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As moléculas em nossos corpos estão em constante comunicação. Algumas dessas moléculas fornecem uma impressão digital bioquímica que pode indicar como uma ferida está cicatrizando, se um tratamento contra o câncer está funcionando ou se um vírus invadiu o corpo. Se pudéssemos detectar esses sinais em tempo real com alta sensibilidade, poderíamos reconhecer problemas de saúde mais rapidamente e até mesmo monitorar a doença à medida que progride.
Agora, os pesquisadores da Northwestern University desenvolveram uma nova tecnologia que torna mais fácil escutar as conversas internas do nosso corpo.
Embora os sinais químicos do corpo sejam incrivelmente fracos – tornando-os difíceis de detectar e analisar – os pesquisadores desenvolveram um novo método que aumenta os sinais em mais de 1.000 vezes. Transistores, o bloco de construção da eletrônica, podem aumentar sinais fracos para fornecer uma saída amplificada. A nova abordagem torna os sinais mais fáceis de detectar sem eletrônicos complexos e volumosos.
Ao permitir a amplificação de sinais bioquímicos fracos, a nova abordagem aproxima a medicina moderna do diagnóstico local e do monitoramento de doenças em tempo real.
A pesquisa foi publicada no sábado (24 de março) na revista Natureza Comunicações.
“Se pudéssemos medir de forma confiável os sinais bioquímicos no corpo, poderíamos incorporar esses sensores em tecnologias vestíveis ou implantes que tenham uma pegada pequena, menos carga e não exijam eletrônicos caros”, disse Jonathan Rivnay, da Northwestern, autor sênior do estudo. “Mas extrair sinais de alta qualidade continua sendo um desafio. Com potência e espaço limitados dentro do corpo, você precisa encontrar maneiras de amplificar esses sinais.”
Rivnay é professor de engenharia biomédica na McCormick School of Engineering da Northwestern. Xudong Ji, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Rivnay, é o primeiro autor do artigo.
Embora comuniquem informações vitais com potencial para orientar diagnósticos e tratamentos, muitos sensores químicos produzem sinais fracos. Na verdade, os profissionais de saúde geralmente não conseguem decifrar esses sinais sem remover uma amostra (sangue, suor, saliva) e analisá-la em equipamentos de laboratório de alta tecnologia. Normalmente, esse equipamento é caro e talvez até localizado fora do local. E os resultados podem levar um tempo terrivelmente longo para retornar.
A equipe de Rivnay, no entanto, visa detectar e amplificar esses sinais ocultos sem sair do corpo.
Outros pesquisadores exploraram sensores eletroquímicos para biodetecção usando aptâmeros, que são cadeias simples de DNA projetadas para se ligar a alvos específicos. Depois de se ligarem com sucesso a um alvo de interesse, os aptâmeros agem como um interruptor eletrônico, dobrando-se em uma nova estrutura que aciona um sinal eletroquímico. Mas apenas com aptâmeros, os sinais geralmente são fracos e altamente suscetíveis a ruído e distorção se não forem testados em condições ideais e bem controladas.
Para contornar esse problema, a equipe de Rivnay equipou um componente amplificador em um sensor tradicional baseado em eletrodo e desenvolveu um sensor eletroquímico baseado em transistor com nova arquitetura que pode detectar e amplificar o sinal bioquímico fraco. Neste novo dispositivo, o eletrodo é usado para detectar um sinal, mas o transistor próximo é dedicado a amplificar o sinal. Os pesquisadores também incorporaram um eletrodo de referência de filme fino embutido para tornar os sinais amplificados mais estáveis e confiáveis.
“Combinamos o poder do transistor para amplificação local com a referência que você obtém de métodos eletroquímicos bem estabelecidos”, disse Ji. “É o melhor dos dois mundos porque somos capazes de medir de forma estável a ligação do aptâmero e amplificá-la no local”.
Para validar a nova tecnologia, a equipe de Rivnay recorreu a uma citocina comum, um tipo de proteína sinalizadora, que regula a resposta imune e está envolvida no reparo e regeneração de tecidos. Ao medir a concentração de certas citocinas perto de uma ferida, os pesquisadores podem avaliar a rapidez com que uma ferida está cicatrizando, se há uma nova infecção ou se outras intervenções médicas são necessárias ou não.
Em uma série de experimentos, Rivnay e sua equipe conseguiram amplificar o sinal das citocinas em três a quatro ordens de magnitude em comparação com os métodos tradicionais de detecção de aptâmeros baseados em eletrodos. Embora a tecnologia tenha funcionado bem em experimentos para detectar a sinalização de citocinas, Rivnay diz que deve ser capaz de amplificar sinais de qualquer molécula ou produto químico, incluindo anticorpos, hormônios ou drogas, onde o esquema de detecção usa repórteres eletroquímicos.
“Essa abordagem é amplamente aplicável e não tem um caso de uso específico”, disse Rivnay. “A grande visão é implementar nosso conceito em biossensores implantáveis ou dispositivos vestíveis que possam detectar um problema e, em seguida, respondê-lo”.
O estudo, “Transistores eletroquímicos orgânicos como amplificador de sinal no local para detecção eletroquímica baseada em aptâmeros”, foi apoiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (número de concessão D20AC00002).
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