Saúde
Sensor de agitação implantável monitora continuamente a inflamação
Cientistas projetaram um novo dispositivo implantável que pode monitorar níveis flutuantes de proteínas dentro do corpo em tempo real. Inspirado por frutas sacudindo dos galhos de uma árvore, o dispositivo compreende fios de DNA que grudam...
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Universidade Northwestern - 05/12/2024
O primeiro autor do estudo, Hossein Zargartalebi, segura o pequeno dispositivo. O microdispositivo implantável com o eletrodo e sensores dentro de uma fina microagulha, da largura de apenas três fios de cabelo humanos. Semelhante a um monitor contínuo de glicose, o dispositivo fica na pele fora do corpo enquanto a microagulha fura a pele para coletar amostras de fluidos. Crédito: Northwestern University
Cientistas da Northwestern University projetaram um novo dispositivo implantável que pode monitorar níveis flutuantes de proteínas dentro do corpo em tempo real. Inspirado por frutas sacudindo dos galhos de uma árvore, o dispositivo compreende fios de DNA que grudam em proteínas, as sacodem e então pegam mais proteínas. Essa estratégia criativa permite que o dispositivo colete amostras de várias proteínas ao longo do tempo para medir mudanças em marcadores inflamatórios.
Em experimentos de prova de conceito, os sensores mediram com precisão e sensibilidade biomarcadores de proteína de inflamação em ratos diabéticos. O trabalho estabelece a base para o gerenciamento e prevenção em tempo real de condições agudas e crônicas por meio do rastreamento de proteínas críticas, como citocinas na inflamação, biomarcadores de proteína na insuficiência cardíaca e muitos outros.
O estudo, "Sensores de proteína de redefinição ativa permitem monitoramento contínuo in vivo da inflamação", foi publicado em 6 de dezembro na revista Science .
"O design do dispositivo é análogo a um monitor contínuo de glicose que fica no seu braço e mede os níveis logo abaixo da sua pele", disse Shana O. Kelley, da Northwestern, que liderou o estudo.
"Você pode ver que seus níveis de glicose estão aumentando em tempo real. Mas então talvez você tome sua insulina, e sua glicose volte a cair. Você precisa ser capaz de medir tendências na direção errada e tendências na direção certa. É o mesmo com proteínas na inflamação.
"Precisamos rastrear flutuações para obter uma imagem completa do que está acontecendo no corpo. Esta é uma capacidade completamente nova — ser capaz de observar a inflamação em tempo real. Há um grande número de aplicações que estamos começando a explorar agora."
Kelley é a Professora Neena B. Schwartz de Química e Engenharia Biomédica na Northwestern, onde tem nomeações no Weinberg College of Arts and Sciences, McCormick School of Engineering e Feinberg School of Medicine. Ela também é presidente do Chan Zuckerberg Biohub Chicago, um dos quatro institutos da Chan Zuckerberg Biohub Network.
Tremendo de inspiração
Embora existam vários sensores para detectar continuamente pequenas moléculas, como glicose ou eletrólitos, sensores para proteínas — que são maiores e mais complexos do que moléculas pequenas — são mais desafiadores de projetar. Para detectar proteínas em fluidos biológicos, os cientistas normalmente usam receptores de DNA que se ligam a proteínas e as retiram de biofluidos.
O problema com essas recepções é que elas funcionam muito bem. Mesmo com regeneração passiva, essas ligações semelhantes a velcro são tão fortes que retêm proteínas por mais de 20 horas, tornando impossível medir flutuações em tempo real no sangue. Depois de tentar várias soluções para "reiniciar" os sensores, Hossein Zargartalebi, o primeiro autor do estudo, recebeu inspiração de um lugar inesperado: a natureza.
"Pensei em como sacudir uma macieira , seja com a mão ou com uma rajada de vento, faz com que as maçãs maduras se desprendam e caiam", disse Zargartalebi, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Kelley.
"Essa observação simples desencadeou uma ideia. E se pudéssemos 'sacudir' os receptores de DNA em nossos sensores para liberar as proteínas capturadas de forma semelhante? Apliquei um eletrodo de potencial alternado, que fez os filamentos de DNA oscilarem, e funcionou. As proteínas se destacaram e o sensor foi reiniciado."
Os sensores em nanoescala parecem fileiras de pêndulos bulbosos, cada um compreendendo um cordão de DNA de fita dupla. Uma extremidade da fita de DNA é presa a um eletrodo, e a outra extremidade é presa a outro pedaço de DNA que se liga a uma proteína desejada. Quando os pesquisadores aplicam um campo elétrico alternado, os sensores semelhantes a pêndulos balançam para frente e para trás — lançando proteínas em um mero minuto e capturando outras.
"Hossein estava pensando muito criativamente e teve uma ideia não óbvia", disse Kelley. "Ele foi ao laboratório, tentou uma vez e funcionou. Então, ele fez de novo e funcionou. É uma solução tão simples e elegante."
"Fiquei emocionado ao saber que essa percepção natural havia levado a um grande avanço", disse Zargartalebi.
"Agora, assim como as árvores crescem repetidamente e liberam seus frutos, nossos sensores de DNA podem 'liberar' suas proteínas após cada ciclo de medição, permitindo o monitoramento contínuo e em tempo real dentro do corpo. Essa experiência me lembrou que, assim como o encontro de Newton com a maçã sugeriu a gravidade, a natureza ainda guarda lições poderosas para aqueles que prestam bastante atenção."
Entrando na pele
Depois de observar o dispositivo funcionar no laboratório, a equipe quis ver se os sensores funcionavam em animais vivos. Os pesquisadores construíram um microdispositivo implantável com o eletrodo e os sensores dentro de uma fina microagulha, da largura de apenas três fios de cabelo humanos.
Semelhante a um monitor contínuo de glicose, o dispositivo fica na pele, fora do corpo, enquanto a microagulha perfura a pele para coletar amostras de fluidos.
Os pesquisadores projetaram sensores para se ligarem a duas citocinas proteicas, que são marcadores-chave de inflamação. Então, eles anexaram o dispositivo à pele de ratos com diabetes. Como diabetes e inflamação estão intimamente ligados, muitas complicações associadas ao diabetes são causadas pela inflamação.
Os sensores mediram com sucesso as mudanças de concentração de ambas as proteínas dentro do fluido. Quando os ratos jejuavam ou recebiam insulina, os sensores rastreavam os níveis de citocina conforme eles caíam. Por outro lado, quando os pesquisadores injetavam nos ratos uma substância que agita o sistema imunológico, os níveis de citocina inflamatória disparavam rapidamente.
Os sensores eram tão sensíveis, de fato, que cada vez que um rato recebia uma injeção de insulina, o dispositivo detectava um pequeno pico de inflamação onde a agulha perfurava a pele. As medições dos sensores também correspondiam aos métodos laboratoriais padrão-ouro para detectar proteínas em fluidos corporais — validando o sucesso do dispositivo.
A 'medida preventiva definitiva'
Embora o novo dispositivo funcione bem para medir inflamação, Kelley prevê usá-lo para rastrear muitos outros marcadores de proteína. Ela cita especificamente a insuficiência cardíaca, que está associada a uma proteína chamada peptídeo natriurético tipo B (BNP). Os médicos medem o BNP para diagnosticar e monitorar a insuficiência cardíaca, mas, atualmente, não há como rastrear continuamente esse marcador em tempo real.
"Se você tem insuficiência cardíaca, pode ir ao médico a cada três meses", disse Kelley.
"Mas, como na maioria das doenças, os sintomas ocorrem entre as consultas médicas. Se um paciente não está se sentindo bem, não é imediatamente óbvio que é devido à insuficiência cardíaca. Com um monitor contínuo, quando o paciente não se sente bem, o médico pode obter seus dados e verificar seus níveis de BNP.
"Então, os medicamentos poderiam ser ajustados antes que os sintomas piorassem. Esperamos que um dia essa tecnologia beneficie muitas pessoas, na mesma linha do que aconteceu com o impacto positivo do monitoramento contínuo da glicose hoje. Poderia ser a medida preventiva definitiva."
Mais informações: H. Zargartalebi et al, Sensores de proteína de redefinição ativa permitem monitoramento contínuo in vivo da inflamação, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adn2600 . www.science.org/doi/10.1126/science.adn2600
Informações do periódico: Science
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