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Confiar no seu intestino? Seu médico provavelmente também. Probióticos projetados para detectar e relatar sinais de inflamação intestinal podem fornecer conhecimento em primeira mão do funcionamento interno do seu sistema – desde que não sejam mortos ou dispersos no processo.
Trabalhando para tornar esse cenário uma realidade clínica, os bioengenheiros da Rice University desenvolveram uma plataforma que permite a passagem segura de bactérias biossensoras projetadas pelo trato gastrointestinal (GI) em um modelo animal, de acordo com um estudo publicado na biomateriais. Bactérias “boas” projetadas para produzir uma proteína fluorescente em resposta a sinais fisiológicos de doenças se saíram e tiveram um bom desempenho dentro do intestino do rato, protegidas dentro das partículas de alginato.
Ao combinar biologia sintética com design criativo de biomateriais, os grupos de pesquisa dos membros do corpo docente da Rice, Jeffrey Tabor e Omid Veiseh, projetaram uma plataforma que poderia eventualmente ser implantada em um ambiente clínico não apenas para diagnosticar doenças inflamatórias intestinais (DII), mas também para monitorar a progressão da doença. , avaliar a resposta ao tratamento e ajudar a fornecer cuidados personalizados para o microbioma intestinal único de cada paciente.
“Para nosso estudo de prova de conceito, escolhemos a doença inflamatória intestinal, um distúrbio autoimune que causa inflamações dolorosas e recorrentes”, disse Elena Musteata, estudante de pós-graduação em sistemas, biologia sintética e física no laboratório Tabor. “Mas a saúde intestinal desempenha muitos papéis importantes no corpo humano, afetando o metabolismo, a imunidade, a função cerebral e outros sistemas. À medida que descobrimos mais biomarcadores para diferentes doenças, podemos usar esta plataforma para diagnosticar e monitorar várias condições de saúde diferentes”.
A plataforma pode ajudar a substituir o que costuma ser um processo de diagnóstico prolongado e complexo para DII – que envolve procedimentos invasivos e demorados, como colonoscopias e biópsias e depende, em parte, do automonitoramento subjetivo – por um procedimento muito mais simples e rápido .
“Com nosso sistema, os pacientes poderiam teoricamente receber uma receita para as cápsulas e simplesmente deixar uma amostra de fezes após a ingestão, eliminando a necessidade de colonoscopias ou biópsias repetidas”, disse Samira Aghlara-Fotovat, estudante de bioengenharia do laboratório Veiseh. “Monitorar a progressão da doença ao longo do tempo ou acompanhar como um paciente está respondendo a uma determinada terapia pode ser muito mais acessível usando uma plataforma como esta”.
De acordo com Musteata, um diagnóstico mais rápido pode levar a melhores resultados para os pacientes: “Especialmente com DII, é muito importante minimizar o atraso entre o início dos sintomas e o tratamento”, disse ela. “Ter uma maneira de avaliar a saúde intestinal em um curto período de tempo e, em seguida, agir pode realmente gerar um avanço significativo no manejo clínico da inflamação crônica e de outros distúrbios relacionados ao intestino”.
Outra razão pela qual a plataforma pode levar a melhores resultados para os pacientes é a capacidade de adaptar os tratamentos à fisiologia de cada paciente.
“Se, no futuro, encapsularmos uma gama diversificada de cepas de biossensores, poderemos ter uma ideia sobre o perfil inflamatório de uma pessoa específica e usar essa informação para desenvolver um diagnóstico e tratamento mais personalizados”, disse Aghlara-Fotovat.
Embora não seja novidade que as bactérias sejam geneticamente programadas para detectar biomarcadores de doenças no trato gastrointestinal, uma vez dentro do corpo, elas enfrentam desafios para sobreviver em condições adversas, como baixo pH, enzimas destrutivas e sais biliares. Além disso, as bactérias livres podem se dispersar amplamente no intestino, tornando a análise mais difícil e potencialmente menos precisa.
“Nosso estudo demonstrou que o encapsulamento de bactérias biossensoras em partículas protetoras de alginato permite sua sobrevivência robusta e função diagnóstica em animais vivos”, disse Musteata. “Nós caracterizamos o efeito do encapsulamento na viabilidade, dinâmica populacional e desempenho de uma cepa bacteriana sensível ao tiossulfato previamente desenvolvida em nosso laboratório.”
A cepa modificada produz uma proteína verde fluorescente em resposta ao tiossulfato – um composto associado à inflamação intestinal – tornando possível avaliar a inflamação do cólon medindo a fluorescência bacteriana após a passagem pelo trato gastrointestinal do animal.
“Descobrimos que o encapsulamento oferece várias vantagens para a biossensoria intestinal com bactérias modificadas”, disse Musteata. “Primeiro, como as cápsulas são macroscópicas, elas podem ser mais facilmente identificadas e analisadas do que as bactérias livres. Além disso, como as bactérias estão concentradas espacialmente dentro das cápsulas, a expressão do gene repórter é mais fácil de visualizar do que no mesmo número de bactérias livres. Finalmente, o encapsulamento pode proteger as bactérias dos perigos ambientais. Por exemplo, fomos capazes de melhorar a sobrevivência do probiótico E. coli em condições ácidas.”
Embora desenvolver e otimizar a plataforma tenha sido um processo desafiador, os pesquisadores enfatizaram a necessidade de garantir sua reprodutibilidade como pré-requisito para eventual uso clínico.
“Enquanto trabalhávamos no desenvolvimento de nossa plataforma, encapsulamos bactérias inúmeras vezes, otimizando cada etapa do processo ao longo do caminho. Havia tantos aspectos que precisavam ser bem caracterizados para criar um produto clinicamente traduzível”, disse Aghlara-Fotovat .
“Foi muito legal ver duas tecnologias empolgantes se unindo e expandindo seus recursos existentes”, acrescentou ela.
Musteata disse que valoriza a experiência de trabalhar “não apenas para projetar bactérias biossensoras como diagnósticos potenciais, mas também para colaborar tão estreitamente em projetos interdisciplinares que buscam traduzir esses sistemas em aplicações médicas”.
“Mesmo 10 anos atrás, essa ideia de probióticos projetados agindo como pequenos robôs de diagnóstico que poderiam viajar dentro de seu corpo e detectar seu estado de doença estava em grande parte no reino da ficção científica. No entanto, grupos da Rice e várias outras instituições estão fazendo progressos reais. para implantar esse tipo de tecnologia”, disse Musteata.
Tabor é professor de bioengenharia e biociências. Veiseh é professor associado de bioengenharia da Rice e estudioso do Instituto de Pesquisa e Prevenção do Câncer do Texas.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (15533317, 1842494) e pelos National Institutes for Health (R01AI155586, 1RO1DK120459-01) e por uma bolsa de sementes da Rice University.
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