Falando com o Dr. Peter Ertl, professor e chefe da equipe de pesquisa de chip de célula na Universidade Técnica de Viena (TU Wien), na Áustria, aprendi alguns fatos fascinantes sobre seu trabalho com tecnologias de laboratório em um chip. Esses dispositivos autônomos minúsculos podem ser usados para estudar tudo, desde a toxicidade de medicamentos anticancerígenos até a permeabilidade da barreira hematoencefálica. Agora, essa tecnologia está sendo usada para desenvolver um teste de diagnóstico da COVID-19 que tem o potencial de fornecer resultados precisos rapidamente em apenas alguns minutos.
Para o Dr. Ertl, ainda falta a combinação de velocidade, sensibilidade e confiabilidade necessária nos atuais métodos de diagnóstico da COVID-19 para lidar adequadamente com a atual pandemia. "Por um lado, o PCR pode detectar tudo, mas não é expansível e normalmente leva até 24 horas para obter um resultado. O resultado só é realmente válido por alguns dias, o que significa que você não pode ir a eventos de longa duração, como conferências. Os métodos alternativos atuais, como o fluxo lateral e o teste de antígeno, simplesmente não são suficientemente sensíveis. Embora possam dar bons resultados para pessoas sintomáticas com altas cargas virais, também é importante detectar pessoas assintomáticas que podem estar espalhando a doença sem saber".
Desenvolvendo uma ferramenta de diagnóstico da COVID-19 eficaz e eficiente usando biochips com capacidade de transmissão de dados
Enfrentando essas questões de frente, o Dr. Ertl e sua equipe desenvolveram uma tecnologia de biochip que, segundo eles, pode detectar com segurança de 3 a 5 partículas virais em apenas alguns minutos, eliminando falsos negativos. Consequentemente, pessoas assintomáticas podem ser diagnosticadas definitivamente, permitindo que se autoisolem para conter a propagação da COVID-19.
O biochip foi projetado de forma que tenha sua própria fonte de alimentação, unidade de exibição e capacidade de transferir dados sem fio (Figura 1). Os resultados podem ser transferidos direta e imediatamente para o centro epidemiológico necessário. Essa simplificação da coleta de dados pode ajudar significativamente a relatar números precisos de casos e surtos.
Figura 1. Ilustração de como funciona o biochip da COVID-19. A tecnologia do biochip usa um campo de anticorpo que é imobilizado na câmara microfluídica. Ele se liga a qualquer vírus alvo presente na amostra, neste caso o vírus SARS-CoV 2, que causa a COVID-19. Posteriormente, um anticorpo secundário marcado com nanogold liga-se às partículas virais ligadas. Ao adicionar uma solução de prata nesta fase, a prata reage com o ouro para produzir nanopontes condutoras. Por sua vez, uma corrente elétrica pode fluir e ativar LEDs ou até mesmo conectar-se a um dispositivo de comunicação embutido para transferir os dados sem fio.
Papel da plataforma de formação de imagens de células vivas IXplore™ da Olympus na validação do teste de biochip da COVID-19
O funcionamento adequado da tecnologia depende da qualidade dos anticorpos e de quão bem eles são imobilizados na superfície da câmara microfluídica e no espaçamento entre os condutores elétricos interrompidos. Para otimizar isso, o Dr. Ertl e a equipe de pesquisa do chip de células testaram diferentes estratégias de imobilização. Usando o sistema de microscópio Olympus IXplore™ Live e anticorpos secundários marcados com fluorescência, eles foram capazes de avaliar os principais parâmetros, incluindo densidade, orientação e alinhamento do anticorpo, que eram essenciais para o sucesso do biochip (consulte a Figura 2).
Figura 2. Usando o microscópio Olympus IXplore Live e anticorpos secundários marcados com fluorescência para determinar a imobilização de uma densidade de anticorpo IgG de cabra-rato em substrato de vidro com aumento de 4x. A imagem mostra níveis decrescentes de concentração de anticorpos (da esquerda para a direita) em linha com níveis decrescentes de intensidade de fluorescência.
O Dr. Ertl elaborou: "O sistema IXplore Live tem sido realmente útil para aumentar o desenvolvimento de chips; ele oferece ao nosso laboratório exatamente o que precisamos em termos de resolução de imagem e preço. Além da COVID-19, ele se tornou indispensável no nosso laboratório, sendo usado perpetuamente em nossos projetos de órgão em um chip. Particularmente, a excelente resolução, a câmara hipóxica e a capacidade de atualizar o sistema para formação de imagens confocais foram extremamente benéficas para nossa pesquisa".
Aplicações para outras doenças, incluindo câncer e Parkinson
Além da plataforma de diagnóstico viral, a tecnologia do biochip está sendo aproveitada para uma variedade de aplicações interessantes. No laboratório do Dr. Ertl, eles estão pesquisando sistemas avançados de cultura de células microfluídicas que podem replicar a complexa arquitetura 3D de tecidos e órgãos, conhecidos como dispositivos de órgão ou tecido em um chip. Esses biochips não estão apenas sendo usados como modelos biológicos para investigar a estrutura e a função dos tecidos, mas também estão fornecendo informações sobre o início e a progressão de doenças como câncer, doenças autoimunes e neurodegenerativas.
Figura 3. Imagens tiradas pela equipe de pesquisa da TU Wein usando o microscópio Olympus IXplore Live. Da esquerda para a direita, as imagens mostram (1) HUVECs marcadas com GFP com perfusão de TRITC-dextran (aumento de 20x) (2) HUVECs marcadas com GFP aumento de 4x) (3) F-actina e VE-caderina marcadas com DAPI (aumento de 20x). 14
O Dr. Ertl explicou que o microscópio IXplore Live se tornou uma ferramenta importante para a pesquisa de órgãos em um chip. A alta resolução é essencial para validar a montagem de células 3D, certificando-se de que a arquitetura imite a estrutura real do tecido humano. Por exemplo, a equipe da TU Wien usou o microscópio IXplore Live para acompanhar a progressão da interface linfática/sanguínea, bem como o desenvolvimento de uma doença de Parkinson integrada a um sensor em uma plataforma de chip. No último projeto, o microscópio IXplore Live foi fundamental para estudar o crescimento de neurites e a formação de imagens de cálcio. A equipe de pesquisa espera que isso leve a um modelo de mesencéfalo humano personalizado que avance nossa compreensão dos aspectos do neurodesenvolvimento da doença de Parkinson.
Além disso, o grupo observou que a capacidade de combinar o microscópio IXplore Live com uma câmara hipóxica foi uma escolha crítica para seu laboratório, estando envolvido no desenvolvimento de quase todos os dispositivos microfluídicos. Sarah Spitz, membro do grupo de pesquisa do Dr. Ertl, comentou: "Usamos principalmente a câmara hipóxica para estudar a permeabilidade ao oxigênio de vários materiais para a fabricação de dispositivos microfluídicos. A permeabilidade ao oxigênio é um parâmetro importante, pois afetará a disponibilidade de oxigênio para as células que são cultivadas. Usando essa configuração e um sensor de oxigênio integrado no chip, podemos determinar essas propriedades características com muita facilidade".
Potencial da tecnologia de biochip além da COVID-19
Os testes virais em biochips não representam apenas uma ferramenta potencialmente rápida e confiável para monitorar a pandemia em curso, mas o investimento na plataforma pode ser frutífero para o diagnóstico de outras doenças. Por ser autoalimentada e portátil, a tecnologia pode ser aproveitada em áreas remotas ou onde o armazenamento de vacinas é um problema, como para hepatite B no Paquistão e para o ebola na África. Da mesma forma, o futuro da tecnologia de órgão em um chip tem muito potencial e promete desenvolvimentos excitantes no tratamento de muitas doenças. Quanto ao teste de COVID-19, o professor Ertl diz que espera desenvolver o primeiro protótipo industrial nos próximos meses.
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