Neste post, vamos falar sobre os quantum dots, uma tecnologia que promete revolucionar o futuro da medicina de precisão. Esses nanomateriais permitirão que o diagnóstico de imagem seja muito mais preciso e possa ser realizado simultaneamente a alguns tratamentos moleculares (aplicações teranóticas).
Para entender os quantum dots, precisamos revisar alguns conceitos simples de física. Depois disso, vamos explicar suas aplicações na medicina. Você nos acompanha nessa jornada para o futuro?
A física quântica Uma das descobertas da mecânica
A luz é composta por pequenos pacotes com uma quantidade fixa de energia, os fótons. A expressão quantum se refere a essa possibilidade de quantizar a luz e a matéria em termos de energia. Essa descoberta foi feita apenas no início do século XX, uma história que contamos aqui.
Com ela, foi criado o modelo atômico de Bohr. Nele, o átomo é composto por um núcleo (prótons e nêutrons), que é circundado por uma nuvem de elétrons com carga elétrica negativa.
Antes das descobertas da mecânica quântica, acreditava-se que os elétrons poderiam ocupar qualquer espaço ao redor do átomo. A localidade era livre no espaço e dependeria apenas da força de atração do núcleo (com carga positiva) e da repulsão mútua entre os elétrons (que se repelem por ter a mesma carga).
O modelo atômico mais antigo previa que o átomo era uma estrutura mínima sem subdivisões internas:
No início do século XIX, foi feita a descoberta de que a eletricidade e o magnetismo faziam parte do mesmo fenômeno: o eletromagnetismo.
Quando a eletricidade passa por um fio, ela gera um campo magnético ao seu redor. Quando movimentamos um campo magnético em um fio, ele gera eletricidade. Assim, foi possível desenvolver as redes de energia elétrica, que é produzida principalmente fazendo imãs girarem no interior de turbinas (quem tem fios ao seu redor).
Além disso, a eletricidade e o magnetismo têm outra característica em comum:
- o imã tem um pólo norte e um polo sul. Pólos diferentes se atraem: o norte atrai o sul. Porém, pólos diferentes se repele;
- a eletricidade tem cargas positivas e negativas. Dois objetos com carga diferente se atraem. Com cargas iguais, repelem-se.
Os cientistas buscaram uma explicação mais profunda de por que a eletricidade existe. Para isso, Thompson propôs que o átomo tivesse um núcleo com carga positiva com partículas negativas grudadas ao seu redor (“modelo pudim de passas”):
No entanto, havia uma pergunta em aberto. Se os elétrons estão grudados no núcleo, era preciso fornecer muita energia para tirar um átomo de perto do núcleo. Afinal, não precisamos de energia para afastar os pólos de um imã?
Então, foi criado um modelo em que os átomos não estão grudados no núcleo:
Mas para que eles não grudem, eles precisam de uma energia de movimento para escapar da atração. Assim, foi criado o modelo de Rutherford com átomos girando ao redor do núcleo:
Além disso, vários experimentos mostraram que era possível estimular os átomos com energia e isso gera luz. A essa altura, já se sabia que a luz era energia composta por fótons.
No entanto, Bohr descobriu que os elétrons também se comportavam de forma semelhante à luz e ficam distribuídos em camadas fixas de acordo com a energia que contêm.
- As camadas mais próximas do núcleo exigem que os elétrons fiquem em um estado menor de energia;
- As camadas mais distantes são ocupadas por elétrons com mais energia.
Portanto, todos os elétrons de uma camada têm aproximadamente a mesma energia.
No caso das órbitas eletrônicas dos átomos, a energia é mediada por fótons. Então, para ocupar uma região mais interna da nuvem, o elétron precisa liberar energia (emitir um fóton). Para ficar em uma camada mais distante do núcleo
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Depois disso, Pauli mostrou que cada camada comporta um número determinado de elétrons. Portanto, não basta apenas que o elétron tenha a energia necessária para ocupar aquela camada. É preciso ter um espaço vazio, “uma vaga”, na camada de destino.
A partir disso, soubemos que a energia que flui na camada elétrica de um átomo tem um padrão bem determinado, ocupando somente determinadas faixas. Assim, foi possível identificar que havia uma quantidade mínima de energia, que é proporcional à Constante de Plank. Os níveis mais energéticos são sempre esse nível de energia multiplicado por um número inteiro (1, 2, 3, 4 …) diferente de zero.
Esse tipo de padrão é conhecido como “discreto”. Isso é oposto de um padrão contínuo, o qual é identificado quando temos níveis de energia com números “quebrados” (como 1,1 e 3,14).
O que são quantum dots e quais são suas aplicações na medicina?
Os quantum dots são nanomoléculas, geralmente fabricadas a partir de materiais semicondutores ou por compostos puros de carbono (grafeno). A descoberta dos quantum dots foi feita no início da década de 1980 pelos cientistas Brus, Efros e Ekimov. Eles caracterizam as propriedades fotoelétricas desses materiais e propuseram algumas aplicações, que vêm sendo testadas desde então.
O uso dos QDs na medicina vem sendo pesquisado desde a década de 1990, mas recebeu mais atenção nos últimos anos com o avanço da nanotecnologia. No entanto, ainda não há nenhum solução aprovada com finalidade clínica. Afinal, uma das principais barreiras é a toxicidade de alguns materiais dos QDs, como o cádmio. Esse problema vem sendo resolvido com nanomateriais baseados em compostos de carbono, mas ainda é preciso evoluir em relação à estabilidade química deles.
Há inúmeras características dos QD que podem ser exploradas na medicina. Entretanto, a que recebe maior interesse é o padrão discreto de excitação e emissão de energia fotoelétrica.
A energia dos átomos e moléculas é transmitida principalmente pela absorção e emissão de fotos, a partícula que media a força eletromagnética. Por exemplo, a luz é uma radiação elétromagnética, composta por fótons que são emitidos com diferentes frequências e níveis energéticos. Cada faixa de frequência corresponde a uma cor percebida por nossos olhos, como no diagrama a seguir:
Todos os materiais emitem algum tipo de radiação eletromagnética. Por exemplo, a energia térmica é a transmissão de raios infravermelhos, um tipo de radiação eletromagnética que não é percebida pelos olhos humanos.
A maioria dos sólidos são compostos por vários átomos. Então, dentro de um material, há diversos elétrons, que estão transitando de uma camada para a outra e produzindo fótons com energias e frequências diferentes. Então, na soma de todas elas, vemos um padrão contínuo de emissão e recepção de energia eletromagnética.
Quantum dots, por sua vez, tem a curiosa característica de se comportarem feito átomos simples. Ou seja, com padrões discretos de absorção e emissão de energia.Isso é muito interessante para a medicina.
É possível criar moléculas e nanopartículas que se ativam apenas quando estimuladas por uma frequência muito específica de energia. Assim, podemos ativá-las apenas quando atingirem o alvo. Como os quantum dots também só emitem em um padrão bem determinado, podemos desenvolver exames de imagem mais precisos com o mínimo de ruído de outros fatores.
Ou melhor, podemos criar soluções teranósticas, isto é, que atuam como ferramentas diagnósticas e terapêuticas simultaneamente. Se o método confirmar o diagnóstico de uma doença, emitimos a frequência que libera o princípio-ativo, iniciando o tratamento durante o diagnóstico.
- Ricardo Tadeu de Carvalho, médico, especializado em produção de conteúdo para a área da saúde. Colunista no Saúde Digital Ecossistema. CEO do RT Marketing Médico.
- Lorenzo Tomé, médico, host do podcast Saúde Digital. CEO do Saúde Digital Ecossistema.