Inspirados por um peixe caroneiro que usa um órgão de sucção especializado para se prender a tubarões e outros animais marinhos, pesquisadores do MIT e outras instituições desenvolveram um dispositivo adesivo mecânico que pode se fixar em superfícies macias debaixo d'água ou em condições extremas, permanecendo lá por dias ou semanas.

Os pesquisadores demonstraram que este dispositivo pode aderir ao revestimento do trato gastrointestinal, cuja camada mucosa dificulta muito a fixação de qualquer tipo de sensor ou cápsula de administração de medicamentos. Usando seu novo sistema adesivo, os pesquisadores demonstraram que poderiam obter autoadesão automática, sem motores, para administrar medicamentos antivirais para HIV ou RNA ao trato gastrointestinal, e também poderiam utilizá-lo como um sensor para a doença do refluxo gastroesofágico (DRGE). O dispositivo também pode ser acoplado a um peixe nadando para monitorar ambientes aquáticos.

O design é baseado nos extensos estudos da equipe de pesquisa sobre o disco em forma de ventosa da rêmora. Esses discos possuem diversas propriedades únicas que lhes permitem aderir firmemente a uma variedade de hospedeiros, incluindo tubarões, marlins e raias. No entanto, como as rêmoras mantêm a adesão a superfícies macias e que se movem dinamicamente permanece em grande parte desconhecido.

Entender a física e a mecânica fundamentais de como essa parte do peixe adere a outro organismo nos ajudou a estabelecer as bases de como projetar um sistema adesivo sintético”, diz Giovanni Traverso, professor associado de engenharia mecânica no MIT, gastroenterologista no Brigham and Women's Hospital, membro associado do Broad Institute do MIT e Harvard e autor sênior do estudo.

O cientista pesquisador do MIT Ziliang (Troy) Kang é o autor principal do estudo, publicado hoje na Nature . A equipe de pesquisa também inclui autores do Brigham and Women's Hospital, do Broad Institute e do Boston College.

A maioria dos medicamentos à base de proteínas e RNA não pode ser tomada por via oral, pois serão decompostos antes de serem absorvidos pelo trato gastrointestinal. Para superar isso, o laboratório de Traverso está trabalhando em dispositivos ingeríveis que podem ser engolidos e, em seguida, liberar sua carga gradualmente ao longo de dias, semanas ou até mais.

Um grande obstáculo é que o trato digestivo é revestido por uma membrana mucosa escorregadia, em constante regeneração, à qual é difícil a aderência de qualquer dispositivo. Além disso, qualquer dispositivo que consiga se fixar a esse revestimento corre o risco de ser desalojado por alimentos ou líquidos que se movem pelo trato.

Para encontrar uma solução para esses desafios, a equipe do MIT analisou a rêmora, também conhecida como peixe-sugador, que se agarra aos seus hospedeiros para obter transporte gratuito e acesso a restos de comida. Para explorar como a rêmora se fixa a superfícies dinâmicas e macias com tanta força, a equipe da Traverso se uniu a Christopher Kenaley, professor associado de biologia no Boston College, que estuda rêmoras e outros peixes.

Os estudos revelaram que a capacidade da rêmora de aderir ao hospedeiro depende de algumas características diferentes. Primeiro, o grande disco de sucção cria adesão por meio de sucção baseada em pressão, como um êmbolo. Além disso, cada disco é dividido em pequenos compartimentos adesivos individuais por fileiras de placas chamadas lamelas, envoltas em tecido mole. Esses compartimentos podem, de forma independente, criar sucção adicional em superfícies macias não homogêneas.

Existem nove espécies de rêmora, e em cada uma delas, essas fileiras de lamelas estão alinhadas de forma um pouco diferente — algumas são exclusivamente paralelas, enquanto outras formam padrões com fileiras inclinadas em ângulos diferentes. Essas diferenças, descobriram os pesquisadores, podem ser a chave para elucidar a adaptação evolutiva de cada espécie ao seu hospedeiro.

A Rêmora albescens , uma espécie única que exibe mucoadesão na cavidade oral das raias, inspirou a equipe a desenvolver dispositivos com maior adesão a superfícies macias, graças à sua orientação lamelar inigualável e altamente inclinada. Outras espécies de rêmora, que se fixam em nadadores velozes, como marlins e peixes-espada, tendem a ter orientações altamente paralelas, o que ajuda os caroneiros a deslizarem sem perder a adesão à medida que são rapidamente arrastados pela água. Outras espécies, ainda, que apresentam uma mistura de fileiras paralelas e anguladas, podem se fixar a uma variedade de hospedeiros.

Pequenos espinhos que se projetam das lamelas ajudam a obter adesão adicional ao se interligarem com o tecido hospedeiro. Esses espinhos, também chamados de espínulos, têm centenas de micrômetros de comprimento e se fixam ao tecido com mínima invasividade.

“Se a sucção do compartimento for submetida a uma força de cisalhamento, o atrito possibilitado pelo travamento mecânico dos espínulos pode ajudar a manter a sucção”, diz Kang.

Ao imitar essas características anatômicas, a equipe do MIT conseguiu criar um dispositivo com adesão igualmente forte para uma variedade de aplicações em ambientes subaquáticos.

Os pesquisadores usaram borracha de silicone e materiais inteligentes sensíveis à temperatura para criar seu dispositivo adesivo, que eles chamaram de MUSAS (sigla em inglês para "sistema mecânico de adesão subaquática suave"). O dispositivo totalmente passivo, em forma de disco, contém fileiras de lamelas semelhantes às da rêmora e pode se autoadedir ao revestimento da mucosa, potencializando as contrações gastrointestinais. Os pesquisadores descobriram que, para seus propósitos, um padrão de fileiras inclinadas era o mais eficaz.

Dentro das lamelas, encontram-se minúsculas estruturas semelhantes a microagulhas que imitam os espínulos observados na rêmora. Esses pequenos espinhos são feitos de uma liga com memória de forma que é ativada quando exposta à temperatura corporal, permitindo que os espinhos se interliguem entre si e se fixem à superfície do tecido.

Os pesquisadores demonstraram que o dispositivo poderia ser fixado em uma variedade de superfícies macias, mesmo em condições úmidas ou altamente ácidas, incluindo tecido estomacal de porco, luvas de nitrila e uma tilápia nadando em um aquário. Em seguida, testaram o dispositivo em diversas aplicações, incluindo o monitoramento do ambiente aquático. Após adicionar um sensor de temperatura ao dispositivo, os pesquisadores demonstraram que conseguiam fixá-lo em um peixe e medir com precisão a temperatura da água enquanto o peixe nadava em alta velocidade.

Para demonstrar aplicações médicas, os pesquisadores incorporaram um sensor de impedância ao dispositivo e demonstraram que ele poderia aderir ao esôfago em um modelo animal, o que lhes permitiu monitorar o refluxo de fluido gástrico. Isso poderia oferecer uma alternativa aos sensores atuais para DRGE, que são administrados por um tubo inserido pelo nariz ou pela boca e fixado na parte inferior do esôfago.

Eles também demonstraram que o dispositivo poderia ser usado para liberação sustentada de dois tipos diferentes de agentes terapêuticos, em testes com animais. Primeiro, demonstraram que era possível integrar um medicamento contra o HIV chamado cabotegravir aos materiais que compõem o dispositivo (policaprolactona e silicone). Uma vez aderido ao revestimento do estômago, o medicamento se difundiu gradualmente para fora do dispositivo, ao longo de uma semana.

O cabotegravir é um dos medicamentos usados na PrEP (profilaxia pré-exposição) do HIV, bem como no tratamento do HIV. Esses tratamentos geralmente são administrados na forma de um comprimido diário ou uma injeção administrada a cada um ou dois meses.

Os pesquisadores também criaram uma versão do dispositivo que poderia ser usada para a administração de moléculas maiores, como RNA. Para esse tipo de administração, os pesquisadores incorporaram RNA às microagulhas das lamelas, que então as injetaram no revestimento do estômago. Usando o RNA que codifica o gene da luciferase, uma proteína que emite luz, os pesquisadores demonstraram que conseguiam administrar o gene com sucesso às células da bochecha ou do esôfago.

Os pesquisadores agora planejam adaptar o dispositivo para administrar outros tipos de medicamentos, além de vacinas. Outra possível aplicação é o uso dos dispositivos para  estimulação elétrica , que o laboratório de Traverso já demonstrou poder ativar hormônios que regulam o apetite.

A pesquisa foi financiada, em parte, pela Fundação Gates, pelo Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, pelo Hospital Brigham and Women's e pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada para a Saúde.