E se os médicos pudessem implantar minúsculos chips eletrônicos no cérebro que estimulassem eletricamente um alvo preciso, através de uma simples injeção no braço? Isso poderá um dia ajudar no tratamento de doenças cerebrais fatais ou debilitantes, eliminando os riscos e custos associados à cirurgia.

Pesquisadores do MIT deram um passo importante para tornar esse cenário uma realidade. Eles desenvolveram bioeletrônica microscópica e sem fio que pode viajar pelo sistema circulatório do corpo e se autoimplantar de forma autônoma em uma região específica do cérebro, onde forneceria tratamento direcionado.

Em um estudo com ratos, os pesquisadores demonstraram que, após a injeção, esses minúsculos implantes conseguem identificar e se deslocar até uma região específica do cérebro sem a necessidade de intervenção humana. Uma vez lá, podem ser alimentados sem fio para fornecer estimulação elétrica à área precisa. Essa estimulação, conhecida como neuromodulação, tem se mostrado promissora como forma de tratar tumores cerebrais e doenças como Alzheimer e esclerose múltipla.

Além disso, como os dispositivos eletrônicos são integrados a células biológicas vivas antes de serem injetados, eles não são atacados pelo sistema imunológico do corpo e podem atravessar a barreira hematoencefálica sem danificá-la. Isso mantém a proteção crucial que essa barreira oferece ao cérebro.

Os pesquisadores demonstraram o uso dessa tecnologia, que denominaram "circulatrônica", para combater a inflamação cerebral, um fator importante na progressão de muitas doenças neurológicas. Eles mostram que os implantes podem fornecer neuromodulação localizada em regiões profundas do cérebro, alcançando alta precisão, com uma margem de erro de alguns micrômetros ao redor da área alvo.

Além disso, os implantes biocompatíveis não danificam os neurônios circundantes.

Embora os implantes cerebrais geralmente exijam centenas de milhares de dólares em custos médicos e procedimentos cirúrgicos arriscados, a tecnologia circulatrônica tem o potencial de tornar os implantes cerebrais terapêuticos acessíveis a todos, eliminando a necessidade de cirurgia, afirma Deblina Sarkar, professora associada de desenvolvimento de carreira da AT&T no MIT Media Lab e no Centro de Engenharia Neurobiológica do MIT, chefe do Laboratório Nano-Cibernético Biotrek e autora sênior de um estudo sobre o assunto.

Ela é acompanhada no artigo pelo autor principal Shubham Yadav, um estudante de pós-graduação do MIT; bem como por outros do MIT, Wellesley College e da Universidade de Harvard. A pesquisa foi publicada hoje na Nature Biotechnology.

A equipe trabalha com circulatrônica há mais de seis anos. Os dispositivos eletrônicos, cada um com cerca de um bilionésimo do comprimento de um grão de arroz, são compostos por camadas de polímero semicondutor orgânico intercaladas entre camadas metálicas para criar uma heteroestrutura eletrônica.

Eles são fabricados usando processos compatíveis com CMOS nas instalações do MIT.nano e, em seguida, integrados a células vivas para criar híbridos de células e eletrônica. Para isso, os pesquisadores retiram os dispositivos da lâmina de silício na qual são fabricados, de modo que fiquem flutuando livremente em uma solução.

A chave para o seu funcionamento reside na elevada eficiência de conversão de energia sem fios dos minúsculos componentes eletrônicos. Isto permite que os dispositivos funcionem em profundidade no cérebro e, ainda assim, obtenham energia suficiente para a neuromodulação.

Os pesquisadores usam uma reação química para ligar os dispositivos eletrônicos às células. No novo estudo, eles fundiram os componentes eletrônicos a um tipo de célula imunológica chamada monócito, que tem como alvo áreas de inflamação no corpo. Eles também aplicaram um corante fluorescente, o que permitiu rastrear os dispositivos enquanto atravessavam a barreira hematoencefálica intacta e se implantavam na região cerebral alvo.

Embora tenham explorado a inflamação cerebral neste estudo, os pesquisadores esperam usar diferentes tipos de células e modificá-las geneticamente para atingir regiões específicas do cérebro.

“Nosso híbrido de células e eletrônica combina a versatilidade da eletrônica com o transporte biológico e a capacidade de detecção bioquímica das células vivas”, diz Sarkar. “As células vivas camuflam os componentes eletrônicos para que não sejam atacados pelo sistema imunológico do corpo e possam viajar sem problemas pela corrente sanguínea. Isso também permite que eles atravessem a barreira hematoencefálica intacta sem a necessidade de abri-la de forma invasiva.”

Ao longo de cerca de quatro anos, a equipe experimentou diversos métodos para atravessar a barreira hematoencefálica de forma autônoma e não invasiva, até aperfeiçoar essa técnica de integração celular.

Além disso, como os dispositivos de circulatrônica são extremamente pequenos, oferecem uma precisão muito maior do que os eletrodos convencionais. Eles podem se autoimplantar, resultando em milhões de pontos de estimulação microscópicos que assumem a forma exata da região alvo.

Seu tamanho reduzido também permite que os dispositivos biocompatíveis vivam ao lado dos neurônios sem causar efeitos nocivos. Por meio de uma série de testes de biocompatibilidade, os pesquisadores descobriram que a circulatrônica pode se integrar com segurança entre os neurônios sem afetar os processos cerebrais responsáveis pela cognição ou pelo movimento.

Após os dispositivos se autoimplantarem na região alvo, um médico ou pesquisador utiliza um transmissor externo para fornecer ondas eletromagnéticas, na forma de luz infravermelha próxima, que alimentam a tecnologia e permitem a estimulação elétrica dos neurônios.

O laboratório Sarkar está atualmente trabalhando no desenvolvimento de sua tecnologia para tratar diversas doenças, incluindo câncer cerebral, doença de Alzheimer e dor crônica.

O tamanho diminuto e a capacidade de autoimplantação dos dispositivos de circulatrônica podem torná-los ideais para o tratamento de cânceres cerebrais, como o glioblastoma, que causa tumores em múltiplos locais, alguns dos quais podem ser pequenos demais para serem identificados por técnicas de imagem. Eles também podem abrir novas vias para o tratamento de cânceres particularmente letais, como o glioma pontino intrínseco difuso, um tipo agressivo de tumor encontrado no tronco encefálico que geralmente não pode ser removido cirurgicamente.

“Esta é uma tecnologia de plataforma que pode ser empregada no tratamento de diversas doenças cerebrais e transtornos mentais”, afirma Sarkar. “Além disso, essa tecnologia não se limita apenas ao cérebro, podendo ser estendida a outras partes do corpo no futuro.”

Os pesquisadores esperam levar a tecnologia para testes clínicos dentro de três anos por meio da startup recém-lançada  Cahira Technologies .

Eles também estão explorando a integração de circuitos nanoeletrônicos adicionais em seus dispositivos para viabilizar funcionalidades como sensoriamento, análise de dados no chip com base em feedback e recursos como a criação de neurônios eletrônicos sintéticos.

“Nossos minúsculos dispositivos eletrônicos se integram perfeitamente aos neurônios e coexistem com as células cerebrais, criando uma simbiose única entre cérebro e computador. Estamos trabalhando com dedicação para empregar essa tecnologia no tratamento de doenças neurológicas, onde medicamentos ou terapias convencionais falham, para aliviar o sofrimento humano e vislumbrar um futuro onde os seres humanos possam transcender doenças e limitações biológicas”, afirma Sarkar.