.5. PERSPECTIVAS FUTURAS

As técnicas de SPR e QCM serão empregadas visando a obtenção de informações

precisas na caracterização in situ dos filmes formados com o dendron mediante o

monitoramento dos processos envolvidos em suas etapas de construção. Será mensurada a

afinidade pelo substrato metálico do dendron sintetizado, bem como, o estabelecimento da

cobertura superficial desse sistema multivalente (efeito do volume molecular).

A técnica de SPR multiparamétrica (MP-SPR, Oy BioNavis Ltd., Tampere,

Finlândia), será utilizada para obtenção de curvas de refletância de SPR em diferentes

comprimentos de onda (λ). Essas curvas serão quantitativamente descritas através de resoluções

das equações de Fresnel para a determinação simultânea do índice de refração (n) e espessura

(d) dos filmes ultrafinos formados (d < 50 nm). Sendo esta, particularmente, uma abordagem

ainda pouco difundida na literatura, uma vez que são poucos os instrumentos de SPR que

permitem análises em dois ou mais λ.

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A topologia das superfícies será avaliada através da Microscopia de Força Atômica

(AFM, do inglês Atomic Force Microscopy) no intuito de obter informações sobre a densidade

e uniformidade das camadas orgânicas. Também se pretende pela AFM determinar a espessura

(d) dos filmes formados e comparar estes resultados com os obtidos pela técnica de MP-SPR.

Para auxiliar na construção de um modelo sobre a isoterma de adsorção do dendron

(18) sobre o substrato metálico, medidas de ângulo de contato serão realizadas. Além disso,

informações sobre a capacitância desses filmes e a sua resistência à transferência de carga serão

obtidas pela técnica de EIS.

Concluída a etapa de construção e caracterização dos filmes nanoestruturados

formados, subsequentemente serão avaliados os conceitos de multivalência e mensurado a

afinidade de ligação de biomoléculas (diferentes proteínas de L. infantum, por exemplo) sobre

o dendron (18). Outra abordagem a ser avaliada com o dendron será voltada à sua combinação

com nanopartículas metálicas, apresentando-se estas como um “elo” na busca do aumento de

sensibilidade da interface.

Espera-se que devido a estrutura construída de forma mais controlada desse

dendron, o mesmo apresente propriedades vantajosas, de forma a possibilitar a construção de

imunossensores com sensibilidades e seletividades cada vez mais elevadas. Tendo como

finalidade, portanto, o desenvolvimento de metodologias inéditas e mais eficientes em

comparação às metodologias empregadas nos estudos anteriores.

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Considerações finais e perspectivas

sobre os estudos realizados

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7. CONSIDERAÇÕES FINAIS E PERSPECTIVAS SOBRE OS ESTUDOS

REALIZADOS NESTA TESE

As principais contribuições científicas dos estudos realizados nesta tese de

doutorado estão sumarizadas a seguir.

Foi possível demonstrar a eficiência de plataformas organizadas formadas por

SAMs de alcanotióis combinadas com dendrímeros do tipo PAMAM para imobilização de

proteínas recombinantes de L. infantum na construção dos imunossensores de SPR e QCM. Em

relação aos filmes nanométricos avaliados, o destaque maior pode ser atribuído à síntese

orgânica de um dendron inédito do tipo HS-dendron-(PEG-COOH)9 e sua aplicação na

construção dos biossensores. Foi possível formar uma plataforma multivalente através da

interação direta do dendron sobre superfície de ouro, consistindo em uma nova metodologia

para funcionalização de superfícies metálicas.

Outro ponto a ser destacado, refere-se à metodologia adotada para mensurar

simultaneamente a espessura e o índice de refração de proteínas. Através da técnica de MP-

SPR foi possível trabalharmos com dois comprimentos de onda (670 e 785 nm) para esse

propósito, obtendo uma excelente precisão dos resultados. Neste sentido, estamos sugerindo e,

portanto, contribuindo, com uma nova abordagem para avaliar de forma simultânea a espessura

e o índice de refração de proteínas sobre superfícies metálicas.

Os biossensores desenvolvidos possibilitaram detecção livre de marcação e análises

mais rápidas, sensíveis e seletivas de anticorpos da LV em comparação às análises obtidas pelos

ensaios convencionais. Portanto, pode-se afirmar seguramente que novas e bem estabelecidas

metodologias foram desenvolvidas para o imunodiagnóstico da LV. Neste contexto, uma

perspectiva bastante promissora está centrada na aplicação dessas metodologias em dispositivos

miniaturizados e de baixo custo, os quais permitiriam a real aplicação em campo (áreas

endêmicas da LV, por exemplo) dos biossensores de SPR e QCM.

Uma outra vertente a ser destacada está voltada à viabilidade dos estudos cinéticos

realizados via os imunossensores de SPR e QCM, através dos quais foi possível demonstrar

quantitativamente a elevada afinidade de ligação (intenso caráter imunogênico) de proteínas

recombinantes inéditas frente a anticorpos da LV. Os resultados destes estudos, somados aos

resultados obtidos em ensaios de ELISA, evidenciaram vantagens a serem alcançadas pelo

emprego dessas proteínas no diagnóstico sorológico da LV.

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122

Através de uma abordagem cinética sobre o mecanismo de reação entre uma

proteína hipotética (antígeno C1) e anticorpos da LV, foi possível sugerir como ocorre essa

interação. Tais resultados vêm a contribuir para uma melhor compreensão desses sistemas a

nível molecular.

Em termos gerais, os resultados obtidos neste trabalho de tese de doutorado são

substanciais para contribuição significativa no diagnóstico e programas de controle da

leishmaniose visceral.

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Referências

bibliográficas

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124

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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den Boer, M.; Team, W. H. O. L. C. Plos One 2012, 7.

(3) No, J. H. Acta Tropica 2016, 155, 113.

(4) Smith, D. F.; Peacock, C. S.; Cruz, A. K. International Journal for Parasitology

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(5) Loeuillet, C.; Banuls, A.-L.; Hide, M. Parasites & Vectors 2016, 9.

(6) Sundar, S.; Chakravarty, J. Expert Opinion on Pharmacotherapy 2013, 14, 53.

(7) Okwor, I.; Uzonna, J. American Journal of Tropical Medicine and Hygiene

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(8) Belo, V. S.; Werneck, G. L.; Barbosa, D. S.; Simoes, T. C.; Leandro Nascimento,

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Communications 1991, 82, 425.

(143) Albers, W. M. a. V.-L., I. Nano-Bio-Sensing, 1st ed.; Chapter 4, Springer 2010.

(144) Randles, J. E. B. Discussions of the Faraday Society 1947, 1, 11.

(145) Ghosh, N.; Gupta, N.; Gupta, G.; Boopathi, M.; Pal, V.; Goel, A. K. Diagnostic

Microbiology and Infectious Disease 2013, 77, 14.

(146) Souto, D. E. P.; Fonseca, A. M.; Barragan, J. T. C.; Luz, R. d. C. S.; Andrade,

H. M.; Damos, F. S.; Kubota, L. T. Biosensors & Bioelectronics 2015, 70, 275.

(147) Sabatani, E.; Rubinstein, I. Journal of Physical Chemistry 1987, 91, 6663.

(148) Morton, T. A.; Myszka, D. G.; Chaiken, I. M. Analytical Biochemistry 1995,

227, 176.

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132

(149) Astruc, D.; Boisselier, E.; Ornelas, C. Chemical Reviews 2010, 110, 1857.

(150) Astruc, D.; Ornelas, C.; Liang, L.; Diallo, A. K.; Rapakousiou, A.; Djeda, R.;

Ruiz, J. Abstracts of Papers of the American Chemical Society 2011, 242.

(151) Ornelas, C.; Aranzaes, J. R.; Cloutet, E.; Alves, S.; Astruc, D. Angewandte

Chemie-International Edition 2007, 46, 872.

(152) Ornelas, C.; Pennell, R.; Liebes, L. F.; Weck, M. Organic Letters 2011, 13, 976.

(153) Ornelas, C.; Broichhagen, J.; Weck, M. Journal of the American Chemical

Society 2010, 132, 3923.

(154) Ornelas, C.; Weck, M. Chemical Communications 2009, 5710.

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133

ANEXO I

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134

ANEXO II

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135

ANEXO III

Composto (2)

Figura 30. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 500 MHz) do composto (2).

d c e

a

b

c

d

e f

a

b c d

g f

g

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136

Composto (3)

Figura 31. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 600MHz) do composto (3).

a b d

b

d c

c c

a

c

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137

Composto (4)

Figura 32. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250MHz) do composto (4).

a

a b

b

c

c

c

c

d

d e

e

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138

Composto (5)

Figura 33. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250MHz) do composto (5). Os picos 5,29 ppm,

2,96 ppm e 2,88 ppm são referentes a traços de CH2Cl2 e DMF.

a

a

b

b

c

c

d

d d

e

d e

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139

Composto (6)

Figura 34. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 600MHz) do composto (6). O pico 5,29 ppm é

referente a traços de CH2Cl2.

a

a

b

b

c

c

d

d

e

e

e

f

f

g

g

h i

h i

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140

Composto (7)

Figura 35. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (7).

a a

b

b

c

c

d

d

e

e e

e e

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141

Composto (8)

Figura 36. (A) Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (8). (B) Espectro de

RMN de 13C (CDCl3, 500 MHz) do composto (8), o pico em 77,16 ppm refere ao CDCl3.

a

a

b

b

c

c

d d

d d

e

e

d

a a

b c

b d e d d

d d

e

f

f

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142

Composto (10)

Figura 37. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (10).

a

a a

a

b

b b

H2O

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143

Composto (11)

Figura 38. Espectro de RMN de 1H (CD3OH, 250 MHz) do composto (11). Os picos 3,31 ppm

e 4,88 ppm são referentes a traços de CH3OH e H2O, respectivamente.

a

a a

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144

Composto (12)

Figura 39. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (12).

EtOH

a

a a

a

b c

d EtOH

c b d

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145

Composto (13)

Figura 40. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (13).

a

a

b

b

c

c

d

d

e

d

e

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146

Composto (14)

Figura 41. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (14).

a a

b c

b c

b c

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147

Composto (15)

Figura 42. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (15).

c b

b c

a

e

d

a

b c d e

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148

Composto (16)

Figura 43. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (16).

a

a

b

b c

c d e f g h

b c d e

e

f

g

h h

h h

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149

Composto (17)

Figura 44. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 250 MHz) do composto (17).

a a

b

b

b

c

c

c e

d

d

d

e e

e

e

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Composto (18)

Figura 45. Espectro de RMN de 1H (MeOD, 250 MHz) do composto (18).

b

b

a

a c

c

H2O

a b c

e e e e

e

d

d

d