Destaque

Usando a luz para monitorar o câncer

Fonte

EPFL | Escola Politécnica Federal de Lausanne

Data

quarta-feira. 16 junho 2021 07:20

Médicos pedem exames dos fluidos corporais de seus pacientes, como sangue, urina, saliva ou cotonetes nasais, para fins de diagnóstico. Isso ocorre porque as substâncias nesses biofluidos podem fornecer informações vitais sobre o estado de saúde de uma pessoa. Os biossensores são dispositivos emergentes capazes de analisar tais bioamostras e procurar substâncias indicativas de doenças. Os testes de COVID-19 são os exemplos mais atuais de biossensores. A partir de fluidos corporais, eles podem detectar várias substâncias, como as biomoléculas na superfície do vírus (proteínas), material genético viral (RNA/DNA) ou mesmo a resposta imunológica do corpo ao vírus (anticorpos). Essas substâncias biológicas, que podem marcar a presença de uma doença, são os chamados biomarcadores.

Para causar um impacto significativo na sociedade, os biossensores devem ser rápidos, de baixo custo, fáceis de usar, compactos e autônomos, para que possam ser usados ​​convenientemente por médicos, paramédicos, cuidadores e pelos próprios pacientes. As técnicas ópticas são abordagens poderosas que são excepcionalmente atraentes para um biossensor. “A maioria dos biossensores ópticos requer uma ampla gama de cores de luz, como um arco-íris, para funcionar de maneira confiável. Esse fato requer a implementação de instrumentação volumosa, cara e sofisticada, como espectrômetros, para extrair os dados mais precisos de cada cor do espectro de luz , limitando o uso generalizado de biossensores ópticos”, disse Yasaman Jahani, doutoranda na Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), na Suíça. Para resolver esse problema, cientistas da EPFL introduziram um novo conceito que permite o emprego de apenas uma única cor de luz para operar com um detector de imagem simples. Ainda assim, este sistema fornece informações de biossensor altamente precisas, como se os sensores fossem iluminados com todo o arco-íris.

Nanofotônica e ciência de dados

O novo método utiliza dois truques inteligentes: nanofotônica e técnicas de ciência de dados. Os chips ópticos usados ​​para o biossensor compreendem nanoestruturas feitas de silício. Este material que revolucionou a indústria da microeletrônica agora desempenha um papel fundamental na nanofotônica. As superfícies de silício nanoestruturadas com recursos da ordem de 100 nm capturam a luz na interface do biochip de forma eficiente. “Isso torna o biossensor muito sensível à presença dos biomarcadores, resultando em mudanças distintas nas características da luz incidente. No aparelho, essa característica é a mudança na ‘quantidade’ de luz coletada conhecida como intensidade da luz”, explicou Yasaman Jahani. Uma câmera típica recebe continuamente a luz que passa pelo biochip para adquirir séries de imagens do biochip com informações de intensidade sobre milhões de pixels de imagem. “Quando os biomarcadores se fixam nas nanoestruturas do biochip, as imagens da mudança de intensidade são compiladas a partir da mudança de intensidade induzida de cada pixel em uma resolução muito alta”, acrescentou a pesquisadora.

Considerando que o sinal de um pixel pode ter ruídos, os pesquisadores usaram uma técnica de ciência de dados em combinação com um mapa de desempenho pré-gravado para processar de forma inteligente as informações de intensidade desse grande número de pixels, considerando a eficiência de cada pixel e ajustando sua contribuição para a leitura final de forma coletiva. “Na vida diária, esse processo é análogo a tirar uma conclusão sólida de um grupo de dados de especialistas, pesando seu conhecimento da área com cuidado, em vez de confiar neles igualmente. Isso ajuda a refinar a conclusão, minimizando a contribuição de informações possivelmente imprecisas de uma pessoa “, disse a Dra. Hatice Altug, chefe do Laboratório de Sistemas Bionanofotônicos da Escola de Engenharia da EPFL. Desta forma, os pesquisadores foram capazes de utilizar uma luz de cor única e ainda capazes de obter resultados altamente robustos semelhantes aos obtidos a partir de muitas cores, eliminando a necessidade de instrumentos sofisticados, volumosos e caros.

Monitoramento de exossomos de câncer

Como demonstração, os cientistas aplicaram o novo biossensor para diagnóstico de câncer, detectando exossomos de tumor, que são biomarcadores de câncer em estágio inicial. Os exossomos derivados do tumor circulam nos fluidos corporais como minúsculas vesículas com diâmetro da ordem de cem nanômetros. Eles são secretados por células cancerosas e carregam informações cruciais, como o tipo de câncer e seu estágio. “Dados crescentes indicam que exossomos derivados de tumor não são apenas produtos residuais de células cancerosas, mas são usados ​​pelo tumor para facilitar seu crescimento em locais distantes, um processo muitas vezes letal chamado metástase”, disse o Dr. Michele De Palma, que contribuiu para o estudo. O biossensor baseado em imagem da EPFL pode monitorar em tempo real os exossomos do câncer de mama em uma ampla faixa de detecção que é clinicamente relevante para indivíduos saudáveis ​​e doentes.

Os pesquisadores acreditam que o novo método oferece possibilidades únicas para dispositivos de detecção altamente confiáveis, compactos e de baixo custo no futuro, especialmente quando combinados com inteligência artificial. Espera-se que tais dispositivos de monitoramento de saúde sejam uma parte essencial das redes de saúde de próxima geração para melhorar o bem-estar e a segurança das pessoas.

Os resultados do estudo foram publicados na revista científica Nature Communications.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da EPFL (em inglês).

Fonte: Escola Politécnica Federal de Lausanne.

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