Muitas aplicações biológicas da quitosana dependem de sua interação com membranas celulares, cujo mecanismo não é conhecido em nível molecular. Nesta tese, empregam-se filmes de Langmuir dos fosfolipídios dipalmitoil fosfatidil colina (DPPC), dipalmitoil fosfatidil glicerol (DPPG) e ácido dimiristoil fosfatídico (DMPA) para mimetizar a membrana, e é avaliada a influência dos grupos hidroxila e amino de quitosana nas propriedades dos filmes. Para tanto, O-acilquitosanas foram produzidas por meio de reação de acilação, gerando os derivados 3,6 - O,O\'- dietanoilquitosana (DEQUI) e 3,6 - O,O\'- dipropanoilquitosana (DPPQUI) solúveis em solução aquosa ácida, e 3,6 - O,O\'- dimiristoilquitosana (DMQUI) e 3,6 - O,O\'- dipalmitoilquitosana (DPQUI), solúveis em clorofórmio. DEQUI e DPPQUI afetam mais fortemente as isotermas de pressão de superfície e elasticidade dos filmes do que quitosana, sendo os efeitos de DPPQUI (mais hidrofóbico) maiores do que para DEQUI. Isso indica que ligações hidrogênio envolvendo as hidroxilas da quitosana não são essenciais na interação. Espectros no infravermelho com modulação de polarização (PM-IRRAS) confirmaram interações hidrofóbicas, com penetração dos derivados entre as moléculas de fosfolipídio. DEQUI causa mais ordenamento das cadeias do fosfolipídio, enquanto o efeito de DPPQUI é oposto. DMQUI e DPQUI formam filmes de Langmuir altamente compactados com agregação de moléculas, inferida das isotermas de pressão e potencial de superfície. Os resultados sobre a influência dos grupos amino foram inconclusivos, pois o comportamento atrativo entre os materiais pode ser devido tanto à existência de grupos com cargas opostas, quanto interações hidrofóbicas. Quitosanas com diferentes massas moleculares (alta - QAMM e baixa - QBMM) foram utilizadas para obter informações sobre a orientação dos grupos químicos da quitosana e fosfolipídios e conformação do polímero em solução. Espectros PM-IRRAS indicam maior efeito de QBMM em monocamadas de DPPG, provocando diminuição na intensidade e deslocamento para maiores números de onda das bandas de CH, inversão na orientação do grupo P=O do DPPG e maior intensidade da banda amida II, sugerindo maior densidade desses grupos na interface. Os espectros de geração de soma de frequência (SFG) mostraram diminuição na ordenação/compactação das caudas de DPPG, aumento do espaçamento entre as moléculas e de defeitos gauche. Conclui-se que derivados O-acilados de quitosana têm maior efeito sobre modelos de membrana, principalmente devido às forças hidrofóbicas, sendo mais adequados em aplicações biológicas que dependam dessa interação. Também favorece a interação com a membrana a atração eletrostática, com efeitos mais relevantes para quitosanas de menores massas moleculares. / Many biological applications of chitosan depend on its interaction with cell membranes, whose mechanism at the molecular level is not known. In this thesis, Langmuir films from the phospholipids dipalmitoyl phosphatidyl choline (DPPC), dipalmitoyl phosphatidyl glycerol (DPPG) and dimyristoyl phosphatidic acid (DMPA) were used to mimic the cell membrane, and effects from the hydroxyl and amine groups in chitosan on the film properties were evaluated. For this, O-acylchitosans were produced by acylation reaction, resulting in the derivatives 3,6 - O,O\' - diacetylchitosan (DECT) and 3,6 - O,O\'- dipropionylchitosan (DPPCT), which are soluble in acidic aqueous solution, and 3,6 - O,O\'- dimyristoylchitosan (DMCT) and 3,6 - O,O\'- dipalmitoylchitosan (DPCT), soluble in chloroform. DECT and DPPCT affect the surface pressure and elasticity of the films more strongly than chitosan, especially DPPCT that is more hydrophobic. This indicates that hydrogen bonds involving the hydroxyl groups from chitosan are not essential for the interaction. Polarization-modulated infrared reflection absorption (PM-IRRAS) spectra confirmed hydrophobic interactions with penetration of derivatives between the phospholipid molecules. DECT induces ordering in the chains, while the opposite occurs for DPPCT. DMCT and DPCT form highly compressed films with aggregation, as shown by surface pressure and surface potential isotherms. The results on the importance of amino groups were inconclusive because the attractive behavior between materials may be due to either the oppositely charged groups or hydrophobic interactions. Chitosans with different molecular weights (high - CHMW and low - CLMW) were used to obtain information about the chitosan and phospholipids chemical groups orientation and polymer conformation in solution. PM-IRRAS spectra indicate greater effect from QBMM on DPPG monolayers, causing a decrease in intensity and shift to higher wavenumbers of the CH bands, inversion in the orientation of the P=O group from DPPG and greater intensity of the amide II band, suggesting greater density of these groups at the interface. The sum-frequency generation (SFG) spectra showed a decrease in ordering/packing of the DPPG chains, increased spacing between molecules and gauche defects. Overall, the O-acyl derivatives of chitosan have greater effect on cell membrane models, owing to hydrophobic forces, being therefore more suitable for biological applications that depend on this interaction. Also important for the interaction is the electrostatic attraction, with more relevant effects observed with low-molecular weight chitosans.

Na primeira parte deste trabalho foi estudada a interação da porfirina catiônica meso-tetrakis N-metil-4-piridil (TMPyP) e a porfirina aniônica meso-tetrakis 4-fenilsulfonato (TPPS4) nas formas de base livre com sistemas modelos de membrana biológica (micelas iônicas, micelas mistas e vesículas de fosfolipídios) em soluções aquosas, através das técnicas de absorção ótica, espalhamento de luz ressonante (RLS do inglês \"resonante light scattering), fluorescência e SAXS, do inglês \"Small Angle X-Ray Scattering\". As curvas de SAXS das micelas catiônicas de CTAC (cloreto de cetiltrimetilamônio) foram ajustadas como um elipsóide prolato na ausência e na presença de 2-10 mM de TPPS4. Os dados de SAXS mostraram que a presença da porfirina TPPS4 modifica o centro hidrofóbico micelar, levando a formação de micelas menores. Através das análises dos dados de SAXS das micelas de SDS (dodecilsulfato de sódio) observamos que a forma da micela na ausência e na presença de 2-10 mM TMPyP apresenta a forma de um elipsóide prolato sem mudanças. Entretanto, o coeficiente de ionização, diminuiu com o aumento da concentração de porfirina, sugerindo a \"blindagem\" da carga aniônica do SDS pela porfirina catiônica. A supressão de fluorescência da TPPS4 e TMPyP foi estudada na ausência e na presença de diferentes micelas de surfactantes, tais como as de SDS, CTAC, HPS (N-hexadecil-N,N,dimetil-3-amônio-1-propano sulfato) e TX-100 (t-octil-fenoxi-polietoxi-etanol). O iodeto de potássio (KI) foi utilizado como supressor. Os gráficos de Stern-Volmer dos dados de fluorescência no estado estacionário foram ajustados pela equação quadrática, incluindo a supressão dinâmica (KD) e estática (KS). Os valores de KS são muito menores do que os valores de KD. Os resultados da TMPyP são consistentes com as constantes de ligação reportadas na literatura: uma redução significativa de supressão acontece para a TMPyP na presença de SDS, e uma redução moderada é observada para o sistema TMPyP-HPS e quase nenhuma mudança é vista para a TMPyP na presença de TX-100. Para o sistema CTAC-TPPS4 um aumento na supressão foi observado quando comparada com a TPPS4 em tampão puro. Isto provavelmente é associado ao acúmulo de iodeto na interface da micela catiônica. A atração entre a cabeça polar do CTAC e I-, e a repulsão entre SDS e I-, aumenta e reduz a supressão de fluorescência, respectivamente, das porfirinas que se localizam na interface micelar. A pequena supressão da TPPS4 em TX-100 é coerente com a forte ligação entre a TPPS4-TX-100 reportada na literatura. A TPPS4 e a TMPyP na presença de concentrações baixas dos surfactantes CTAC e SDS, respectivamente, apresentaram formação de agregados pré-micelares. A adição de surfactante neutro, TX-100, reduziu o efeito de agregação, acompanhada pelas várias técnicas espectroscópicas utilizadas neste trabalho. Portanto, sob condições onde temos a máxima formação de agregados (porfirina-surfactante), a titulação da TPPS4 com micelas de 40%CTAC-60%TX-100 e a TMPyP com micelas de 80%SDS-20%TX-100 não foi suficiente para eliminar a agregação, apesar da diminuição significativa do efeito de supressão de fluorescência e da intensidade de luz espalhada. A interação da TMPyP com 1-Palmitoil-2-Oleoil-sn-Glicero-3-fosfocolina (POPC), 1-Palmitoil-2-Oleoil-sn-Glicero-3-[Fosfo-rac-(1-glicero)] (POPG) e a mistura POPC + POPG é predominantemente devido à contribuição de eletrostática. O aumento da carga negativa, devido à adição de POPG, favorece a interação das vesículas com a porfirina catiônica. Na segunda parte deste trabalho foram estudados os efeitos de três surfactantes na estrutura oligomérica da hemoglobina extracelular gigante de Glossoscolex paulistus (HbGp) na sua forma oxi. O estudo com o SDS, CTAC e HPS permitiu diferenciar os efeitos de cargas opostas da cabeça polar dos surfactantes na dissociação da estrutura oligomérica e na autoxidação da hemoglobina. A interação do HPS com HbGp foi claramente menos intensa que a interação desta hemoglobina com os surfactantes catiônico (CTAC) e aniônico (SDS). Provavelmente, esta menor interação da HbGp com HPS, quando comparada com o SDS e o CTAC, é devido a menor atração eletrostática entre o HPS e os sítios iônicos da proteina. Dados espectroscópicos foram discutidos e comparados com os da literatura, afim de compreender a interação hemoglobina-surfactante, e como o ponto isoelétrico ácido (pI) pode influenciar na relação da estrutura-atividade das hemoglobinas gigantes extracelulares. As amostras de HbGp foram estudadas por espalhamento de luz dinâmico (DLS do inglês \"Dynamic light scattering\"). Na faixa de pH 6.0 a 8.0, HbGp é bastante estável e a distribuição de tamanho das partículas é monodispersa com um diâmetro hidrodinâmico médio (Dh) de 27 nm. O aumento dos valores de pH (pH>9.0) induziu um processo de dissociação irreversível, resultando num valor do Dh menor (10 nm). A diminuição do Dh sugere uma dissociação completa da hemoglobina. Em pH>9,0 a cinética de dissociação é lenta, com um mínimo 24 h para ser completada. As constantes cinéticas de dissociação aumentam progressivamente, com o aumento do valor do pH. As curvas de melting point para HbGp apresentaram dissociação oligomérica e desnaturação da proteina em função do pH. Os processos de autoxidação e dissociação estão intimamente relacionados, de modo que a dissociação da proteina oligomérica promove um aumento na velocidade de autoxidação e vice-versa. / In the first part of this work interactions of the cationic meso tetrakis (4-N-methilpyridil) porphyrin (TMPyP) and meso-tetrakis (4-sulfonatophenyl) porphyrin (TPPS4) in the free base forms with membrane model systems (ionic micelles, mixed micelles and phospholipids vesicles) in aqueous solutions, have been investigated by optical absorption, resonance light scattering (RLS), fluorescence and SAXS (Small Angle X-Ray Scattering). The best-fit SAXS curves were obtained assuming for cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) micelle a prolate ellipsoidal shape in the absence and upon incorporation of 2-10 mM TPPS4. SAXS results show that the presence of TPPS4 impacts on micellar hydrophobic core, leading to a micellar reassembling into smaller micelles. SAXS data analysis demonstrated a prolate ellipsoidal shape for sodium dodecyl sulfate (SDS) micelles; no significant changes in shape and size were observed for SDS-TMPyP co-micelles. Moreover, the ionization coefficient, α, decreases with the increase of the porphyrin concentration, suggesting the \"screening\" of the anionic charge of SDS by the cationic porphyrin. These results are consistent with optical absorption, fluorescence and RLS spectroscopies data, allowing to conclude that neutral surfactants present a smaller interaction with the cationic porphyrin as compared with ionic surfactants. Fluorescence quenching of TPPS4 and TMPyP is studied in aqueous solution and upon addition of micelles of SDS, CTAC, N-hexadecyl-N,N-dimethyl-3-ammonio-1- propanesulfonate (HPS) and t-octylphenoxypolyethoxyethanol (Triton X-100). Potassium iodide (KI) was used as quencher. Steady-state Stern-Volmer plots were best fitted by a quadratic equation, including dynamic (KD) and static (KS) quenching. KS was significantly smaller than KD. For TMPyP quenching results are consistent with reported binding constants: a significant reduction of quenching takes place for SDS, a moderate reduction is observed for HPS and almost no change is seen for Triton X-100. For CTAC-TPPS4 system an enhancement of quenching was observed as compared to pure buffer. This is probably associated to accumulation of iodide at the cationic micellar interface. The attraction between CTAC headgroups and I-, and repulsion between SDS and I-, enhances and reduces the fluorescence quenching, respectively, of porphyrins located at the micellar interface. The small quenching of TPPS4 in Triton X-100 is consistent with strong binding as reported in the literature. Anionic TPPS4 and cationic TMPyP in the presence of low concentrations of the surfactants CTAC and SDS, respectively, showed formation of aggregates, monitored by optical absorption, fluorescence and resonance light scattering intensity (RLS). The addition of nonionic surfactant, Triton X-100, reduced the effect of aggregation monitored by the various techniques used in the present work. Therefore, under conditions for the maximum of aggregate formation (porphyrin-surfactant), apparently, the CTAC: TX-100 ratio equal to 40:60 and SDS:TX-100 ratio equal to 80:20 are not sufficient to eliminate aggregation, despite the significant decrease of the quenching effect of fluorescence and of the light scattering intensity. The interaction of TMPyP with 1-Palmitoyl-2-Oleoyl-sn- Glycero-3-Phosphocholine (POPC), 1-Palmitoyl-2-Oleoyl-sn-Glycero-3-[Phospho-rac-(1- glycerol)] (POPG) and the mixture POPC+POPG is predominantly due to the electrostatic contribution. The increase of the negative charge, due to addition of POPG, favors the interaction of vesicles with the cationic porphyrin. On the second part of this work the effects of three surfactants upon the oligomeric structure of the giant extracellular hemoglobin of Glossoscolex paulistus (HbGp) in the oxy - form was studied. The use of SDS, CTAC and HPS has allowed to differentiate the effects of opposite headgroup charges on the oligomeric structure dissociation and hemoglobin autoxidation. Furthermore, the interaction of HPS with HbGp was clearly less intense than the interaction of this hemoglobin with cationic (CTAC) and anionic (SDS) surfactants. Probably, this lower interaction with HPS is due to the lower electrostatic attraction between the HPS surfactant and the protein surface ionic sites when compared to the electrostatic interaction between HbGp and cationic and anionic surfactants. Spectroscopic data are discussed and compared with the literature in order to improve the understanding of hemoglobin-surfactant interaction as well as the acid isoelectric point (pI) influence of the giant extracellular hemoglobins on its structure-activity relationship. HbGp samples were studied by dynamic light scattering (DLS). In the pH from range 6.0 to 8.0, HbGp is stable and a monodisperse size distribution with a z-average hydrodynamic diameter (Dh) of 27±1 nm is observed. More alkaline pH (pH>9.0) induced an irreversible dissociation process, resulting in smaller Dh of 10±1 nm. Dh decrease suggests a complete hemoglobin dissociation. At pH 9.0 the dissociation kinetics is slow, taking a minimum of 24 h to be completed. Dissociation rate constants progressively increase at higher pH. Melting curves for HbGp showed oligomeric dissociation and protein denaturation as a function of pH. Autoxidation and dissociation processes are intimately related, so that oligomeric protein dissociation promotes the increase of autoxidation rate and vice-versa.

Quitosana é um polissacarídeo usado em diversas aplicações biológicas, por exemplo, em liberação controlada de drogas, transfecção, aceleração da cicatrização de feridas e como agente bactericida, entre outras. Em todas essas aplicações, o polímero interage com tecidos e células. Entretanto, embora sua ação seja comprovada, os mecanismos de ação e a interação do polímero com células e biomembranas no nível molecular ainda não são conhecidos. Nesta tese de doutorado, filmes de Langmuir e Langmuir-Blodgett (LB) de lipídios foram usados como modelos de membrana celular para estudar em nanoescala a interação e os efeitos causados pela quitosana. Primeiramente, observou-se que a quitosana, um polieletrólito solúvel em pH ácidos, possui atividade superficial induzida na presença de um filme interfacial de lipídio, demonstrando que o polímero possui interação favorável com membranas. Após adsorver sobre as monocamadas, a quitosana expande as mesmas, o que ocorre apenas até uma determinada concentração de polímero, denominada concentração de saturação. A magnitude dessa expansão é menor para filmes compactos, o que sugere que a quitosana é parcialmente expulsa da interface, localizando-se na subsuperfície. Isso foi comprovado com o uso de filmes LB, que mostraram que filmes mistos com quitosana têm rugosidade cerca de 10 vezes a de filmes puros de ácido dimiristoil fosfatídico (DMPA). Foi possível confirmar que a quitosana penetra na monocamada, formando agregados com até 150 nm de altura. Além disso, a maior orientação das moléculas de fosfolipídios, sugerida por isotermas de potencial de superfície (V-A) para filmes de Langmuir, também foi comprovada para os filmes LB por medidas de espectroscopia de geração de soma de freqüências (SFG). Filmes mistos de DMPA e colesterol também foram estudados, sendo que o colesterol provoca condensação nos filmes de DMPA a baixas pressões, mas expande as monocamadas em altos estágios de compactação. Quando a quitosana interage com os filmes mistos, ela provoca a mesma expansão para todas as monocamadas independentemente da proporção de colesterol na mistura. Embora esse comportamento possa sugerir um papel inerte do colesterol, ele é explicado pela modulação da penetração da quitosana nos filmes pelo colesterol. Isso ocorre porque há um número fixo de pontos de interações eletrostáticas entre os grupos NH3+ da quitosana e PO2- do DMPA, o que foi comprovado por medidas de espectroscopia de reflexão-absorção na região do infravermelho com modulação da polarização (PM-IRRAS). Com esta técnica para filmes de Langmuir, e espectroscopia SFG para filmes LB, pôde ser traçado um panorama dos efeitos da inserção de colesterol na membrana de DMPA, seguido da interação da quitosana com a membrana mista. A adição do colesterol ao filme de fosfolipídio acarreta em diminuição da ordem das cadeias de DMPA, detectado por variações nas bandas de s(CH2) e ass(PO2-) do fosfolipídio no espectro de PM-IRRAS, e pela razão s(CH3)/s(CH2) nos espectros de SFG. Por outro lado, a interação da quitosana com esse filme misto causa recuperação da orientação das caudas polares do fosfolipídio, verificada pela análise das mesmas bandas de PM-IRRAS e pela razão s(CH3)/s(CH2), que diminui de 6,62 para 4,58 com a adição de colesterol, mas volta a 5,97 após a interação com o polímero. De forma geral, a ação da quitosana sobre biomembranas é governada principalmente por interações eletrostáticas com lipídios carregados negativamente, na superfície externa das mesmas. Dentre os principais efeitos causados pelo polímero, destaca-se a diminuição da elasticidade da membrana e o aumento da orientação das moléculas de lipídio, que podem ter importantes implicações biológicas. A observação de uma concentração de saturação dos efeitos, na maioria dos casos, sugere que a dosagem e a estrutura química da quitosana devem ser bem controladas para alcançar o efeito biológico desejado. / Chitosan is a polyssaccharide with many biological applications, as in drug delivery, transfection, wound healing and as bactericidal agent, for instance. In all these applications the polymer interacts with tissues and cells. The efficacy of chitosan has been proven, but the mechanisms of action and the interactions with cells and biomembranes are still unknown. In this thesis, Langmuir and Langmuir-Blodgett (LB) films made of lipids were employed as cell membrane models, in order to investigate the interactions and modulations caused by chitosan at the molecular level. Firstly, the soluble polyelectrolyte chitosan was found to induce surface activity when a lipid monolayer is at the air/water interface, demonstrating that the interaction of chitosan with membranes is favorable. Upon chitosan adsorption, the monolayers were increasingly expanded with increasing chitosan concentration in the subphase up to a saturation concentration. The extension of this expansion was lower for highly packed films, suggesting that chitosan was partially expelled from the interface after the compression, being located at the sub-monolayer region. This was confirmed by the 10-fold increase in film roughness observed for the areas without aggregates in LB films. Also, we could observe aggregates as high as 150 nm on the film surface, thus confirming chitosan penetration in the dimyristoyl phosphatidic acid (DMPA) monolayer. Mixed DMPA-cholesterol Langmuir monolayers were also produced, with cholesterol inducing condensation of the DMPA films at low pressures, and film expansion at high pressures. Regardless of the cholesterol proportion in the film, chitosan always induced the same degree of expansion on the DMPA mixed monolayers as for a neat DMPA monolayer. Although this behaviour may suggest an inert role for cholesterol, it can only be explained if the sterol is assumed to regulate the extension of chitosan penetration into the monolayer. This occurs because there is a fixed number of sites for electrostatic interactions between NH3+ groups from chitosan and PO2- from DMPA, probed by infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS) measurements. Indeed, with PM-IRRAS measurements for Langmuir monolayers and sum-frequency generation spectroscopy (SFG) measurements for LB films, we could establish an overview of the effects from cholesterol on DMPA films upon interaction with chitosan. The addition of cholesterol to the DMPA monolayer caused a decrease in the chain order, which was detected by changes in the s(CH2) and ass(PO2-) bands from the phospholipid in the PM-IRRAS spectrum, and by the s(CH3)/s(CH2) intensity ratio in SFG measurements. On the other hand, the interaction of chitosan with these mixed monolayers restored chain order, as observed from the analysis of PM-IRRAS bands and the s(CH3)/s(CH2) in SFG. The latter dropped from 6.62 to 4.58 with cholesterol addition, but further increased to 5.97 with the chitosan interaction. Overall, the chitosan action on biomembranes is mainly governed by electrostatic interactions with negatively charged lipids at the external leaflet of the membrane. The main effects from chitosan to the membrane models are the decrease in membrane elasticity and the increase in molecular ordering, which can lead to important biological implications. Moreover, the existence of the so-called concentration of saturation for most systems suggests that the dosage and chemical structure of chitosan must be well controlled to obtain the desired biological effect.

Este projeto teve como objetivo geral continuar a avaliar a adequação de anfifílicos que se agregam em solução aquosa formando bicamadas, para recobrir superfícies de sílica. Em paralelo, foi objetivada a reconstituição do reconhecimento receptor-ligante, tendo como modelo o monosialogangliosídio GM1 e a enterotoxina do vibrião da cólera. Os resultados obtidos poderão se mostrar de grande valor em aplicações práticas que envolvem a construção de sistemas de detecção e quantificação de substâncias ou moléculas específicas. A adsorção e estabilidade de bicamadas contendo fosfatidilcolina (PC) ou misturas de brometo de dioctadecildimetilamônio (DODAB) e dipalmitoilfosfatidilcolna (DPPC) sobre a superfície de nanopartículas de sílica foi estudada através de isotermas de adsorção por dosagem do fosfato inorgânico, análises de sedimentação por imagens fotográficas e medidas dos diâmetros médios (Dz) e potenciais-zeta (ζ) de partículas por espectroscopia de correlação de fótons. Foram avaliadas as afinidades entre as bicamadas e a superfície das nanopartículas e a estabilidade do sistema em função da força iônica, do pH e da concentração adicionada de lipídio. A afinidade das bicamadas pela superfície da sílica apresentou uma correlação com as forças de van der Waals e as pontes de hidrogênio que se formam entre os grupos químicos do anfifílico e aqueles de superfície da sílica. A formação de uma única bicamada lipídica de PC sobre a sílica foi detectada, o que levou à estabilidade coloidal do sistema particulado. As bicamadas mistas de DPPC/DODAB por sua vez apresentaram uma afinidade decrescente pela sílica com a elevação da porcentagem de DODAB na bicamada. Os dados de isoterma e de ζ das partículas sugerem uma separação física entre o DPPC e o DODAB. O conjunto otimizado partícula de sílica/bicamada de PC (partícula biomimética) foi assim utilizado para promover a incorporação do GM1 micelar nas bicamadas, medida por fluorescência com a utilização da sonda GM1 pireno, seguida do reconhecimento e ligação da toxina da cólera (CT) ao complexo formado. A transferência do GM1 das micelas para as partículas se mostrou dependente da disponibilidade de bicamadas adsorvidas nestas e da ausência de bicamadas não-adsorvidas, livres em dispersão. Para avaliar a ligação da toxina da cólera às partículas biomiméticas foram calculadas isotermas de adsorção a partir da dosagem de proteína não ligada que resta no sobrenadante. A ligação específica da CT na presença de bicamadas de PC e GM1 foi de 67% em massa do total da proteína adicionada, revelando uma ligação positiva entre receptor e ligante. A estequiometria revela que a proporção molar PC: GM1: CT é de 300: 5: 1 respectivamente. A proporção de 1 CT: 5 GM1 está de acordo com a literatura onde experimentos de difração de raios-X mostram a estrutura tridimensional do pentâmero CTB5 ligado a cinco unidades de pentasacarídeo do GM1. / The general objective of this project was to continue evaluating the suitability of amphiphiles that aggregate in aqueous solution forming bilayers, to cover surfaces of silica. A secondary objective pursued was to promote the reconstitution of the receptor-ligand function, having as a model the monosialoganglioside GM1 and the enterotoxin of the choleric vibrio. The results may prove to be valuable in pure research or practical applications for sensing and detection of biomolecules. The adsorption and stability of phosphatidylcholine (PC) bilayers or mixtures of dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) and dioctadecyldimethylammonium bromide (DODAB) over surfaces of silica nanoparticles were evaluated through adsorption isotherms by inorganic phosphate dosage, sedimentation analysis by means of photographic images and measurements of hydrodynamic diameter (Dz) and zeta-potentials (ζ) of particles by photon correlation spectroscopy. The affinity between the bilayers and the nanoparticles surfaces and the general system stability were evaluated as a function of ionic strength, pH and added lipid concentration. The affinity showed a correlation with the van der Waals and the hydrogen bridges forces that form between the chemical groups of the amphiphile and the silica surface. The formation of a single lipid PC bilayer over the silica was detected, leading to the colloidal stability of the particulate system. Mixed bilayers of DPPC/DODAB on the other hand showed a decreasing affinity for silica with an increasing DODAB percentage in the bilayer. Data from isotherms and ζ of particles suggests a physical separation of the DPPC and DODAB. The optimized array of silica particle/PC bilayer (biomimetic particles) was thus used to promote the incorporation of micellar GM1 into the bilayers, measured by fluorescence with a GM1 pirene probe, followed by the cholera toxin (CT) binding to the resulting array. GM1 transfer from micelles to particles showed dependence on the adsorbed bilayers availability and on the absence of non-adsorbed bilayers, free in the bulk solution. To evaluate CT binding to biomimetic particles adsorption isotherms were calculated from the dosage of unbound protein remaining in the supernatant. Specific binding of CT in the presence of PC and GM1 bilayer was 67% mass of total protein added, indicating a positive binding between receptor and ligand. Stoichiometry revealed that the molar proportion PC: GM1: CT is 300: 5: 1 respectively. The proportion of 1 CT: 5 GM1 is in good agreement with data in the literature where X-ray diffraction tests show the 3-dimensional structure of the CTB5 pentamer bound to five units of the pentasaccharide GM1.

A investigação dos mecanismos de interação dos vírus com as células do hospedeiro trazem informações relevantes para a identificação de alvos no desenvolvimento de drogas para impedir a penetração e/ou desenvolvimento dos vírus. Peptídeos desenhados a partir de proteínas virais foram desenvolvidos e testados quanto as suas capacidades de inibir o processo de fusão do vírus com a célula do hospedeiro. Alguns se encontram em fase de avaliação clínica. Anticorpos contra a proteína p24 do HIV-1 foram detectados no soro de pacientes HIV-positivos, e estes reconhecem pequenas seqüências peptídicas desta proteína. Neste trabalho foi analisada a interação entre uma seqüência peptídica correspondente aos aminoácidos 196-224 (AAMQMLKETINEEAAEWDRVHPVHAGPIA) da proteína p24, denominado p24- 1, com sistemas biomiméticos. Os sistemas utilizados foram filmes de Langmuir (monocamadas) de dipalmitoil fosfatidil colina (DPPC) e dipalmitoil fosfatidil glicerol (DPPG) e vesículas multilamelares (MLVs) de DPPC. O p24-1 encontra-se desorganizado em solução aquosa, mas com a interação com as MLVs de DPPC teve induzido uma conformação hélice ?, de acordo com o espectro de dicroísmo circular (CD). Esta característica foi confirmada pela predição de hélice a seguida por uma estrutura não ordenada contendo 11 resíduos do p24-1. As isotermas de pressão e potencial de superfície das monocamadas de DPPC foram afetadas com a presença de 0,05% mo1 de p24-1, com uma expansão de aproximadamente 5%. Para concentrações acima de 0,5% mo1 de p24-1 a expansão foi de 20%, com saturação do efeito da concentração. O efeito de expansão foi acompanhado por uma alteração na morfologia das monocamadas, estudados com microscopia no ângulo de Brewster (BAM). A incorporação do p24-1 impede a formação de grandes domínios de DPPC. O efeito cooperativo causado na monocamada de fosfolipídios pelo p24-1 sugere que esse tem um potencial na atividade antiviral por participar da expansão da membrana da célula hospedeira. / The investigation of the interaction mechanisms between the viruses and the host cells brings relevant information for the identification of targets on the development of drugs to prevent the penetration and/or development of the viruses. Peptides designed from viral proteins have been developed and tested on its capacities of inhibiting the merging process of the virus with the host cell. Some of them are in clinical evaluation. Antibodies against the protein p24 of the HIV-1 have been detected in the serum of HIV-positive patients, and they are able to recognize short peptide sequences of this protein. In this work, it was analyzed the interaction between a peptide sequence corresponding to amino acids 196-224 (AAMQMLKETINEEAAEWDRVHPVHAGPIA) of the protein p24, called p24- 1, and biomimetic systems. The systems used were Langmuir films (monolayers) of dipalmitoyl phosphatidyl choline (DPPC) and dipalmitoyl phosphatidyl glycerol (DPPG) and multilamelar vesicles (MLVs) of DPPC. p24-1 is found disorganized in watery solution, but with the interaction with the MLVs of DPPC it had induced a conformation ?-helix, according to the circular dichoism spectra (CD). This characteristic was confirmed by the prediction of ?-helix followed by an unordered structure with 11 residues of p24-1. The isotherms of pressure and potential of surface of the DPPC monolayers were affected by the presence of 0,05% mo1 of p24-1, with an expansion of approximately 5%. For concentrations above 0,5% mol of p24-1 the expansion was 20%, with saturation of the concentration effect. The expansion effect was followed by a morphologic alteration of the monolayers, studied with microscopy of the Brewster angle (BAM). The incorporation of p24-1 prevents the formation of large domains of DPPC. The cooperative effect caused in the phospholipid monolayer by p24-1 suggests that this peptide has a potential in the antiviral activity, once its participates on the expansion of the host cell membrane.

As coberturas de hidroxiapatita (HAp) são utilizadas para aumentar a osteointegração em implantes de titânio (Ti), devido à sua capacidade de promover a biomineralização para corrigir defeitos esqueléticos e craniofaciais. O objetivo desta pesquisa foi avaliar a influência dos revestimentos sobre culturas primárias de osteoblastos. Na primeira fase de estudos, desenvolvemos uma nova abordagem de revestimento baseada em filmes Langmuir-Blodgett (LB) de dihexadecilfosfato (DHP) e ácido octadecilfosfônico (OPA) depositados em discos Ti, e crescimento subsequente de cristais de HAp. Analisamos a viabilidade dos osteoblastos, a atividade da fosfatase alcalina (ALP) e a formação da matriz mineralizada por métodos colorimétricos e a morfologia das culturas por microscopia eletrônica de varredura e microscopia confocal. Os resultados revelaram que o revestimento DHP/HAp aumentou a viabilidade dos osteoblastos até 150% em comparação com o controle em todos os dias testados. O revestimento OPA/HAp promoveu a maior viabilidade ao 14 dias (190%). A atividade de ALP foi aumentada apenas pelo revestimento de DHP/HAp ao 14º dia em comparação com o controle e Ti limpo. A microscopia eletrônica de varredura e as microfotografias confocais revelaram diferenças morfológicas entre os osteoblastos cultivados em ambos os revestimentos, aumentando o seu número e o espalhamento. O revestimento de DHP/HAp aumentou a produção de nódulos biomineralizados. O ensaio de biomineralização pela técnica do Vermelho de Alizarina mostrou que o revestimento de OPA/HAp possuía uma concentração de cálcio (Ca2+) 1,88 vezes superior à cobertura de DHP/HAp. Uma vez que a literatura relata que o Ca2+ pode estimular ou inibir a atividade da ALP e, consequentemente, o processo de biomineralização, as diferenças no comportamento desses dois revestimentos podem estar relacionadas às diferenças de concentração de superfície de Ca2+. O bom desempenho do revestimento de DHP/HAp pode estar relacionado às características da composição química, adicionada à técnica de deposição LB. Na segunda fase da pesquisa, as monocamadas de Langmuir de DHP e dipalmitoil fosfatidilcolina (DPPC) foram testadas e utilizadas para incorporar o paratormônio 1-34 (PTH 1-34) (DHP/Ca+PTH e DPPC/Ca+PTH, respectivamente). Também foram testadas as ações dos revestimentos DHP/HAp com PTH em solução (DHP/HAp+PTH S) e gotejado (DHP/HAp+PTH G) em culturas de osteoblastos. Um potencial zeta negativo em pH 7,4 foi encontrado (-14,9 mV) para o PTH 1-34. A isoterma de DPPC mostrou um aumento da área mínima ocupada por molécula lipídica após a injeção de PTH na subfase de água (50 ?L de solução 0,5 mg/mL) em 10,97 Å2, o que pode ser devido à inserção de PTH neste filme. A área mínima de DHP foi alterada em 2,3 Å2, o que não é estatisticamente significativo. A análise de QCM mostrou um depósito de 72,5 ng de PTH em filme de DPPC e 29,3 ng de PTH em filme de DHP para cada 25 ?g de PTH injetado na cuba de Langmuir. A viabilidade celular e a formação da matriz mineralizada de culturas de osteoblastos crescidas em DHP/Ca+PTH e revestimentos DPPC/Ca+PTH diminuíram quando comparadas com Ti limpo. Os revestimentos DHP/HAp+PTH S e DHP/HAp+PTH G mostraram ser tão eficientes quanto o Ti DHP/HAp para estimular o processo de biomineralização. Mas a cobertura de DHP/HAp+PTH G aumentou a viabilidade dos osteoblastos e a formação de matriz mineralizada quando comparada com Ti DHP/HAp. Esta é uma cobertura inovadora que abre precedentes para o uso da técnica de gotejamento em HAp para outros hormônios e drogas que agem sobre o tecido ósseo. / Due to their ability to promote biomineralization, Hydroxyapatite (HAp) coatings are used to increase the osteointegration in titanium (Ti) implants, in order to correct skeletal and craniofacial defects. The objective of the research was to evaluate the influence of the coatings on osteoblasts primary cultures. In the first phase of the research we developed a new coating approach based on Langmuir-Blodgett (LB) films of dihexadecyl phosphate (DHP) and octadecylphosphonic acid (OPA) deposited on Ti discs and subsequent growth of HAp crystals. We analyzed the osteoblast viability, alkaline phosphatase (ALP) activity and mineralized matrix formation by colorimetric methods, and the morphology of the cultures by scanning electron microscopy and confocal micrographies. The results revealed that the DHP/HAp coating increased osteoblast viability up to 150% compared to the control at all days tested. The OPA/HAp coating promoted the highest viability on the 14th day (190%). The ALP activity was enhanced only by the DHP/HAp coating on the 14th day compared to control, and clean Ti. To explore the morphology of the cells, the scanning electron microscopy and confocal micrographies were obtained, and revealed morphological differences between osteoblasts grown on both coated Ti compared to clean Ti. Both coatings increased the number and spreading of osteoblasts, while the DHP/HAp coating enhanced the production of biomineralized nodules. The Alizarin Red assay showed that OPA/HAp coating has 1.88 times higher calcium (Ca2+) concentration than DHP/HAp. The same test confirmed the increase of mineralization only by DHP/HAp coating compared to clean Ti. Since literature reports that Ca2+ can stimulate or inhibit the ALP activity and consequently, the biomineralization process, the differences on the behavior of these two coatings could be related to the Ca2+ surface concentration differences. The good performance of the DHP/HAp coating can be explained due to the characteristics of the chemical composition, added to the LB deposition technique. In the second phase of the research, Langmuir monolayers of DHP and dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC) was tested and used to incorporate 1-34 parathyroid hormone (PTH 1-34) (DHP/Ca+PTH, and DPPC/Ca+PTH, respectively). DHP/HAp coatings with PTH in solution (DHP/HAp+PTH S), and dropped (DHP/HAp+PTH G) also were tested on osteoblasts cultures. A negative zeta-potential at pH 7.4 was found (-14.9 mV) to PTH 1-34. The Langmuir isotherm of DPPC showed an increase of the minimum area occupied per lipid molecule after the PTH injection into the water subphase (50 ?L of 0.5 mg/mL solution) by 10.97 Å2, which could be due to the insertion of PTH in this film. The DHP minimum area changed by 2.3 Å2, which is not statistically significant. The QCM analysis showed the deposit of 72.5 ng of PTH on DPPC film, and 29.3 ng of PTH on DHP film for each 25 ?g of PTH injected into the Langmuir trough. The cell viability and matrix mineralization of osteoblasts cultures grown on DHP/Ca+PTH, and DPPC/Ca+PTH coatings decreased when compared to clean Ti. DHP/HAp+PTH S and DHP/HAp+PTH G coatings proved to be as efficient as Ti DHP/HAp to stimulate the biomineralization process. But DHP/HAp+PTH G increased the osteoblast viabilitiy and formation of mineralized matrix when compared to Ti DHP/HAp. This is an innovative coating that sets the precedent for the use of the drip technique on HAp for other hormones and drugs that act on bone tissue.

A investigação dos mecanismos de interação dos vírus com as células do hospedeiro trazem informações relevantes para a identificação de alvos no desenvolvimento de drogas para impedir a penetração e/ou desenvolvimento dos vírus. Peptídeos desenhados a partir de proteínas virais foram desenvolvidos e testados quanto as suas capacidades de inibir o processo de fusão do vírus com a célula do hospedeiro. Alguns se encontram em fase de avaliação clínica. Anticorpos contra a proteína p24 do HIV-1 foram detectados no soro de pacientes HIV-positivos, e estes reconhecem pequenas seqüências peptídicas desta proteína. Neste trabalho foi analisada a interação entre uma seqüência peptídica correspondente aos aminoácidos 196-224 (AAMQMLKETINEEAAEWDRVHPVHAGPIA) da proteína p24, denominado p24- 1, com sistemas biomiméticos. Os sistemas utilizados foram filmes de Langmuir (monocamadas) de dipalmitoil fosfatidil colina (DPPC) e dipalmitoil fosfatidil glicerol (DPPG) e vesículas multilamelares (MLVs) de DPPC. O p24-1 encontra-se desorganizado em solução aquosa, mas com a interação com as MLVs de DPPC teve induzido uma conformação hélice ?, de acordo com o espectro de dicroísmo circular (CD). Esta característica foi confirmada pela predição de hélice a seguida por uma estrutura não ordenada contendo 11 resíduos do p24-1. As isotermas de pressão e potencial de superfície das monocamadas de DPPC foram afetadas com a presença de 0,05% mo1 de p24-1, com uma expansão de aproximadamente 5%. Para concentrações acima de 0,5% mo1 de p24-1 a expansão foi de 20%, com saturação do efeito da concentração. O efeito de expansão foi acompanhado por uma alteração na morfologia das monocamadas, estudados com microscopia no ângulo de Brewster (BAM). A incorporação do p24-1 impede a formação de grandes domínios de DPPC. O efeito cooperativo causado na monocamada de fosfolipídios pelo p24-1 sugere que esse tem um potencial na atividade antiviral por participar da expansão da membrana da célula hospedeira. / The investigation of the interaction mechanisms between the viruses and the host cells brings relevant information for the identification of targets on the development of drugs to prevent the penetration and/or development of the viruses. Peptides designed from viral proteins have been developed and tested on its capacities of inhibiting the merging process of the virus with the host cell. Some of them are in clinical evaluation. Antibodies against the protein p24 of the HIV-1 have been detected in the serum of HIV-positive patients, and they are able to recognize short peptide sequences of this protein. In this work, it was analyzed the interaction between a peptide sequence corresponding to amino acids 196-224 (AAMQMLKETINEEAAEWDRVHPVHAGPIA) of the protein p24, called p24- 1, and biomimetic systems. The systems used were Langmuir films (monolayers) of dipalmitoyl phosphatidyl choline (DPPC) and dipalmitoyl phosphatidyl glycerol (DPPG) and multilamelar vesicles (MLVs) of DPPC. p24-1 is found disorganized in watery solution, but with the interaction with the MLVs of DPPC it had induced a conformation ?-helix, according to the circular dichoism spectra (CD). This characteristic was confirmed by the prediction of ?-helix followed by an unordered structure with 11 residues of p24-1. The isotherms of pressure and potential of surface of the DPPC monolayers were affected by the presence of 0,05% mo1 of p24-1, with an expansion of approximately 5%. For concentrations above 0,5% mol of p24-1 the expansion was 20%, with saturation of the concentration effect. The expansion effect was followed by a morphologic alteration of the monolayers, studied with microscopy of the Brewster angle (BAM). The incorporation of p24-1 prevents the formation of large domains of DPPC. The cooperative effect caused in the phospholipid monolayer by p24-1 suggests that this peptide has a potential in the antiviral activity, once its participates on the expansion of the host cell membrane.

Este projeto teve como objetivo geral continuar a avaliar a adequação de anfifílicos que se agregam em solução aquosa formando bicamadas, para recobrir superfícies de sílica. Em paralelo, foi objetivada a reconstituição do reconhecimento receptor-ligante, tendo como modelo o monosialogangliosídio GM1 e a enterotoxina do vibrião da cólera. Os resultados obtidos poderão se mostrar de grande valor em aplicações práticas que envolvem a construção de sistemas de detecção e quantificação de substâncias ou moléculas específicas. A adsorção e estabilidade de bicamadas contendo fosfatidilcolina (PC) ou misturas de brometo de dioctadecildimetilamônio (DODAB) e dipalmitoilfosfatidilcolna (DPPC) sobre a superfície de nanopartículas de sílica foi estudada através de isotermas de adsorção por dosagem do fosfato inorgânico, análises de sedimentação por imagens fotográficas e medidas dos diâmetros médios (Dz) e potenciais-zeta (ζ) de partículas por espectroscopia de correlação de fótons. Foram avaliadas as afinidades entre as bicamadas e a superfície das nanopartículas e a estabilidade do sistema em função da força iônica, do pH e da concentração adicionada de lipídio. A afinidade das bicamadas pela superfície da sílica apresentou uma correlação com as forças de van der Waals e as pontes de hidrogênio que se formam entre os grupos químicos do anfifílico e aqueles de superfície da sílica. A formação de uma única bicamada lipídica de PC sobre a sílica foi detectada, o que levou à estabilidade coloidal do sistema particulado. As bicamadas mistas de DPPC/DODAB por sua vez apresentaram uma afinidade decrescente pela sílica com a elevação da porcentagem de DODAB na bicamada. Os dados de isoterma e de ζ das partículas sugerem uma separação física entre o DPPC e o DODAB. O conjunto otimizado partícula de sílica/bicamada de PC (partícula biomimética) foi assim utilizado para promover a incorporação do GM1 micelar nas bicamadas, medida por fluorescência com a utilização da sonda GM1 pireno, seguida do reconhecimento e ligação da toxina da cólera (CT) ao complexo formado. A transferência do GM1 das micelas para as partículas se mostrou dependente da disponibilidade de bicamadas adsorvidas nestas e da ausência de bicamadas não-adsorvidas, livres em dispersão. Para avaliar a ligação da toxina da cólera às partículas biomiméticas foram calculadas isotermas de adsorção a partir da dosagem de proteína não ligada que resta no sobrenadante. A ligação específica da CT na presença de bicamadas de PC e GM1 foi de 67% em massa do total da proteína adicionada, revelando uma ligação positiva entre receptor e ligante. A estequiometria revela que a proporção molar PC: GM1: CT é de 300: 5: 1 respectivamente. A proporção de 1 CT: 5 GM1 está de acordo com a literatura onde experimentos de difração de raios-X mostram a estrutura tridimensional do pentâmero CTB5 ligado a cinco unidades de pentasacarídeo do GM1. / The general objective of this project was to continue evaluating the suitability of amphiphiles that aggregate in aqueous solution forming bilayers, to cover surfaces of silica. A secondary objective pursued was to promote the reconstitution of the receptor-ligand function, having as a model the monosialoganglioside GM1 and the enterotoxin of the choleric vibrio. The results may prove to be valuable in pure research or practical applications for sensing and detection of biomolecules. The adsorption and stability of phosphatidylcholine (PC) bilayers or mixtures of dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) and dioctadecyldimethylammonium bromide (DODAB) over surfaces of silica nanoparticles were evaluated through adsorption isotherms by inorganic phosphate dosage, sedimentation analysis by means of photographic images and measurements of hydrodynamic diameter (Dz) and zeta-potentials (ζ) of particles by photon correlation spectroscopy. The affinity between the bilayers and the nanoparticles surfaces and the general system stability were evaluated as a function of ionic strength, pH and added lipid concentration. The affinity showed a correlation with the van der Waals and the hydrogen bridges forces that form between the chemical groups of the amphiphile and the silica surface. The formation of a single lipid PC bilayer over the silica was detected, leading to the colloidal stability of the particulate system. Mixed bilayers of DPPC/DODAB on the other hand showed a decreasing affinity for silica with an increasing DODAB percentage in the bilayer. Data from isotherms and ζ of particles suggests a physical separation of the DPPC and DODAB. The optimized array of silica particle/PC bilayer (biomimetic particles) was thus used to promote the incorporation of micellar GM1 into the bilayers, measured by fluorescence with a GM1 pirene probe, followed by the cholera toxin (CT) binding to the resulting array. GM1 transfer from micelles to particles showed dependence on the adsorbed bilayers availability and on the absence of non-adsorbed bilayers, free in the bulk solution. To evaluate CT binding to biomimetic particles adsorption isotherms were calculated from the dosage of unbound protein remaining in the supernatant. Specific binding of CT in the presence of PC and GM1 bilayer was 67% mass of total protein added, indicating a positive binding between receptor and ligand. Stoichiometry revealed that the molar proportion PC: GM1: CT is 300: 5: 1 respectively. The proportion of 1 CT: 5 GM1 is in good agreement with data in the literature where X-ray diffraction tests show the 3-dimensional structure of the CTB5 pentamer bound to five units of the pentasaccharide GM1.

As coberturas de hidroxiapatita (HAp) são utilizadas para aumentar a osteointegração em implantes de titânio (Ti), devido à sua capacidade de promover a biomineralização para corrigir defeitos esqueléticos e craniofaciais. O objetivo desta pesquisa foi avaliar a influência dos revestimentos sobre culturas primárias de osteoblastos. Na primeira fase de estudos, desenvolvemos uma nova abordagem de revestimento baseada em filmes Langmuir-Blodgett (LB) de dihexadecilfosfato (DHP) e ácido octadecilfosfônico (OPA) depositados em discos Ti, e crescimento subsequente de cristais de HAp. Analisamos a viabilidade dos osteoblastos, a atividade da fosfatase alcalina (ALP) e a formação da matriz mineralizada por métodos colorimétricos e a morfologia das culturas por microscopia eletrônica de varredura e microscopia confocal. Os resultados revelaram que o revestimento DHP/HAp aumentou a viabilidade dos osteoblastos até 150% em comparação com o controle em todos os dias testados. O revestimento OPA/HAp promoveu a maior viabilidade ao 14 dias (190%). A atividade de ALP foi aumentada apenas pelo revestimento de DHP/HAp ao 14º dia em comparação com o controle e Ti limpo. A microscopia eletrônica de varredura e as microfotografias confocais revelaram diferenças morfológicas entre os osteoblastos cultivados em ambos os revestimentos, aumentando o seu número e o espalhamento. O revestimento de DHP/HAp aumentou a produção de nódulos biomineralizados. O ensaio de biomineralização pela técnica do Vermelho de Alizarina mostrou que o revestimento de OPA/HAp possuía uma concentração de cálcio (Ca2+) 1,88 vezes superior à cobertura de DHP/HAp. Uma vez que a literatura relata que o Ca2+ pode estimular ou inibir a atividade da ALP e, consequentemente, o processo de biomineralização, as diferenças no comportamento desses dois revestimentos podem estar relacionadas às diferenças de concentração de superfície de Ca2+. O bom desempenho do revestimento de DHP/HAp pode estar relacionado às características da composição química, adicionada à técnica de deposição LB. Na segunda fase da pesquisa, as monocamadas de Langmuir de DHP e dipalmitoil fosfatidilcolina (DPPC) foram testadas e utilizadas para incorporar o paratormônio 1-34 (PTH 1-34) (DHP/Ca+PTH e DPPC/Ca+PTH, respectivamente). Também foram testadas as ações dos revestimentos DHP/HAp com PTH em solução (DHP/HAp+PTH S) e gotejado (DHP/HAp+PTH G) em culturas de osteoblastos. Um potencial zeta negativo em pH 7,4 foi encontrado (-14,9 mV) para o PTH 1-34. A isoterma de DPPC mostrou um aumento da área mínima ocupada por molécula lipídica após a injeção de PTH na subfase de água (50 ?L de solução 0,5 mg/mL) em 10,97 Å2, o que pode ser devido à inserção de PTH neste filme. A área mínima de DHP foi alterada em 2,3 Å2, o que não é estatisticamente significativo. A análise de QCM mostrou um depósito de 72,5 ng de PTH em filme de DPPC e 29,3 ng de PTH em filme de DHP para cada 25 ?g de PTH injetado na cuba de Langmuir. A viabilidade celular e a formação da matriz mineralizada de culturas de osteoblastos crescidas em DHP/Ca+PTH e revestimentos DPPC/Ca+PTH diminuíram quando comparadas com Ti limpo. Os revestimentos DHP/HAp+PTH S e DHP/HAp+PTH G mostraram ser tão eficientes quanto o Ti DHP/HAp para estimular o processo de biomineralização. Mas a cobertura de DHP/HAp+PTH G aumentou a viabilidade dos osteoblastos e a formação de matriz mineralizada quando comparada com Ti DHP/HAp. Esta é uma cobertura inovadora que abre precedentes para o uso da técnica de gotejamento em HAp para outros hormônios e drogas que agem sobre o tecido ósseo. / Due to their ability to promote biomineralization, Hydroxyapatite (HAp) coatings are used to increase the osteointegration in titanium (Ti) implants, in order to correct skeletal and craniofacial defects. The objective of the research was to evaluate the influence of the coatings on osteoblasts primary cultures. In the first phase of the research we developed a new coating approach based on Langmuir-Blodgett (LB) films of dihexadecyl phosphate (DHP) and octadecylphosphonic acid (OPA) deposited on Ti discs and subsequent growth of HAp crystals. We analyzed the osteoblast viability, alkaline phosphatase (ALP) activity and mineralized matrix formation by colorimetric methods, and the morphology of the cultures by scanning electron microscopy and confocal micrographies. The results revealed that the DHP/HAp coating increased osteoblast viability up to 150% compared to the control at all days tested. The OPA/HAp coating promoted the highest viability on the 14th day (190%). The ALP activity was enhanced only by the DHP/HAp coating on the 14th day compared to control, and clean Ti. To explore the morphology of the cells, the scanning electron microscopy and confocal micrographies were obtained, and revealed morphological differences between osteoblasts grown on both coated Ti compared to clean Ti. Both coatings increased the number and spreading of osteoblasts, while the DHP/HAp coating enhanced the production of biomineralized nodules. The Alizarin Red assay showed that OPA/HAp coating has 1.88 times higher calcium (Ca2+) concentration than DHP/HAp. The same test confirmed the increase of mineralization only by DHP/HAp coating compared to clean Ti. Since literature reports that Ca2+ can stimulate or inhibit the ALP activity and consequently, the biomineralization process, the differences on the behavior of these two coatings could be related to the Ca2+ surface concentration differences. The good performance of the DHP/HAp coating can be explained due to the characteristics of the chemical composition, added to the LB deposition technique. In the second phase of the research, Langmuir monolayers of DHP and dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC) was tested and used to incorporate 1-34 parathyroid hormone (PTH 1-34) (DHP/Ca+PTH, and DPPC/Ca+PTH, respectively). DHP/HAp coatings with PTH in solution (DHP/HAp+PTH S), and dropped (DHP/HAp+PTH G) also were tested on osteoblasts cultures. A negative zeta-potential at pH 7.4 was found (-14.9 mV) to PTH 1-34. The Langmuir isotherm of DPPC showed an increase of the minimum area occupied per lipid molecule after the PTH injection into the water subphase (50 ?L of 0.5 mg/mL solution) by 10.97 Å2, which could be due to the insertion of PTH in this film. The DHP minimum area changed by 2.3 Å2, which is not statistically significant. The QCM analysis showed the deposit of 72.5 ng of PTH on DPPC film, and 29.3 ng of PTH on DHP film for each 25 ?g of PTH injected into the Langmuir trough. The cell viability and matrix mineralization of osteoblasts cultures grown on DHP/Ca+PTH, and DPPC/Ca+PTH coatings decreased when compared to clean Ti. DHP/HAp+PTH S and DHP/HAp+PTH G coatings proved to be as efficient as Ti DHP/HAp to stimulate the biomineralization process. But DHP/HAp+PTH G increased the osteoblast viabilitiy and formation of mineralized matrix when compared to Ti DHP/HAp. This is an innovative coating that sets the precedent for the use of the drip technique on HAp for other hormones and drugs that act on bone tissue.

O objetivo deste trabalho foi desenvolver biosensores de membranas baseados na técnica de Ressonância Plasmônica de Superfície (SPR) e aplicá-los no estudo da interação do citocromo c (cit c) com modelos de membranas. SPR é uma técnica ótica, que através de medidas de variações de índice de refração (n) próximas a uma interface mensura com alta sensibilidade a adsorção ou ligação de moléculas. Inicialmente desenvolvemos um sistema de gradiente de fluxo acoplado ao SPR, denominado FIG-SPR, e demonstramos a determinação automatizada da variação de n em função da concentração (dn/dC) de diferentes compostos e biopolímeros. O desenvolvimento dos biosensores de membranas iniciou-se com o estudo dos fatores que afetam a formação de uma membrana de bicamada híbrida (HBM). HBMs são compostas de uma monocamada de alcanotiol adsorvida sobre o ouro, e sobre esta uma camada fosfolipídica. A formação da HBM depende da fusão de vesículas em superfícies hidrofóbicas e que não é bem compreendido no nível molecular. Nossos estudos mostraram que na presença de cálcio e espermina a formação da HBM é favorecida, de tal forma que a monocamada de fosfolipídio alcança valores de espessura próximos àqueles previstos, cerca de 20 Å\'. Além disso, mostramos que em soluções de baixa força iônica a camada lipídica não é homogênea. Demonstramos também que a presença de cálcio na concentração 150 mM diminui o tempo de formação da monocamada lipídica cerca de 14 vezes quando comparado ao tempo indicado na literatura. A homogeneidade da HBM e a carga superficial da mesma foram verificadas com a adsorção e a dissociação de cit c e de albumina bovina (BSA). Utilizando HBMs de composição lipídica variada demonstramos a adsorção e a dissociação de cit c induzida por cálcio em HBMs mistas, incluindo um modelo mimético da membrana mitocondrial interna (IMM) constituído de fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina e cardiolipina (PC/PE/CL) na proporção (4,5:3,5:2,0). Demonstramos que a adsorção de cit c nativo segue um perfil cooperativo e padrões esperados de variação de afinidade e cooperatividade em pHs 6,8, 7,4 e 8,0. Um modelo matemático foi desenvolvido para tratar as curvas de ligação de cit c, que é uma adaptação do modelo de Hill para adsorção de proteínas em superfícies. Os resultados de SPR juntamente com dados obtidos por Microscopia de Força Atômica (AFM) sugerem que a ligação cooperativa de cit c com HBM ocorre devido à reorganização das moléculas de CL e formação de domínios fosfolipídicos. O tratamento dos resultados cinéticos da dissociação de cit c por cálcio indica a existência de duas constantes de velocidade de dissociação (kd), sendo a primeira constante (kd1) relacionada à perda das interações eletrostáticas entre a proteína e a HBM, e a segunda (kd2) à perda das interações hidrofóbicas. Além disso, a dissociação do cit c do modelo estudado requer uma concentração mínima de cálcio de 30 µM para se tornar significativa. O estudo da interação entre moléculas de cit c foto-oxidadas (citc405) e a HBM de PC/PE/CL sugerem que ela ocorre com menor afinidade, nos três pHs estudados, se comparados aos resultados com cit c nativo. Além disso, nossos resultados sugerem que o citc405 não é facilmente dissociado por cálcio devido à perda da cooperatividade na interação. Possíveis implicações em eventos celulares destas descobertas, como a liberação do cit c da IMM e a iniciação da apoptose, são discutidas / The aim of this work was to develop membrane biosensors based on Surface Plasmon Resonance (SPR) and to apply them to study the interactions between cytochrome c (cyt c) and model membranes. SPR is an optical technique that provides high-sensitivity measurements of refractive index (n), allowing the characterization of the adsorption and desorption of molecules near interfaces. Initially we developed a flow gradient system connected to SPR, which was called FIG-SPR, and demonstrated the automated determination of the concentration gradient of refractive index (dn/dC) of different materials and biopolymers. The development of the membrane biosensors was initiated by studying the factors that affect the formation of a hybrid bilayer membrane (HBM). HBMs are composed of two monolayers: an alcanethiol monolayer adsorbed on gold over which is adsorbed a layer of phospholipids. The formation of an HBM depends on the fusion of phospholipid vesicles on hydrophobic surfaces, a process that is not well understood at the molecular level. Our results showed that in the presence of calcium and spermine the complete formation of an HBM is facilitated, i.e., the phospholipid monolayer reaches the expected thickness of about 20Å\'. However, in low ionic strength solutions the lipid layer that is formed is not homogeneous. We have also demonstrated that in the presence of 150 mM of calcium the time necessary for the formation of the lipid monolayer is reduced 14 times when compared to the times suggested in the literature. The homogeneity of the HBM and its superficial charge were verified with the adsorption and desorption of cyt c and bovine serum albumine (BSA). The adsorption and desorption of cyt c in different HBMs were studied including a model of the internal mitochondrial membrane (IMM), which is made of phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine and cardiolipin (PC/PE/CL) in the ratio (4,5: 3,5: 2,0). We demonstrated that the adsorption of native cyt c follows a cooperative profile showing expected changes in affinity and cooperativity in different solution pHs of 6,8, 7,4 and 8,0. A mathematical model, which is an adaptation of the Hill model for adsorption of proteins in surfaces, was developed to treat the binding curves of cyt c. The results of SPR together with those obtained by Atomic Force Microscopy (AFM) suggested that the cooperative binding of cyt c in HBMs occurs due to the reorganization of CL molecules and formation of phospholipid domains. The kinetic results of the dissociation of cyt c induced by calcium indicates the existence of two velocity constants (kd), being the larger (kd1) related to the dissociation of cyt c interacting electrostatically with the HBM, and the smaller (kd2) related to the dissociation of cyt c interacting hydrophobically with the HBM. Moreover, the dissociation of cyt c from the HBM requires a minimum calcium concentration of 30 µM. The study of the interaction between photo-oxidized cyt c molecules (cytc405) and the PC/PE/CL HBM suggests that it occurs with smaller affinity when compared with the results obtained with the native cyt c. Moreover, cytc405 is not easily dissociated by calcium due to the loss of the interaction cooperativity with the HBM. Possible implications of these discoveries in cellular events, such as the release of cyt c from the IMM and the initiation of apoptosis, are discussed