28/06/2021 - 13:29
A maioria das pessoas associa o termo “vestível” a um rastreador de fitness, smartwatch ou fones de ouvido sem fio. Mas e se você pudesse usar biotecnologia de ponta em suas roupas, e ela pudesse avisá-lo da exposição a algo perigoso?
Uma equipe de pesquisadores do Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering da Universidade Harvard e do Massachusetts Institute of Technology (MIT) encontrou uma maneira de incorporar reações de biologia sintética aos tecidos, criando biossensores vestíveis que podem ser personalizados para detectar patógenos e toxinas e alertar o usuário.
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A equipe integrou essa tecnologia em máscaras faciais padrão para detectar a presença do vírus SARS-CoV-2 na respiração do paciente. A máscara ativada por botão fornece resultados em 90 minutos em níveis de precisão comparáveis aos testes de diagnóstico baseados em ácido nucleico padrão, como reações em cadeia de polimerase (PCR). A novidade é relatada na revista Nature Biotechnology.
“Essencialmente, reduzimos todo um laboratório de diagnóstico a um pequeno sensor baseado em biologia sintética que funciona com qualquer máscara facial e combina a alta precisão dos testes de PCR com a velocidade e o baixo custo dos testes de antígenos”, disse o coautor Peter Nguyen, cientista pesquisador do Wyss Institute. “Além das máscaras faciais, nossos biossensores programáveis podem ser integrados a outras roupas para fornecer detecção em movimento de substâncias perigosas, incluindo vírus, bactérias, toxinas e agentes químicos.”
Tirando as células da equação
O biossensor de SARS-CoV-2 é a culminação de três anos de trabalho no que a equipe chama de tecnologia livre de células secas por congelamento (wFDCF). Ela é construída sobre iterações anteriores criadas no laboratório do membro da Wyss Core Faculty e autor sênior do estudo Jim Collins. A técnica envolve extrair e liofilizar a maquinaria molecular que as células usam para ler DNA e produzir RNA e proteínas. Esses elementos biológicos são estáveis em prateleira por longos períodos de tempo, e ativá-los é simples: basta adicionar água. Circuitos genéticos sintéticos podem ser adicionados para criar biossensores capazes de produzir um sinal detectável em resposta à presença de uma molécula-alvo.
Os pesquisadores primeiramente aplicaram essa tecnologia para diagnósticos, integrando-a a uma ferramenta para lidar com o surto do vírus Zika em 2015. Eles criaram biossensores que podem detectar moléculas de RNA derivadas de patógenos e as acoplaram a uma proteína indicadora colorida ou fluorescente. Em seguida, incorporaram o circuito genético em papel para criar um diagnóstico barato, preciso e portátil. Após o sucesso em incorporar seus biossensores ao papel, eles se voltaram para torná-los usáveis.
Testes metódicos
“Outros grupos criaram vestíveis que podem detectar biomoléculas, mas todas essas técnicas exigiam colocar células vivas no próprio aparato vestível, como se o usuário estivesse usando um aquário minúsculo. Se o aquário quebrasse, os insetos projetados poderiam vazar para o usuário, e ninguém gosta dessa ideia”, disse Nguyen. Ele e seus colegas de equipe começaram a investigar se a tecnologia wFDCF deles poderia resolver esse problema, testando-a metodicamente em mais de 100 tipos diferentes de tecidos.
“Queríamos contribuir para o esforço global de combate ao vírus e tivemos a ideia de integrar o wFDCF às máscaras para detectar o SARS-CoV-2. Todo o projeto foi feito em quarentena ou distanciamento social estrito a partir de maio de 2020 . Trabalhamos muito, às vezes trazendo equipamentos não biológicos para casa e montando dispositivos manualmente. Definitivamente, era diferente da infraestrutura de laboratório normal com a qual estamos acostumados a trabalhar. Mas tudo o que fizemos nos ajudou a garantir que os sensores funcionassem de verdade. condições de pandemia mundial “, disse o coprimeiro autor Luis Soenksen, bolsista de pós-doutorado no Wyss Institute.
A equipe recorreu a todos os recursos disponíveis no Wyss Institute para criar suas máscaras faciais de detecção de covid-19, incluindo chaves de apoio desenvolvidas no laboratório do membro do corpo docente Peng Yin e sensores SHERLOCK desenvolvidos no laboratório de Collins. O produto final consiste em três diferentes reações biológicas liofilizadas que são sequencialmente ativadas pela liberação de água de um reservatório com o simples toque de um botão.
Alta precisão
A primeira reação abre a membrana do vírus SARS-CoV-2 para expor seu RNA. A segunda reação é uma etapa de amplificação que faz várias cópias de fita dupla do gene codificador da proteína spike do RNA viral. A reação final usa a tecnologia SHERLOCK baseada em CRISPR para detectar qualquer fragmento do gene spike e, em resposta, cortar uma molécula de sondagem em dois pedaços menores que são relatados por meio de um imunoensaio de fluxo lateral, característico dos testes rápidos. A existência ou não de fragmentos da proteína spike disponíveis para corte depende se o paciente tem SARS-CoV-2 na respiração. Essa diferença se reflete em mudanças em um padrão simples de linhas que aparece na parte de leitura do dispositivo, semelhante a um teste de gravidez caseiro.
A máscara facial wFDCF é o primeiro teste de ácido nucleico de SARS-CoV-2 que atinge altas taxas de precisão comparáveis aos atuais testes RT-PCR padrão ouro enquanto opera totalmente em temperatura ambiente, eliminando a necessidade de instrumentos de aquecimento ou resfriamento e permitindo a rápida triagem de amostras de pacientes fora dos laboratórios.
“Este trabalho mostra que nossa tecnologia de biologia sintética livre de células e liofilizada pode ser estendida a vestíveis e aproveitada para novas aplicações de diagnóstico, incluindo o desenvolvimento de um diagnóstico de máscara facial. Estou particularmente orgulhoso de como nossa equipe se reuniu durante a pandemia para criar soluções implantáveis para abordar alguns dos desafios de teste do mundo”, disse Collins, que também é professor de Engenharia Médica e Ciências no MIT.
Além da pandemia
O diagnóstico da máscara facial é, de certa forma, a cereja do bolo para a equipe, que teve que superar vários desafios para tornar sua tecnologia verdadeiramente vestível, incluindo a captura de gotículas de uma substância líquida em um dispositivo flexível e discreto e evitando a evaporação. O diagnóstico da máscara facial omite componentes eletrônicos em favor da facilidade de fabricação e do baixo custo, mas a integração de elementos mais permanentes no sistema abre uma ampla gama de outras aplicações possíveis.
Em seu artigo, os pesquisadores demonstram que uma rede de cabos de fibra óptica pode ser integrada em sua tecnologia wFCDF para detectar a luz fluorescente gerada pelas reações biológicas, indicando a detecção da molécula alvo com um alto nível de precisão. Este sinal digital pode ser enviado a um aplicativo de smartphone que permite ao usuário monitorar sua exposição a uma vasta gama de substâncias.
“Essa tecnologia pode ser incorporada em jalecos de laboratório para cientistas que trabalham com materiais perigosos ou patógenos, aventais para médicos e enfermeiras ou uniformes de socorristas e militares que podem ser expostos a patógenos perigosos ou toxinas, como gás nervoso”, disse a coautora Nina Donghia, cientista da equipe do Wyss Institute.
Produção em massa
A equipe está procurando ativamente por parceiros de fabricação interessados em ajudar a permitir a produção em massa do diagnóstico de máscara facial para uso durante a pandemia de covid-19, bem como para detectar outros riscos biológicos e ambientais.
“A engenhosidade e dedicação dessa equipe para criar uma ferramenta útil para combater uma pandemia mortal enquanto trabalha em condições sem precedentes é impressionante por si só. Mas ainda mais impressionante é que esses biossensores vestíveis podem ser aplicados a uma ampla variedade de ameaças à saúde além da SARS- CoV-2. Nós do Wyss Institute estamos ansiosos para colaborar com os fabricantes comerciais para realizar esse potencial”, disse o dr. Don Ingber, diretor fundador do Wyss Institute. Ingber também é professor de biologia vascular na Escola Médica de Harvard e do Boston Children’s Hospital, e professor de bioengenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson, de Harvard.
