Os peixes cultivados em tanques ou viveiros são uma fonte de alimento cada vez mais importante em todo o mundo. Infelizmente, surtos de doenças podem causar perdas substanciais na aquicultura. 

Os piscicultores usam vacinas para prevenir surtos de doenças, assim como os agricultores em geral, mas vacinar um peixe é muito mais difícil do que vacinar uma vaca. O método mais eficaz de vacinação de peixes atualmente utiliza agulhas, mas esse processo apresenta diversas desvantagens, tanto para os peixes quanto para os piscicultores. 

Uma equipe de pesquisadores do MIT e do Departamento de Agricultura dos EUA desenvolveu uma maneira potencialmente melhor de administrar vacinas. A abordagem utiliza microagulhas resistentes à água e próprias para alimentos, capazes de penetrar levemente na pele dos peixes e permanecer aderidas antes de se decomporem. Em um novo artigo publicado na ACS Nano , os pesquisadores descreveram seu sistema e demonstraram que ele pode ser usado para administrar uma variedade de cargas, como vacinas bacterianas.

“Para alimentar o mundo, precisamos de mais peixes, que são uma importante fonte de proteína e nutrição”, afirma Benedetto Marelli, professor do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental. “A aquicultura é uma forma muito eficaz de produzir grandes quantidades de peixe. Nossa abordagem pode fornecer aos produtores uma ferramenta mais precisa para manter a saúde dos peixes. Os produtores estão realmente preocupados com a saúde desses peixes, então fornecer-lhes ferramentas melhores é fundamental.”

Além de Marelli, também contribuíram para o artigo Meng Li, pós-doutorando do MIT e primeiro autor; Jad Raad, mestre em Engenharia (2024); Yunteng Cao, doutor (2022), pós-doutorando da Universidade de Yale; Yue Hu, ex-pós-doutorando do MIT; Colleen Wolfe, mestre em Engenharia (2023); Doyoon Kim, ex-pós-doutorando do MIT; Bradley Frank, atual pós-doutorando do MIT; e Gregory Wiens, pesquisador do Centro Nacional de Aquicultura de Águas Frias e Geladas do Departamento de Agricultura dos EUA.

A aquicultura possui um enorme potencial para combater a insegurança alimentar, reduzir o consumo de energia e descarbonizar os sistemas alimentares globais. Em 2021, pela primeira vez, a produção global de alimentos em animais aquáticos cultivados ultrapassou a produção de animais aquáticos selvagens em termos de peso.

“A população mundial vai crescer em quase 2 bilhões de pessoas até 2050”, diz Marelli. “O peixe fornece acesso a nutrientes essenciais. É rico em proteínas e gorduras saudáveis, que são difíceis de produzir, então o mundo está tentando aumentar a produção de peixe. Mas existem muitos desafios associados à pesca.”

Para evitar perdas por doenças, os piscicultores utilizam uma variedade de estratégias de vacinação automatizadas e manuais, cada uma com suas próprias desvantagens. Alguns tratamentos podem ser adicionados à ração dos peixes, mas podem não atingir todos eles. Outro método consiste em colocar o tratamento diretamente em um tanque e imergir os peixes na água tratada. Essa abordagem requer quantidades muito maiores de tratamento e, novamente, não é 100% eficaz.

A forma mais eficaz de vacinar peixes é com agulhas metálicas. O processo exige que os piscicultores sedem os peixes, retirem-nos da água e os coloquem em uma esteira rolante, onde os trabalhadores se apressam para vaciná-los e devolvê-los à água, minimizando os danos.

“Os trabalhadores injetam os peixes um a um”, explica Li. “É um processo que exige muita mão de obra, há risco de contaminação cruzada por doenças transmitidas pelo sangue, e os trabalhadores podem se picar acidentalmente por trabalharem muito rápido. Portanto, é um trabalho que exige muita mão de obra, é caro, estressante para os peixes e perigoso para os trabalhadores.”

O laboratório de Marelli vem desenvolvendo microagulhas de seda para fornecer nutrientes às plantas há anos. A seda foi classificada como segura para consumo humano em revestimentos de alimentos e pode se degradar no corpo ou no meio ambiente ao longo do tempo.

Há alguns anos, Marelli tomou conhecimento dos desafios da vacinação de peixes em uma conferência no Sudeste Asiático, região onde a aquicultura desempenha um papel especialmente importante no abastecimento alimentar aquático. Seu laboratório recebeu apoio do Laboratório Abdul Latif Jameel de Sistemas Hídricos e Alimentares (J-WAFS) para explorar a adaptação da plataforma de seda que ele havia desenvolvido para uso subaquático em peixes. No entanto, os primeiros modelos de seda se dissolviam rapidamente em contato com a água, liberando a vacina imediatamente e sem conseguir penetrar na pele dos peixes.

Li, engenheira biomédica, começou a trabalhar no projeto no laboratório de Marelli em 2022. Em 2024, ela recebeu uma bolsa do USDA, que proporcionou financiamento e importantes conexões com colaboradores dentro e fora da agência. Por exemplo, o Serviço Geológico dos EUA deu aos pesquisadores acesso a uma vacina de DNA para truta arco-íris.

Marelli atribui a Li o mérito de ter encontrado uma maneira de contornar a tendência da seda de amolecer quando exposta à água. O sistema descrito no novo artigo utiliza uma fina camada de goma-laca, uma resina secretada por insetos usada em revestimentos de alimentos e comprimidos, para tornar as microagulhas de seda resistentes à água, criando uma barreira contra a umidade que permanece intacta antes da injeção nos peixes.

Os pesquisadores mostraram que as microagulhas podem armazenar uma variedade de vacinas e demonstraram diferentes versões das microagulhas que permaneciam por mais tempo na água ou que difundiam as vacinas mais rapidamente.

“Em alguns casos, pode ser desejável que a vacina seja liberada em 15 minutos, mas em outros, a liberação pode durar 10 ou até 24 horas”, diz Li. “Isso pode ser melhor para outros usos terapêuticos além de vacinas.”

As microagulhas também foram capazes de preservar metade da estrutura dos plasmídeos de DNA quando armazenadas por quatro semanas em condições secas.

“Essa estabilidade é importante, principalmente na última etapa da entrega, porque a aquicultura é feita principalmente em áreas rurais”, diz Marelli. “Isso permite que os produtores não precisem depender da infraestrutura para manter a cadeia de frio.”

Assim como as vacinas para animais terrestres, as vacinas para peixes são mais eficazes quando administradas no início da vida, antes da exposição à doença. Isso significa que os peixes que os piscicultores desejam vacinar são pequenos, o que complica ainda mais a vacinação. Os pesquisadores acreditam que sua abordagem pode oferecer uma maneira melhor de vacinar peixes pequenos e a testaram em trutas arco-íris.

“Na aquicultura de trutas, um dos maiores desafios que enfrentamos é a prevenção de doenças nos primeiros anos de vida dos peixes, porque a vacinação tradicional com agulhas simplesmente não funciona bem até que os peixes atinjam cerca de 30 gramas, o que deixa os juvenis menores desprotegidos durante um período crítico de crescimento”, diz Wiens. “O que nossa pesquisa mostra é que microagulhas de fibroína de seda de grau alimentício podem administrar vacinas subaquáticas em peixes com apenas 1 a 2 gramas. Projetamos essas microagulhas de uso único para perfurar a pele úmida, permanecer aderidas enquanto o peixe nada e liberar vacinas de bacterina ou DNA de forma controlada.”

Os pesquisadores afirmam que ainda há trabalho a ser feito antes que seu dispositivo possa ser usado em larga escala em fazendas de peixes sem problemas. Mas acreditam que este artigo é um primeiro passo importante.

“Temos todos os componentes para acreditar que essa tecnologia pode ser ainda mais desenvolvida”, diz Marelli. “Há muitos desafios na aquicultura e na vacinação de peixes atualmente. Precisamos apoiar os produtores para que operem com segurança, melhorar as condições de trabalho, proteger seus negócios, tornar a vacinação mais acessível e melhorar as condições de vida dos peixes de cultivo e, em última análise, a qualidade dos alimentos que consumimos. Essa nova tecnologia pode ser uma abordagem muito mais eficaz e segura.”

O trabalho foi financiado, em parte, pelo Laboratório Abdul Latif Jameel de Sistemas Hídricos e Alimentares do MIT e pelo Departamento de Agricultura dos EUA.