Bomba inspirada no acordeão abre uma nova era para a tecnologia «laboratório num chip»
Um dispositivo pioneiro reproduz as formas de onda do fluxo sanguíneo humano em laboratório, abrindo novas perspetivas para o estudo das doenças vasculares, a descoberta de medicamentos e a segurança das viagens espaciais
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Há mais de 25 anos que a tecnologia «lab-on-a-chip» tem permitido aos investigadores modelar órgãos e vasos sanguíneos humanos, utilizando células humanas reais em ambientes microscópicos artificiais. Estes sistemas microfisiológicos (MPS) podem replicar células humanas e imitar órgãos ou mesmo sistemas orgânicos completos em inúmeras condições. Tornaram-se fundamentais para o estudo de tudo, desde doenças cardíacas até à eficácia de novos medicamentos.
No entanto, têm sido limitados por uma grande restrição: a incapacidade de recriar com precisão as formas de onda do fluxo sanguíneo provenientes do coração humano.
«Há décadas que nos esforçamos por encontrar um sistema de perfusão realmente estável», afirmou o Dr. Abhishek Jain, professor associado de engenharia biomédica e bolseiro da cátedra Barbara e Ralph Cox ’53 na Universidade do Texas A&M. «O fluxo sanguíneo humano resultante dos batimentos cardíacos é composto por múltiplos pulsos e múltiplos comprimentos de onda, e ocorre num período de tempo muito curto: é necessária uma alteração no fluxo no espaço de 50 milissegundos. Isso não pode ser proporcionado pelo equipamento de bombagem atualmente disponível.»
A forma de onda do fluxo sanguíneo — e a reação das células a ela — está no cerne de inúmeros problemas de saúde. Quando o padrão de onda do fluxo sanguíneo se altera devido a doença, idade ou mesmo à gravidade zero, as células endoteliais que revestem todos os vasos sanguíneos do corpo começam a apresentar comportamentos celulares patológicos, levando eventualmente a doenças potencialmente fatais.
Agora, Jain e o Dr. Ankit Kumar, que acaba de obter o seu doutoramento em engenharia biomédica na Texas A&M, desenvolveram o HemaDyne, uma bomba pioneira no seu género, capaz de replicar na perfeição o fluxo sanguíneo em qualquer tipo de condição e em qualquer parte do corpo. O seu trabalho foi publicado na revista *Nature Communications*.
«O que esta bomba faz é permitir-nos utilizar qualquer forma de onda do fluxo sanguíneo registada numa clínica, proveniente de qualquer doente ou vaso sanguíneo, e recriar essa forma de onda no laboratório, onde pode ser observada», explicou Kumar. «Com isso, é possível ver como as células endoteliais se comportam nessas condições. É possível investigar o início das doenças vasculares e a forma como estas se desenvolvem, para que possam ser tratadas com terapêuticas numa fase precoce.
«É até possível recolher células de doentes humanos e colocá-las dentro dos chips, para testar diferentes medicamentos e determinar qual a melhor forma de resolver precocemente estas perturbações associadas ao fluxo sanguíneo, impedindo que evoluam para doenças graves que alteram a vida das pessoas décadas mais tarde.»
A inspiração para este dispositivo foi um estudante a tocar acordeão no campus de College Station da Texas A&M. Embora tanto Jain como Kumar tivessem crescido a ver regularmente harmónios — instrumentos semelhantes ao acordeão frequentemente tocados em musicais de Bollywood —, só quando viram o estudante desconhecido a tocar um deles no exterior de um edifício de engenharia do campus é que a física do instrumento lhes fez subitamente sentido.
«Reparámos que o acordeão tem esses foles no meio que se podem expandir e contrair. É esta geometria que permite criar pressão de ar sem grande esforço», explicou Jain. «Existem bombas que utilizam o fluxo de pressão de ar, mas nenhuma delas tirou partido desta física ou geometria, que permite ao músico criar formas de onda muito rapidamente. Formulámos a hipótese: e se utilizássemos esse princípio de variação da pressão de ar para criar fluxo?»
Kumar e Jain começaram a investigar as potenciais aplicações das dobras em acordeão no laboratório. Embora os instrumentos de acordeão sejam caros, a mesma geometria é utilizada nos dispensadores de cola de plástico em forma de «garrafa de acordeão» — disponíveis por menos de 1 dólar cada. Munidos dos princípios científicos exatos que procuravam, os investigadores começaram a transformar o dispensador de cola num sistema capaz de gerar formas de onda de pressão, tal como as harmonias musicais. A resposta acabou por ser as impressoras 3D.
«Existe uma grande comunidade de código aberto dedicada à impressão 3D, por isso peguei emprestado o firmware das impressoras 3D», disse Kumar. «É uma linguagem chamada G-code. Consegui usar essa linguagem para efetuar medições das formas de onda do fluxo sanguíneo de um doente — convertê-las em G-code — e, em seguida, produzir essas formas de onda no laboratório, permitindo-nos estudar doenças vasculares complexas.»
Desvendar as origens das doenças vasculares é apenas uma pequena parte do potencial do dispositivo. A capacidade de modelar com precisão as condições de qualquer doença mensurável utilizando células humanas num dispositivo pequeno e facilmente transportável poderá impulsionar tudo, desde a descoberta de novos medicamentos até às viagens espaciais.
«É possível manter estes sistemas a funcionar durante meses. É possível enviá-los para o espaço e trazê-los de volta. É possível modelar doenças crónicas», afirmou Jain. «Isto abriu as portas para o surgimento de novas tecnologias. Daqui a cinco anos, ter sistemas MPS ligados a esta tecnologia de bomba poderá torná-los robustos e padronizados a um ponto que permita ensaios clínicos de boa-fé, em que as hipóteses de sucesso serão significativamente mais elevadas do que são atualmente. Isso significa melhores medicamentos, um melhor conhecimento das doenças humanas, um melhor conhecimento do que acontece à saúde dos astronautas quando vão para o espaço e regressam, e um melhor conhecimento do envelhecimento e do cancro.»
A investigação foi realizada com o apoio da NASA, que considera a tecnologia um componente promissor para viagens humanas seguras a Marte.
«Somos verdadeiramente abençoados por termos o financiamento da NASA e dos seus parceiros para podermos realizar este tipo de trabalho de grande impacto com os nossos estudantes de engenharia biomédica, tanto de licenciatura como de mestrado», afirmou Jain. «Este é um exemplo de como a engenharia de instrumentação pode impulsionar a biologia. Este dispositivo irá impulsionar novas descobertas biológicas.»
O dispositivo está a ser patenteado com a ajuda do Gabinete de Inovação da Texas A&M.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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