Corrida de obstáculos para os biossensores portáteis

A pandemia de Covid-19 desencadeou uma corrida entre pesquisadores do mundo inteiro pelo desenvolvimento de novos métodos para detectar o vírus Sars-CoV-2, causador da doença. O objetivo era criar soluções tão baratas e rápidas quanto os testes vendidos em farmácias, mas com a mesma sensibilidade do melhor exame laboratorial então disponível. Dezenas de dispositivos portáteis de baixo custo capazes de detectar o vírus em poucos minutos, mesmo em baixas concentrações, foram descritos em artigos científicos e divulgados à imprensa. A maioria, entretanto, não chegou ao mercado. Transformar protótipos em produtos comerciais continua sendo o principal desafio dos pesquisadores que desenvolvem biossensores portáteis ou vestíveis. Além de identificar rapidamente infecções por vírus e bactérias, esses dispositivos prometem facilitar o diagnóstico e o acompanhamento de uma série de doenças, substituindo, em algumas aplicações, exames de sangue por análises rápidas de lágrimas, saliva ou suor. Também poderiam permitir diagnósticos mais precoces e tratamentos personalizados. “Fazer a transferência do que funciona na bancada para o mundo real é, muitas vezes, um passo muito desafiador para os pesquisadores, mas sinto que a comunidade acadêmica está seguindo nessa direção”, avalia a física Laís Brazaca, do Instituto de Química de São Carlos da Universidade de São Paulo (IQSC-USP). Ela é a primeira autora de um artigo de revisão sobre sensores vestíveis para saúde, publicado em junho na revista ACS Applied Materials & Interfaces. Brazaca lidera um projeto financiado pela FAPESP cuja meta é desenvolver biossensores vestíveis para monitorar proteínas no suor associadas a doenças. A maioria dos aparelhos que funcionam colados à pele detecta no suor apenas eletrólitos (íons de sódio, cloro e outros) e metabólitos (pequenas moléculas, como glicose e lactato). “Minha ideia é desenvolver dispositivos que coletem e analisem moléculas maiores, como proteínas”, diz. O sangue transporta uma grande variedade dessas moléculas, mas apenas algumas conseguem atravessar os vasos sanguíneos e chegar ao suor. Entre elas estão a clusterina e a dermicidina. No sangue, altas concentrações de clusterina estão associadas à doença de Alzheimer, enquanto níveis elevados de dermicidina vêm sendo relacionados ao câncer de mama. Um dos objetivos do projeto é verificar se essas relações também ocorrem no suor, o que pode depender de muitos fatores do organismo. Há também o fato de que as concentrações de proteínas medidas pelo sensor podem diferir das realmente presentes no suor. Por fim, é preciso resolver a dificuldade de integrar, em um aparelho flexível, uma espécie de laboratório de química em miniatura, chamado de circuito microfluídico, a um circuito microeletrônico capaz de registrar e transmitir sem fio os dados para um computador ou celular. Para superar esses obstáculos, Brazaca colabora com os químicos Emanuel Carrilho, seu colega no IQSC-USP; Khaled Abdelazim, da Universidade Harvard; e Juliane Sempionatto, da Universidade Rice (EUA), que também é nanoengenheira. Recentemente, o grupo de Sempionatto desenvolveu protótipos de biossensores vestíveis para medir eletrólitos e metabólitos no suor. Outro projeto seu busca monitorar hormônios relacionados à saúde da mulher. “Há uma necessidade enorme de ferramentas que permitam acompanhar mudanças hormonais desde a adolescência feminina até a menopausa”, explica. Os protótipos de ambos os projetos ainda precisam de trabalho adicional para chegar ao mercado. “A área está amadurecendo”, afirma Sempionatto, também coautora da revisão. “O desafio real é transformar a leitura de dados em uma informação clínica confiável e útil para uma decisão médica.” Do espaço para a prateleira O desenvolvimento de sensores vestíveis começou na década de 1980, para monitorar a distância os sinais vitais de astronautas durante missões espaciais. Esses primeiros instrumentos deram origem aos chamados sensores físicos, capazes de registrar pequenas variações de pressão associadas ao funcionamento de coração, pulmões e sistema nervoso, por exemplo. Muitas dessas medições hoje podem ser feitas por celulares e relógios inteligentes. Já os primeiros sensores biológicos vestíveis surgiram no final da década de 1990. Esses dispositivos consistem em uma superfície capaz de abrigar um componente de origem biológica — um anticorpo, uma enzima, um pedaço de DNA, ou mesmo uma célula inteira —, que reage na presença de uma molécula específica produzida pelo corpo humano, por vírus ou por bactérias. Essa reação gera um sinal mensurável, como uma mudança de cor, nos biossensores colorimétricos, ou uma alteração nas propriedades elétricas do material, nos eletroquímicos. Na década de 1980 começou o desenvolvimento de sensores vestíveis, para monitorar a distância os sinais vitais de astronautas em missões espaciais No fim da década de 1990 chegaram os primeiros sensores biológicos vestíveis, que reagem na presença de uma molécula específica produzida pelo corpo humano, por vírus ou por bactérias Hoje: Os testes rápidos de Covid-19, HIV e gravidez são os principais biossensores colorimétricos, em que a reação gera uma mudança de cor, disponíveis no mercado Entre os eletroquímicos, em que a reação altera as propriedades elétricas do material, os únicos já comuns são os medidores de glicose 60 mil artigos científicos sobre biossensores vestíveis para saúde foram publicados desde 2005, segundo revisão liderada pela física Laís Brazaca, do IQSC-USP Atualmente, os testes rápidos de Covid-19, HIV e gravidez, entre outros, são os principais biossensores colorimétricos no mercado. Entre os eletroquímicos, os únicos já comuns são os medidores de glicose. Em geral, analisam uma gota de sangue obtida por uma picada no dedo, enquanto os mais avançados funcionam em um adesivo aplicado ao braço, monitorando a glicose por alguns dias por meio de microagulhas. Esses produtos representam uma pequena fração dos protótipos já desenvolvidos. A revisão liderada por Brazaca contabilizou 60 mil artigos científicos sobre biossensores vestíveis para saúde publicados desde 2005. Novos materiais tornaram os dispositivos mais flexíveis e compatíveis com a pele e outras partes do corpo. “A grande variedade de possíveis materiais e aplicações tornou o campo atraente para a pesquisa básica e aplicada, mas a consolidação em produtos exige foco nas aplicações viáveis comercialmente”, considera o físico Osvaldo Novais de Oliveira Jr., do Instituto de Física de São Carlos da USP (IFSC-USP), também coautor da revisão. Com apoio da FAPESP, Oliveira desenvolve biossensores para saúde e monitoramento ambiental. Seu grupo já criou dispositivos que identificam genes associados a câncer de cabeça e pescoço, testados com amostras de células de pacientes do Hospital de Amor, em Barretos (SP). A principal dificuldade dos biossensores é manter seu funcionamento por tempo suficiente fora do laboratório. Seus componentes biológicos são moléculas frágeis que, depois de imobilizadas no sensor por ligações químicas, precisam continuar ativas em condições muito diferentes das encontradas no corpo humano. Para prolongar sua vida útil, pesquisadores têm recorrido a versões sintéticas mais estáveis e a camadas protetoras. Ainda assim, muitos não duram mais do que algumas semanas. Um exemplo é o biossensor eletroquímico integrado aos óculos, desenvolvido no laboratório de Joseph Wang, na Universidade da Califórnia em San Diego. Sempionatto foi aluna de doutorado de Wang, enquanto Brazaca fez estágio no laboratório em 2017, durante seu doutorado, sob orientação do engenheiro de materiais Valtencir Zucolotto, do IFSC-USP. Juntas, elas colaboraram para criar o primeiro biossensor vestível capaz de monitorar álcool em lágrimas, além de vitaminas e glicose. As enzimas usadas nas detecções precisavam ser preparadas no máximo um dia antes do uso. Além da estabilidade dos componentes biológicos, a síntese dos nanomateriais empregados na interface do sensor envolve reações químicas cujo controle pode ser desafiador. “A reprodutibilidade é muito difícil”, afirma a química Juliana Cancino-Bernardi, da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto da USP (FFCLRP-USP). Segundo ela, esses materiais apresentam variações inevitáveis de tamanho durante a fabricação, podendo alterar suas propriedades eletrônicas. Isso significa que biossensores produzidos pelo mesmo processo podem gerar sinais elétricos diferentes em resposta à mesma concentração da substância-alvo. “Para gerar dados confiáveis durante dias, semanas ou meses, o comportamento do sensor precisa ser muito estável ou, pelo menos, previsível”, ressalta Sempionatto. Amostras reais Outro problema é que a maioria dos estudos testa seus protótipos apenas em condições idealizadas em laboratório. Alguns avançam para analisar fluidos sintéticos — versões artificiais de suor, saliva ou sangue com composição conhecida. Mais raros são os que utilizam amostras de fluidos reais de pacientes. Apenas uma pequena parcela chega aos testes clínicos. “Um diferencial do nosso grupo sempre foi utilizar amostras reais”, afirma o químico William Reis de Araújo, que coordena um laboratório da área na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e também fez estágio no laboratório de Wang. No auge da pandemia, em 2020, o pesquisador da Unicamp iniciou uma colaboração remota com o grupo de Cesar de la Fuente-Nunez, da Universidade da Pensilvânia (EUA), especialista em compostos antimicrobianos. Dois alunos de Araújo foram ao laboratório dele para desenvolver biossensores baseados na proteína ACE2, receptor presente na superfície de células humanas e usado pelo vírus SARS-CoV-2 para invadi-las. A estratégia se mostrou acertada porque, embora novas variantes do vírus tenham tornado obsoletos muitos biossensores baseados em anticorpos, elas continuaram a se ligar ao ACE2. Um dos dispositivos era um microcircuito eletrônico de grafite modificado, impresso a laser em papel. Cada unidade descartável custava menos de R$ 25. Após receber uma amostra de saliva ou esfregaço nasal com cotonete, o sensor era inserido em um pequeno aparelho comercial chamado de potenciostato, conectado a um celular ou computador – o resultado vinha em quatro minutos. Em 2021, a equipe validou o biossensor em 321 pacientes do hospital da universidade americana. Dois anos depois, reduziu seu custo para cerca de R$ 17. Apesar de estimarem que milhões de unidades poderiam ser fabricadas por semana durante a pandemia, a patente ainda não foi licenciada para uma empresa. Em 2022, um surto mundial de varíola dos macacos, mais conhecida como mpox (doença viral transmitida pelo contato com fluidos de pessoas ou animais infectados), chegou a Campinas, com 96 casos registrados. O episódio levou Araújo a criar o primeiro biossensor eletroquímico para detectar o vírus em amostras de sangue, saliva ou secreções das lesões. Dois anos depois, sua equipe aprimorou o biossensor, inicialmente feito em papel, na forma de um tecido flexível que pode ser incorporado a curativos. Esse trabalho integra um projeto de Araújo financiado pela FAPESP para criar biossensores descartáveis para detecção de infecções virais e bacterianas. Outros dispositivos poderão diferenciar dengue, zika e chikungunya, além de identificar as espécies de bactérias responsáveis por uma infecção. Um dos protótipos concluídos reúne quatro testes em um abaixador de língua — o palito usado por médicos para facilitar o exame da boca e da garganta. Etapas invisíveis Rice UniversityEquipe de Juliane Sempionatto (primeira à esquerda), na Universidade Rice, testa biosensor sobre a pele do antebraço de voluntária (segunda à esquerda). Dispositivo mede eletrólitos do suor e transmite seus dados a celular (terceira à esquerda)Rice University Araújo enfatiza que, embora o objetivo seja criar testes cada vez mais baratos, a pesquisa básica necessária para desenvolver um protótipo exige insumos e equipamentos que custam em torno de R$ 100 mil. Segundo a revisão liderada por Brazaca, o investimento para levar um novo dispositivo ao mercado pode ultrapassar centenas de milhões de dólares, o que pode desestimular o investimento nos projetos. Para Sempionatto, as agências de financiamento precisam apoiar melhor etapas menos visíveis, mas decisivas, como estudos de reprodutibilidade, padronização da coleta, validação clínica, usabilidade, controle de qualidade e planejamento regulatório. “Esses estudos, menos atraentes em novidade científica, são os que determinam se uma tecnologia poderá ser usada fora do laboratório.” “E as empresas precisam participar mais cedo do processo, ajudando a definir custo, fabricação, experiência do usuário e formas de pagamento pelo sistema de saúde”, diz ela. “Médicos e pacientes também devem estar envolvidos desde o início. O desenvolvimento funciona melhor quando todas as áreas trabalham juntas continuamente.” Essa transição entre o mundo acadêmico e o comercial é conhecida como vale da morte, explica Araújo. Para superá-la, ele considera essenciais programas como o Pesquisa Inovativa em Pequenas Empresas (PIPE), da FAPESP, que financia estudos em micro, pequenas e médias empresas. “O PIPE estimulou a criação de empresas a partir de nosso laboratório”, conta Brazaca. Seu colega Carrilho incentivou os alunos a empreender depois de atuar, de 2007 a 2009, como professor visitante na Universidade Harvard, no grupo de George Whitesides, conhecido por criar tecnologias que deram origem a empresas. Em 2012, três alunos de Carrilho aceitaram o desafio e fundaram a Partecurae Analysis, voltada a testes diagnósticos rápidos para saúde animal. Quatro anos depois, outro grupo criou a Solve Biotecnologia, dedicada à saúde humana. Ambas receberam financiamento inicial do PIPE. As duas empresas se fundiram em 2020, dando origem à Prothera Biotecnologia. Durante a pandemia, a empresa desenvolveu um teste rápido para Covid-19, semelhante aos disponíveis no mercado, que chegou a ser comercializado na região de São Carlos. “Chorei de felicidade quando vi nosso produto na farmácia”, lembra a pesquisadora Regiane Travensolo, sócia-fundadora da Partecurae e da Prothera. A fabricação dos testes, porém, só foi possível graças a uma parceria com um investidor, encerrada por questões jurídicas em 2023. Desde então, a Prothera reestruturou seu modelo de negócios e passou a oferecer consultoria a empresas e pesquisadores interessados em empreender na área de biotecnologia. Monitorando poluentes Tecnologias semelhantes às dos biossensores para a saúde vêm sendo adaptadas para monitorar substâncias de difícil detecção no ambiente. Esses dispositivos podem contribuir para a conservação de alimentos, a agricultura de precisão e o controle dos chamados poluentes emergentes — agrotóxicos, fármacos, hormônios, microplásticos e outros contaminantes invisíveis a olho nu que se acumulam em rios e lagos. No ano passado, o grupo de Araújo adaptou sua técnica de fabricação de eletrodos em papel para criar um pequeno sensor impermeável que pode ser fixado a folhas e outras partes das plantas para detectar o herbicida paraquat, proibido pela Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa) em 2020 por seus riscos à saúde. O aparelho funciona por uma reação química entre os eletrodos e as moléculas do herbicida e transmite seus resultados sem fio para um aplicativo. Para detectar água contaminada com paraquat, a química Cibely Martin, da Universidade Estadual Paulista (Unesp) de Ilha Solteira, desenvolveu nanomateriais que aumentam o desempenho dos sensores eletroquímicos e permitem potencializar a detecção por meio da espectroscopia. “Eles identificam uma família de compostos e sua concentração, enquanto a espectroscopia fornece a impressão digital de cada molécula”, explica Martin, que coordena um projeto financiado pela FAPESP. As moléculas de paraquat são tão semelhantes às de outros herbicidas que a eletroquímica, sozinha, não consegue distinguí-las. Apenas a combinação entre as duas técnicas permite diferenciá-las e tornar a detecção mais seletiva. Na Universidade Federal do ABC (UFABC), o biofísico Wanius Garcia lidera um projeto financiado pela FAPESP para o desenvolvimento de nanossensores para detecção de antibióticos e inseticidas em amostras ambientais, como solo e corpos d’água, ou em matrizes biológicas, como o sangue. A ideia surgiu após seu grupo, em colaboração com a equipe do bioquímico Claudener Teixeira, da Universidade Federal do Cariri (UFCA), mostrar que certas proteínas da família das lectinas se ligam a moléculas de antibióticos da classe dos aminoglicosídeos, como a gentamicina, usados no tratamento de infecções graves. Os pesquisadores mostraram que essa interação altera a absorção de luz por nanopartículas de haleto de prata revestidas com lectinas, alterando suas propriedades ópticas. Garcia vem aplicando o mesmo princípio com enzimas chamadas esterases para detectar inseticidas. “Já demonstramos a sensibilidade da técnica, mas ainda precisamos verificar sua especificidade, para saber se outras moléculas podem interferir na detecção”, explica. Segundo ele, no futuro todo o procedimento poderá ser integrado a um dispositivo portátil – por exemplo, um celular – permitindo análises rápidas e leituras diretas na tela. Republicar