Usando Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) para desenvolver ferramentas de diagnóstico

Sou U De Mercy, sou o pesquisador principal do Bio Stick MAMs no Medicine Labs. Fiz meu doutorado na Universidade de Stanford em engenharia elétrica. Realizei um pós-doutorado na Escola de Medicina de Harvard no MGH, trabalhando com MAMs bioacústicos ou principalmente MAs bio.

E agora continuo como membro do corpo docente da Escola Médica de Harvard, no programa Harvard MIT Health Sciences and Technology, continuando com minha pesquisa, que aprecio muito. O trabalho que realizei durante meu doutorado estava fortemente relacionado a gotículas e ao uso de acústica para gerar gotículas de tamanho preciso e controlar sua localização e posição, a fim de depositar polímeros muito sensíveis.

Agora aplicamos tecnologias semelhantes para encapsular células em gotículas e, em seguida, posicioná-las sobre superfícies para diversas aplicações na engenharia de tecidos, como imprimir células sobre superfícies para criar padrões celulares. Além disso, existem aplicações nas quais se deseja encapsular poucas células ou uma única célula a partir da mesma população, a fim de observar as diferenças entre células da mesma população, de uma célula para outra; nesse caso, a capacidade de encapsular células em gotículas com altas taxas de throughput, da ordem de 10.000 células por segundo, torna-se muito importante e útil para compreender problemas biológicos. Assim, minha pesquisa atual possui, digamos, duas vertentes.

Uma delas é esse trabalho de encapsulamento celular do qual acabei de falar. Como empacotamos uma célula em uma gota, e como podemos fazer isso repetidamente e de forma confiável, sem danificar as células? Assim, após a célula ser ejetada ou encapsulada na gota, devemos ser capazes de localizá-la com precisão em uma superfície, e a célula deve estar funcional, viva e viável.

Não deveria ser prejudicado pelos efeitos da ejeção e outros semelhantes. Atualmente, temos um sistema no qual utilizamos ondas acústicas focadas por gotas para gerar essas gotículas a partir de poças abertas, onde podemos encapsular até uma única célula nessas gotículas muito pequenas, comparáveis ao tamanho da célula. Isso é muito empolgante no que diz respeito à aplicação disso na impressão celular e engenharia de tecidos.

O outro lado da minha pesquisa consiste novamente em utilizar essas tecnologias de sistemas microeletromecânicos MAMs para desenvolver ferramentas diagnósticas de baixo custo. Na maior parte, essa pesquisa utiliza abordagens microfluídicas, nas quais podemos introduzir sangue total, em volumes muito pequenos, como sangue obtido por furo no dedo, menos de 10 microlitros, que pode ser introduzido em um chip. E a partir desse sangue, podemos encapsular ou capturar certas populações subcelulares do sangue total.

Por que isso é importante? Por que isso deveria ser barato para aplicações em saúde global? No alto de uma montanha na África, você precisa ser capaz de determinar, por exemplo, para um paciente com HIV, quantos linfócitos T CD4 esse paciente possui. Porque a Organização Mundial da Saúde afirma que abaixo de 200 células CD4 por microlitro, é necessário iniciar o tratamento dos pacientes. No mundo desenvolvido, utiliza-se citômetros de fluxo que custam centenas de milhares de dólares para obter esses dados.

E, é claro, leva tempo e habilidade para poder usar essas máquinas de tamanho semelhante a uma mesa. Nosso pequeno chip pode receber, neste pequeno compartimento do tamanho de um dedo, 10 microlitros de sangue total e capturará as células CD4 utilizando as afinidades das proteínas de superfície. E então você pode rapidamente contar essas células capturadas, pois sabe que são células CD4 que se ligaram a anticorpos de proteínas CD4 na superfície do chip.

Ao controlar as taxas de fluxo e a tensão de cisalhamento, é possível garantir que a especificidade e eficiência para esses tipos celulares sejam otimizadas. E, é claro, sempre existe ligação não específica, mas com nossas abordagens de cisalhamento, minimizamos esses efeitos e asseguramos erros entre mais ou menos 10%, o que é suficiente para tomar uma decisão diagnóstica ou prognóstica no topo de uma montanha na África. Assim, isso possui aplicações interessantes para a saúde global, além de que essas técnicas de baixo custo, descartáveis, podem impactar o mundo desenvolvido, pois agora esses testes sanguíneos rápidos, realmente de baixo custo, podem influenciar os testes utilizados nos países desenvolvidos.

Se forem otimizados para níveis mais altos de eficiência e especificidade, como nossos dados iniciais indicam que podem ser, então certamente impactarão nossas vidas. Quando finalizei meu doutorado, sabia mais sobre microfluídica e que, nos MAMs, acima de tudo com a aplicação em gotículas, eu podia perceber que, se conseguisse imprimir células, encapsular células ou manipular poucas células, células individuais, isso teria grandes aplicações na área de biotecnologia. E eu tinha grande interesse em trabalhar com coisas que realmente impactassem a vida das pessoas.

Eu costumava aplicar essas tecnologias na indústria de semicondutores, mas depois quis ser útil diretamente às pessoas. Então, foi isso que me direcionou para problemas na área da saúde. E foi por isso que fiz uma grande mudança e vim para um hospital, o Mass General Hospital, para o pós-doutorado.

E lá, sabe, fui exposto cada vez mais a problemas, e parece, e está bem claro, que um dos maiores problemas do mundo atualmente é a saúde global, com doenças como tuberculose e HIV que matam milhares de pessoas por dia. E essas pessoas morrem não porque os medicamentos não existem, mas porque não há ferramentas diagnósticas suficientes, que são muito mais caras do que os medicamentos já existentes. Então, conheço muito bem o lado tecnológico das coisas.

Eu entrei em contato com os problemas biológicos e, quanto mais eu aprendia sobre eles, mais percebia que poderia causar um impacto. E foi assim que tudo cresceu a partir daí. E ainda está em andamento até hoje.

Como vejo, na biotecnologia e na medicina existem tantos problemas que realmente afetam diretamente nossos resultados, levando à perda de vidas humanas, e a tecnologia, o aspecto tecnológico disso e a capacidade de aplicá-la a problemas médicos do mundo real é um ótimo caminho a seguir, penso eu. É assim que toda essa área da biotecnologia, creio eu, está crescendo e se tornando muito impactante. Se você pensar bem, HIV, câncer, essas são grandes causas de morte no mundo.

E as microtecnologias atuais, as abordagens atuais poderiam talvez se beneficiar da detecção precoce do câncer ao capturar essas células do sangue ou tornando o processo realmente barato, o que o tornaria acessível à população em geral. Assim, com todos esses elementos se unindo, acredito que todas essas aplicações de microtecnologia na área da saúde e da medicina poderiam impactar o futuro da humanidade. É assim que todas essas coisas se conectam, suponho eu.

E estar no programa de ciências e tecnologias da saúde do Harvard MIT, onde em uma extremidade você tem a tecnologia e na outra o aspecto clínico direto, com acesso direto aos pacientes e aos médicos no Brigham and Women's Hospital, onde trabalho, é um ótimo ambiente. Porque toda pessoa com quem você conversa tem seus problemas, e talvez, por vir de uma origem diferente, você possa oferecer soluções interessantes para esses problemas reais existentes. Então, creio que é assim que vejo toda a perspectiva de como esses problemas médicos se encontram com o lado tecnológico.

E tentamos impactar a vida das pessoas de forma positiva. Na encapsulação de células individuais ou na encapsulação celular, o principal desafio é conseguir encapsular de maneira confiável e repetível células individuais. Então, você está ejetando 10.000 cem mil células por segundo.

E como você garante que cada gotícula que você ejetar contenha uma única célula? Essa é uma questão estatística em que se altera o tamanho da gotícula e se minimiza, otimizando o tamanho da célula em relação ao tamanho da gotícula, o que remete ao problema clássico do empacotamento de esferas em um volume e qual é a maneira mais eficiente de fazê-lo. Portanto, esse é o maior desafio na área de impressão celular do ponto de vista tecnológico.

O outro aspecto é que agora você pode dizer imprimir e localizar com precisão essas células. Como você pode gerar esses tecidos tridimensionais, como mantê-los vivos e como transplantá-los? É aí que entram os aspectos biológicos dos problemas, nos quais você precisa agora imitar exatamente o tecido.

Temos abordagens atuais que permitem imprimir um islote, um islote pancreático, e utilizar células de músculo liso para imprimir um tecido da bexiga, imitando diretamente o que existe na bexiga humana ou na bexiga vermelha, de modo que possamos produzir esse tecido e testar seu desempenho em comparação com os tecidos nativos existentes no mundo real. Esse é, creio eu, o principal desafio: como, utilizando essas tecnologias inovadoras, produzir o tecido ideal que possa ser substituído, que possa ser transplantado? Esse é o maior problema desde o início, porque o controle em nível de célula única oferece a capacidade de posicioná-las com precisão. E então, como você faz para cultivá-lo a partir desse ponto?

Então, é algo transplantável onde ocorre o impacto sobre a vida humana. Do lado da engenharia de tecidos, os desafios envolvem a encapsulação e os diagnósticos usando microfluídica, sendo o principal desafio a capacidade de capturar uma única célula entre bilhões de células. É como se você tivesse uma partícula de açúcar em uma lata de sal e estivesse tentando retirar exatamente aquela partícula de açúcar, o que equivale a uma em um bilhão.

Então você está processando microlitros a mililitros de sangue total e deseja ser capaz de, de forma específica e eficiente, sem problemas tecnológicos como entupimento ou problemas biológicos como ligação inespecífica, isolar uma única célula entre bilhões de células em um microlitro de sangue total, no qual há alguns milhões de células. E, no caso dos linfócitos T CD4 nesse microlitro, estamos buscando cerca de mil células por microlitro. Portanto, trata-se de um problema do tipo uma célula em mil, no qual demonstramos ser viável.

Mas quando se deseja isolar células tumorais circulantes para o câncer, o desafio passa a ser um em um bilhão. Então, para resumir, o desafio é: como capturar essa única célula entre bilhões de outras ao seu redor? E quais são os aspectos tecnológicos envolvidos?

Quais são as taxas de fluxo? Qual é o design do dispositivo? O que, quais são as taxas de fluxo?

Quais são os volumes de sangue que precisam ser processados e como você garante que as células capturadas são realmente aquelas que desejava isolar? Todos esses aspectos formaram o desafio geral, que pode ser resumido em uma única frase: como capturar aquela única célula rara entre bilhões de outras? Trata-se, na verdade, de um problema do tipo "procurar uma agulha no palheiro", o que é empolgante.

E acho que fazer avançar as tecnologias para resolver esses problemas é o desafio tecnológico atual. Conseguir elevá-las a um nível em que realizem a função para a qual foram projetadas é uma coisa. E então levá-las para a clínica e transformá-las em um produto exige competências completamente diferentes, como saber como abrir uma empresa, como patentear essas invenções e todos esses outros aspectos entram em cena.

E acho que nós, como cientistas, em geral não possuímos todas as habilidades necessárias para transformar produtos do estágio inicial em produtos prontos para o mercado. Por isso, surge novamente a importância das colaborações com pessoas que têm formações diferentes. E existem muitas tecnologias disponíveis que, acredito, poderiam ser muito impactantes e úteis.

Às vezes, eles não chegam à clínica ou ao uso da humanidade, seja porque simplesmente não aconteceu, não era o momento certo, ou porque outros efeitos entraram em cena, como acabei de mencionar. Ou, às vezes, não há uma ligação direta evidente que mostre que a tecnologia poderia realmente resolver aquele problema. E a pessoa que lida com o problema, ou digamos, os biólogos ou profissionais da medicina, estão acostumados a fazê-lo de uma determinada maneira há muitos anos.

E as pessoas da área de tecnologia, principalmente se você não tiver um foco em biotecnologia, geralmente não conhecem os problemas da medicina. Portanto, reunir esses dois lados constitui uma pesquisa interdisciplinar séria. E acho que nos últimos anos, toda a ênfase, tanto no nível dos NIH quanto naquela que observamos em laboratórios de pesquisa e universidades, tem sido gerar pesquisas interdisciplinares.

Assim, as pessoas acabam obtendo doutorados nos quais precisam dominar múltiplas áreas. Por exemplo, para o meu doutorado, eu precisava conhecer acústica, precisava conhecer MEMS, precisava conhecer microfluídica e precisava aplicar tudo isso a polímeros. Então, agora você vê uma espécie de profundidade de conhecimento em uma única área, na qual era necessário dominar bem, na verdade, outras três áreas para conseguir resolver aquele problema.

Portanto, acho que a resposta está na pesquisa interdisciplinar combinada com pessoas que possuem habilidades empresariais para torná-la disponível para uso pelas pessoas; é um processo amplo, com algumas ineficiências que surgem em determinados pontos, causando essa baixa porcentagem de transferência de tecnologia.