Acelerando a detecção precoce da doença com nanobiotecnologia

Imagine este cenário:exames físicos anuais são complementados por um chip de diagnóstico doméstico acessível, permitindo que você monitore regularmente sua saúde basal com apenas uma simples amostra de urina. Embora aparentemente você pareça estar com boa saúde, o dispositivo revela uma flutuação em seu perfil de biomarcador, indicando a possível emergência de desenvolvimento de câncer em estágio inicial ou a presença de um vírus.

Dispositivos de diagnóstico, como um teste de gravidez caseiro, existem desde os anos 1970. Isso revolucionou a capacidade de uma mulher de descobrir se ela estava grávida sem ter que esperar por uma consulta médica para confirmar suas suspeitas. O teste se baseia na detecção de um hormônio, a gonadotrofina coriônica humana, presente na urina. Mas será que detectar o câncer, ou um vírus mortal, a partir de um tipo semelhante de amostra e dispositivo seria tão simples e não invasivo?

Chip nanoDLD de 2 cm x 2 cm da IBM Research montado em um gabarito microfluídico

Nos últimos dois anos, uma equipe multidisciplinar da IBM Research liderada pelo Dr. Joshua Smith, cientista pesquisador e mestre inventor, e pelo Dr. Gustavo Stolovitzky, diretor de programa da IBM Translational Systems Biology and Nanobiotechnology, tem explorado essa ideia por reequipando a tecnologia de silício e usando-a para separar partículas em escala nanométrica, como os elementos de vírus e cânceres.

A resposta está na interseção da biologia humana e da nanotecnologia. Primeiro, você precisa de uma “biópsia líquida”, que pode ser obtida a partir de amostras de urina ou saliva. Em seguida, as biomoléculas minúsculas de nanômetro precisam ser separadas para a detecção de uma doença a jusante, mesmo quando sua presença é fisicamente indetectável. As técnicas de separação atuais exigem equipamentos caros, um laboratório de bioquímica e técnicos treinados, tornando as avaliações regulares impraticáveis. Mas uma abordagem nanotecnológica baseada em chip pode oferecer uma opção simples e acessível para permitir que os médicos detectem e monitorem potencialmente uma doença, mesmo em seus estágios iniciais, muito antes de os sintomas físicos se manifestarem e quando o prognóstico para as opções de tratamento for mais positivo. É o Santo Graal para os profissionais médicos:trate as pessoas antes eles ficam cronicamente doentes.

A grande vantagem da equipe é combinar nanotecnologia de última geração e técnicas de fabricação com experiência em biologia computacional. Essa potente sinergia é difícil de ser obtida em outros laboratórios de pesquisa.

Conheça suas biopartículas



A separação de biopartículas não é de forma alguma um conceito novo, mas em seus últimos experimentos, a equipe de Smith e Stolovitzky é a primeira a separar com sucesso biomoléculas em nanoescala - especificamente exossomos (vesículas derivadas de células encontradas em fluidos corporais contendo carga genética liberada da célula-mãe) com apenas 20 nm de diâmetro, cerca de 1/5000 de um cabelo humano. Nessa escala, uma série de biopartículas importantes podem ser separadas, incluindo os exossomos, DNA, vírus e complexos de proteínas mencionados anteriormente, que podem sinalizar o início precoce de um estado de doença, a existência de um vírus logo após a exposição ou serem usados ​​para monitorar a progressão da doença.

Usando uma tecnologia chamada deslocamento lateral determinístico em nanoescala, ou nanoDLD, uma amostra líquida pode ser passada, em fluxo contínuo, por um chip de silício especialmente projetado com uma matriz de pilares assimétricos. Essa matriz permite que o sistema classifique uma cachoeira microscópica de partículas, separando as partículas por tamanho com resolução de dezenas de nanômetros. A separação ocorre conforme as partículas menores se movem em um movimento de zigue-zague na direção do fluido, enquanto as partículas maiores colidem com a matriz ao longo da direção da assimetria do pilar, como motoristas de caminhão forçados a entrar na pista de caminhões em uma rodovia, permitindo materiais de tamanhos diferentes para ser isolado para detecção ou análise downstream.



“O impacto social desta pesquisa é que ela pode permitir que os médicos detectem o câncer precocemente ... quando houver mais possibilidades de cura”, disse Stolovitzky. “Queríamos que essa pesquisa fosse na área de câncer e também na área de detecção de DNA e vírus como o Zika. Tudo se reduz à mesma coisa:ser capaz de ter uma ferramenta de diagnóstico pequena e acessível que pode detectar quantidades mínimas de partículas de biomarcadores que dizem aos médicos algo sobre a saúde de uma pessoa. ”

Escala da biologia do humano aos átomos e as novas faixas de nanoescala que o dispositivo nanoDLD da IBM Research é capaz de alcançar [infográfico completo]

Smith acrescentou:“A capacidade dos médicos de rastrear regularmente o perfil biológico de um indivíduo de uma forma acessível e não invasiva tem o potencial de inaugurar uma nova era de preventiva cuidados de saúde e aprofundar a nossa compreensão dos fatores que contribuem para a progressão da doença. ”

Uso de exossomos como pioneiro na medicina preventiva

Como parte do desenvolvimento contínuo dessa tecnologia, a IBM Research está colaborando com uma equipe do Mount Sinai Health System, liderada por Carlos Cordon-Cardo, MD, PhD, presidente do Departamento de Patologia do Mount Sinai Health System e professor de Patologia, Genética e Ciências Genômicas e Ciências Oncológicas na Icahn School of Medicine. A colaboração reúne a experiência de domínio do Mount Sinai em câncer e patologia, enquanto a IBM Research traz sua experiência em bioinformática e sua mais recente tecnologia de separação em nanoescala.

Na guerra contra o câncer, os exossomos são cada vez mais vistos como biomarcadores úteis para o diagnóstico e prognóstico de tumores malignos. Os exossomos são liberados em fluidos corporais facilmente acessíveis, como sangue e urina, e representam uma ferramenta biomédica preciosa, pois podem revelar a origem de um câncer.

“Percebemos que as células falam entre si enviando mensageiros. Alguns desses mensageiros são armazenados e transferidos dentro de várias pequenas vesículas ou exossomos. Aprendemos que dentro desses envelopes muitas informações críticas podem ser encontradas, incluindo aquelas codificadas por proteínas, ou mesmo os mensageiros de nossas próprias células na forma de fragmentos de genes de DNA e moléculas de RNA ”, disse Cordon-Cardo.

Cordon-Cardo é motivado pela oportunidade de usar as informações carregadas nos exossomos para se antecipar às doenças.

“Hoje não buscamos‘ saúde ’no contexto de sua definição completa. Hoje, conduzimos essencialmente o que podemos definir como 'cuidado do doente'. Indivíduos saudáveis, profissionais médicos e a sociedade em geral precisam de ser educados para aceitar e implementar 'cuidados de saúde'. Encontramos tempo para levar o nosso carro para a sua inspeção anual , mas não nós mesmos. Muitas vezes é porque temos medo de que algo possa estar errado. Os exossomos podem auxiliar na detecção precoce da doença. Questionando e interrogando quais mensagens estão começando a ser enviadas entre os órgãos para prever o que pode acontecer, seria uma das novas formas mais interessantes de olhar para a saúde ”.

Cordon-Cardo acredita que, com a tecnologia IBM nanoDLD, os especialistas podem escutar com mais eficácia as mensagens enviadas entre células e órgãos de uma forma não invasiva. Monitorar essa conversa intercelular com mais regularidade permitiria aos especialistas agirem como acompanhantes virtuais, observando cuidadosamente até o momento em que a condição se reverteu e o paciente retornou a um estado saudável, ou permitindo que os médicos decidissem que algo mais invasivo é justificadamente necessário .

Micrografia eletrônica de exossomos em uma superfície.

“Quando estamos à frente da doença, geralmente conseguimos enfrentá-la bem; mas se a doença está à nossa frente, a jornada costuma ser muito mais difícil. Um dos desenvolvimentos importantes que estamos tentando nesta colaboração é ter os fundamentos básicos para identificar assinaturas moleculares que podem estar lá muito cedo ”, disse ele.

Teste de câncer de próstata

A IBM Research e o Mount Sinai planejam testar a tecnologia nanoDLD no câncer de próstata, o câncer mais comum em homens nos Estados Unidos. No câncer de próstata, os médicos recomendam que homens com mais de 50 anos façam um teste anual para o antígeno específico da próstata (PSA) obtido de uma amostra de sangue. No entanto, ter um nível elevado de PSA não significa necessariamente que uma pessoa tem ou terá câncer de próstata. Por outro lado, o teste não positivo para PSA também não impede que um indivíduo desenvolva câncer de próstata.

A esperança é procurar biomarcadores específicos e sensíveis, e os exossomos hoje representam uma nova fronteira que oferece pistas que podem conter a resposta para saber se uma pessoa tem câncer.

“Com os exossomos, você tem uma ideia do que uma célula cancerosa está processando. As células liberam exossomos o tempo todo. Se os detectarmos, podemos ver o que há dentro sem tocar no câncer ”, disse Stolovitzky.

No momento, a pesquisa ainda está em seus estágios iniciais. Os resultados científicos mais recentes da equipe de pesquisa da IBM foram publicados hoje na Nature Nanotechnology *. Como parte das próximas etapas, a equipe espera aumentar o volume e o rendimento do que o dispositivo pode manipular e projetar o dispositivo para que ele possa separar biopartículas menores que 20 nanômetros, levando-as assim para o reino das proteínas individuais.

Eles também planejam confirmar que seu dispositivo é capaz de captar os tipos de biomarcadores que eles esperariam ver nos exossomos de pacientes com câncer de próstata e continuarão a trabalhar na construção de um protótipo de dispositivo de grau clínico. Os ensaios clínicos seriam necessários antes que um dispositivo pudesse chegar ao mercado. Mas, assim como o teste de gravidez mudou o jogo para mulheres grávidas, algum dia em nosso futuro poderemos usar um dispositivo simples de ponto de atendimento que nos dará sinais indicadores de nossa saúde antes mesmo de notarmos qualquer sintoma.

Nota de rodapé:

* Nanotecnologia da Natureza: Matrizes de deslocamento lateral em nanoescala para separação de exossomos e coloides até 20n, DOI:10.1038 / NNANO.2016.134

Benjamin H. Wunsch (IBM Research), Joshua T. Smith (IBM Research), Stacey M. Gifford (IBM Research), Chao Wang (afiliação atual:Arizona State University), Markus Brink (IBM Research), Robert Bruce (IBM Research), Robert H. Austin (Princeton University), Gustavo Stolovitzky (IBM Research) e Yann Astier (afiliação atual:Roche Molecular Systems)