O futuro da medicina pode muito bem estar na personalização dos cuidados de saúde - saber exatamente o que um indivíduo precisa e, em seguida, fornecer a combinação certa de nutrientes, metabólitos e medicamentos, se necessário, para estabilizar e melhorar sua condição. Para tornar isso possível, os médicos primeiro precisam de uma maneira de medir e monitorar continuamente certos biomarcadores de saúde.
Para esse fim, uma equipe de engenheiros da Caltech desenvolveu uma técnica para matrizes de impressão a jato de tinta de nanopartículas especiais que permite a produção em massa de sensores de suor vestíveis de longa duração. Esses sensores podem ser usados para monitorar uma variedade de biomarcadores, como vitaminas, hormônios, metabólitos e medicamentos, em tempo real, fornecendo aos pacientes e seus médicos a capacidade de acompanhar continuamente as mudanças nos níveis dessas moléculas.
Biossensores vestíveis que incorporam as novas nanopartículas foram usados com sucesso para monitorar metabólitos em pacientes que sofrem de COVID longo e os níveis de drogas quimioterápicas em pacientes com câncer na City of Hope em Duarte, Califórnia.
"Estes são apenas dois exemplos do que é possível", diz Wei Gao, professor de engenharia médica no Departamento de Engenharia Médica Andrew e Peggy Cherng da Caltech. "Existem muitas condições crônicas e seus biomarcadores que esses sensores agora nos dão a possibilidade de monitorar continuamente e de forma não invasiva", diz Gao, que é o autor correspondente de um artigo na revista Nature Materials descrevendo a nova técnica.
Gao e sua equipe descrevem as nanopartículas como nanopartículas cúbicas de núcleo-casca. Os cubos são formados em uma solução que inclui a molécula que os pesquisadores desejam rastrear - por exemplo, a vitamina C. À medida que os monômeros se montam espontaneamente para formar um polímero, a molécula alvo - vitamina C - fica presa dentro das nanopartículas cúbicas. Em seguida, um solvente é usado para remover especificamente as moléculas de vitamina C, deixando para trás um invólucro de polímero impresso molecularmente pontilhado com orifícios que têm formas exatamente iguais às das moléculas de vitamina C - semelhantes a anticorpos artificiais que reconhecem seletivamente as formas de apenas moléculas específicas.
É importante ressaltar que, no novo estudo, os pesquisadores combinam esses polímeros especialmente formados com um núcleo de nanopartículas feito de hexacianoferrato de níquel (NiHCF). Este material pode ser oxidado ou reduzido sob uma tensão elétrica aplicada quando em contato com o suor humano ou outros fluidos corporais. Voltando ao exemplo da vitamina C, o fluido entrará em contato com o núcleo do NiHCF enquanto os orifícios em forma de vitamina C estiverem desocupados, e isso gerará um sinal elétrico.
Quando as moléculas de vitamina C entram em contato com o polímero, no entanto, elas deslizam para esses orifícios, evitando assim que o suor ou outros fluidos corporais entrem em contato com o núcleo. Isso enfraquece o sinal elétrico. A força do sinal elétrico, então, revela quanta vitamina C está presente.
"Este núcleo é crítico. O núcleo de hexacianoferrato de níquel é altamente estável, mesmo em fluidos biológicos, tornando esses sensores ideais para medições de longo prazo", diz Gao, que também é investigador do Heritage Medical Research Institute e bolsista Ronald e JoAnne Willens.
As novas nanopartículas de núcleo são altamente versáteis e são usadas na impressão de matrizes de sensores que medem os níveis de vários aminoácidos, metabólitos, hormônios ou drogas no suor ou fluidos corporais simplesmente usando várias "tintas" de nanopartículas em uma única matriz. Por exemplo, no trabalho descrito no artigo, os pesquisadores imprimiram nanopartículas que se ligam à vitamina C junto com outras nanopartículas que se ligam ao aminoácido triptofano e creatinina, um biomarcador comumente medido para ver o quão bem os rins estão funcionando. Todas as nanopartículas foram combinadas em um sensor que foi então produzido em massa. Essas três moléculas são de interesse em estudos de pacientes com COVID longo.
Da mesma forma, os pesquisadores imprimiram sensores vestíveis baseados em nanopartículas que eram específicos para três drogas antitumorais diferentes em sensores individuais que foram testados em pacientes com câncer na City of Hope.
"Demonstrando o potencial dessa tecnologia, fomos capazes de monitorar remotamente a quantidade de medicamentos contra o câncer no corpo a qualquer momento", diz Gao. "Isso está apontando o caminho para o objetivo da personalização da dose não apenas para o câncer, mas também para muitas outras condições."
No artigo, a equipe também mostrou que as nanopartículas podem ser usadas para imprimir sensores que podem ser implantados logo abaixo da pele para monitorar com precisão os níveis de drogas no corpo.
Os principais autores do artigo, "Nanopartículas de núcleo seletivo de molécula imprimível para sensoriamento vestível e implantável" são Minqiang Wang e Cui Ye, da Caltech. Os autores adicionais são Yiran Yang (PhD '23), Daniel Mukasa (MS '21), Canran Wang (MS '23), Changhao Xu (PhD '24), Jihong Min (PhD '24), Samuel A. Solomon (MS '23), Jiaobing Tu (PhD '24) e Songsong Tang da Caltech; Guofang Shen e Jeannine S. McCune, do Instituto de Pesquisa Beckman da Cidade da Esperança; e Tzung K. Hsiai e Zhaoping Li, da Escola de Medicina David Geffen da UCLA. O trabalho foi apoiado por financiamento da National Science Foundation, dos Institutos Nacionais de Saúde, da American Cancer Society, do Office of Naval Research, do Army Research Office, de um Acordo de Cooperação da NASA, do Heritage Medical Research Institute e da Caltech-City of Hope Biomedical Initiative. O Instituto de Nanociência Kavli da Caltech forneceu suporte e infraestrutura críticos para este projeto.
Fonte: Caltech
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