Estudo in silico do emprego de encapsulinas e anidrases carbônicas na remoção extracorpórea de CO2

Abstract

A biotecnologia é aplicada no aprimoramento de diversas tecnologias, incluindo aquelas de uso médico. Os equipamentos chamados de oxigenadores por membrana extracorpórea são exemplos que já passaram por diversas melhorias, mas que ainda apresentam uma dificuldade: a hemocompatibilidade. Tais máquinas substituem a função dos pulmões (troca de CO2 e O2) em pacientes que não conseguem respirar por si mesmos, e geralmente requerem a administração de anticoagulantes para minimizar problemas de hemocompatibilidade, mesmo que isso possa acrescentar ao risco de sangramento. O aumento da eficiência na troca de CO2 é uma forma de permitir a redução da área de contato entre sangue e membrana, tornando a hemocompatibilidade menos problemática. A imobilização da enzima anidrase carbônica, que catalisa a reação reversível de hidratação do CO2, se demonstrou uma alternativa, mas ainda resta saber se ela sobreviveria às proteases do sangue. Uma forma de protegê-las seria encapsulando-as. Neste trabalho, foi avaliado, in silico, como as estruturas conhecidas como encapsulinas, ou nanocompartimentos bacterianos, poderiam afetar a performance da troca gasosa e a vida útil da anidrase carbônica imobilizada, considerando que encapsulinas são imunes à proteólise e conferem a mesma proteção às moléculas que estejam em seu interior. Para isso, modelos matemáticos uni e bidimensionais transientes foram construídos e simulados em linguagem Python, levando em conta o fenômeno de difusão, convecção, reação química, deposição de material sobre a membrana e a troca entre hemácias e plasma. Os métodos numéricos utilizados foram implementados corretamente, conforme evidenciado pela análise de verificação. Resultados das simulações mostram que o uso de enzimas diminui a pressão parcial média de CO2 no sangue, porém menos CO2 é removido, contrariando resultados experimentais da literatura. Os resultados sugerem que a degradação proteolítica pode ser combatida apenas com um excesso de enzimas; e que as encapsulinas são úteis no caso da degradação tornar a deposição de plaquetas um problema.

Abstract: Biotechnology has been applied on the improvement of many other technologies, including medical equipment. Extracorporeal membrane oxygenators are examples of that; they are used as an artificial lung when patients cannot breath by themselves. Despite all the improvements that it has been through, it still has a main problem: hemocompatibility. In order to prevent the blood from coagulating after contact with the equipment, doctors administrate anticoagulants, which, in turn, may increase the chances of bleeding. If blood-membrane contact area is reduced, hemocompatibility restraints are too. Enhancing CO2 exchange is a way to allow to reduce contact area, and it has been found that carbonic anhydrase, an enzyme which catalyzes the reversible hydration of CO2, immobilized on the membrane may be an effective way to achieve that. The question now is whether the enzyme will survive proteolytic degradation by blood proteases. This study aimed at modeling and simulating how making use of encapsulin, a bacterial nanocompartment, to protect carbonic anhydrase could impact gas exchange performance and the enzyme life-time within the device, since encapsulins are known for not being susceptible to proteolysis as well as keeping molecules in its lumen from being degraded. One and two dimensional, transient models were constructed in Python, taking into account diffusion, convection, reaction, blood components deposition onto the membrane, and exchange between red blood cells and blood plasma. The numerical methods employed were correctly implemented, as shown by code verification. Results from the models show that the use of enzymes reduces the mean CO2 partial pressure in the blood but less CO2 is removed, contradicting experimental results from the literature. Results suggest that an excess of enzyme may be used to alleviate the problem caused by proteolytic degradation, while encapsulins may be useful in case proteolytic degradation accelerates platelet deposition onto the membrane.