Como eles mudarão os cuidados com a saúde
23 de maio de 2023 – Imagine o dia em que uma simples injeção faz com que um osso quebrado cicatrize. Quando dispositivos minúsculos e ingeríveis permanecem no corpo, despercebidos, rastreando nossa saúde ou fornecendo medicamentos que salvam vidas. Quando os implantes de cérebro e coração se misturam com a carne de forma tão perfeita que o corpo pensa que eles estiveram lá o tempo todo.
Esses são os sonhos dos cientistas de materiais que trabalharam por décadas para imitar a arquitetura complexa do corpo humano na esperança de substituir partes quebradas ou tratar doenças.
O problema, dizem os bioengenheiros, é que a maioria das peças de reposição e corretivas – de próteses a marcapassos – são feitas de materiais duros, secos e sem vida, como metal ou plástico, enquanto o tecido biológico é macio, úmido e vivo.
O corpo sabe a diferença e tende a rejeitar imitações.
Entram os hidrogéis, redes tridimensionais de moléculas inchadas com – por definição – água.
Descrito pela primeira vez em 1960 pelos criadores de lentes de contato gelatinosas, essas estranhas substâncias que mudam de forma são capazes de se transformar de líquido em sólido para um meio-termo mole. (Os primeiros usos simples incluem gel de cabelo ou gelatina). Lento para ganhar atenção, crescendo para apenas 1.000 estudos publicados em 1982, eles se tornaram objeto de intenso estudo recentemente, com 100.000 papéis total publicado até 2020, e 3.800 já só este ano.
À medida que químicos, biólogos e engenheiros começam a trabalhar mais uns com os outros e com médicos, o crescente campo de hidrogel está prestes a transformar a maneira como tomamos medicamentos e tratamos articulações desgastadas e abre caminho para um futuro aparentemente de ficção científica em quais órgãos, incluindo cérebros, podem interagir diretamente com máquinas.
“Somos, essencialmente, hidrogéis”, disse Benjamin Wiley, PhD, professor de química da Duke University em Durham, NC. “À medida que as pessoas desenvolvem novos hidrogéis que se aproximam mais dos tecidos do nosso corpo, seremos capazes de tratar uma série de doenças que não podíamos tratar antes.”
De lentes de contato a implantes cerebrais
Simplificando, um hidrogel é como um saco de malha de água.
A malha é feita de polímeros, ou fios de moléculas semelhantes a espaguete, costurados em um padrão repetitivo e inchados com H2O, muito parecido com a forma como as matrizes 3D em nosso corpo cercam, sustentam e dão estrutura às nossas células e tecidos.
“Imagine uma rede de futebol, com todas essas longas fibras entrelaçadas para criar a rede”, disse Eric Appel, PhD, professor associado de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Stanford.
Embora a categoria mais ampla de “géis” possa ser preenchida com qualquer coisa, incluindo solventes químicos, a água é o principal ingrediente que diferencia os hidrogéis, tornando-os ideais para, como dizem alguns cientistas, “fundir humanos e máquinas”.
Os ossos humanos são cerca de 25% de água, enquanto os músculos giram em torno de 70% e o cérebro é de 85%. O precioso líquido desempenha uma série de funções críticas, desde transportar nutrientes para dentro e para fora até ajudar as células a se comunicarem umas com as outras.
Os hidrogéis feitos em laboratório podem ser carregados com carga (como uma bola na rede), incluindo células ou drogas que ajudam a imitar algumas dessas funções.
Os hidrogéis também são macios e flexíveis como a carne. Assim, se usados em implantes, eles podem ser menos propensos a danificar o tecido circundante.
“Pense em uma colher de metal em sua tigela de pudim. Conforme você agita a tigela, a colher não fica no lugar e você fica com marcas ao redor da colher”, disse Christina Tringides, PhD, cientista de materiais que estuda engenharia neural. Isso, diz ela, é exatamente o que acontece com os implantes cerebrais quando os pacientes respiram ou se movem. “É uma incompatibilidade mecânica. Mas com hidrogéis, você pode obter uma combinação mecânica perfeita”.
Os hidrogéis também tendem a não ser tóxicos, portanto, o sistema imunológico pode ter menos probabilidade de atacá-los como corpos estranhos.
Tudo isso fez dos hidrogéis a nova queridinha do mundo da bioengenharia.
“Houve uma explosão absoluta de interesse por esses materiais”, disse Appel.
Distribuição de medicamentos mais inteligente e eletrônicos ingeríveis
As primeiras versões de hidrogéis eram grossas e pegajosas, dificultando sua entrada no corpo.
“Pense em um bloco de gelatina. Você não poderia injetar algo assim”, disse Appel.
Mas Appel, cujo laboratório desenvolve novos sistemas de administração de medicamentos, vem mexendo com fórmulas de gel há anos, na esperança de que essas bolhas de alta tecnologia possam um dia transportar medicamentos de liberação programada para o local certo do corpo.
Seus novos hidrogéis começam como géis totalmente formados (que ajudam a preservar o conteúdo da droga) dentro de uma seringa. Mas uma vez que o êmbolo é empurrado, eles magicamente mudam de forma para um líquido fino o suficiente para fluir facilmente através de uma agulha padrão. Ao sair, eles imediatamente se transformam em géis, protegendo a carga inerente da degradação.
Isso pode mudar o jogo em um momento em que muitos medicamentos de ponta – como Humira para artrite ou Ozempic para diabetes tipo 2 – são feitos de proteínas de degradação rápida muito grandes e complexas para simplesmente serem colocadas em uma pílula. Em vez disso, eles devem ser injetados, muitas vezes com frequência.
“Como o gel leva meses para se dissolver, ele libera lentamente a droga ao longo do tempo”, disse Appel. “Você poderia ir de uma injeção uma vez por semana para uma vez a cada 4 meses.”
Esses hidrogéis de liberação lenta podem fazer com que as vacinas durem mais, ensinando, por sua vez, o corpo a resistir melhor às variantes emergentes do vírus e fornecer terapias de eliminação de tumores com mais precisão, disse Appel, que formou uma startup e espera acelerar o primeiro medicamento à base de hidrogel. sistema de entrega para ensaios clínicos dentro de alguns anos.
Enquanto isso, outra equipe do Instituto de Tecnologia de Massachusetts adotou uma abordagem diferente, desenvolvendo uma pílula de hidrogel ingerível de tamanho padrão que incha como um baiacu no estômago, durando um mês e liberando drogas lentamente o tempo todo. Para remover a pílula, o paciente simplesmente bebe uma solução à base de sal que murcha o dispositivo do tamanho de uma bola de pingue-pongue para que possa ser eliminado do corpo.
Em um papel em Natureza Comunicaçõesos cientistas mostraram que a pílula do baiacu também pode ser carregada com pequenas câmeras ou monitores para rastrear condições como úlceras ou câncer.
“O sonho é ter uma pílula inteligente parecida com gelatina que, uma vez ingerida, permaneça no estômago e monitore a saúde do paciente”, disse Xuanhe Zhao, PhD, pesquisador do projeto e professor associado de engenharia mecânica no MIT. .
Construindo Articulações e Reconstruindo Ossos
Desde a década de 1970, os pesquisadores têm pensado em usar hidrogéis para substituir a cartilagem humana, um tecido notavelmente forte e flexível feito de cerca de 90% de água, mas capaz de suportar o peso de um carro em uma área do tamanho de uma moeda.
Até recentemente, esses esforços falharam em grande parte. Ou seja, quando a cartilagem do joelho se desgasta, coisas como transplantes de cartilagem, furos para estimular um novo crescimento ou substituições totais das articulações – todas as quais requerem reabilitação prolongada – são as únicas opções.
Mas isso pode estar prestes a mudar.
Wiley e seus colegas da Duke relataram recentemente que desenvolveram o primeiro substituto de cartilagem à base de gel ainda mais forte e durável do que o real.
Ao anexar seu hidrogel a um suporte de titânio para ajudar a mantê-lo no lugar, eles esperam reparar a cartilagem danificada “da mesma forma que um dentista preenche uma cavidade” muito antes de a cirurgia ser necessária.
Eles também fizeram parceria com a indústria para trazer seu hidrogel ao mercado – começando pelos joelhos.
“Em última análise, o objetivo é fazer qualquer articulação – quadris, tornozelos, dedos das mãos e pés”, disse Wiley.
Na Universidade de Toronto, a química Karina Carneiro, PhD, e o dentista Christopher McCulloch, DDS, também estão pensando grande.
Em um artigo recente em Anais da Academia Nacional de Ciências, eles descrevem um hidrogel, desenhado por Carneiro e feito de DNA, que pode ser injetado, migrar para um defeito no osso – uma ruptura irreparável, um buraco de uma cirurgia ou um maxilar murcho pela idade – e preencher a lacuna como massa de vidraceiro. Mas não apenas remenda o buraco, mas também faz com que o osso se regenere.
Em ratos com buracos no crânio devido à cirurgia, eles descobriram que o tratamento não funcionou tão bem quanto o padrão-ouro existente para reparar buracos no osso – enxerto de osso de outras partes do corpo. Mas funcionou.
“Estes são os primeiros dias para os hidrogéis de DNA”, alertou McCulloch, coautor do estudo e professor da Faculdade de Odontologia, observando que provavelmente levará uma década ou mais até que essa tecnologia esteja disponível para os pacientes. “Mas existe o potencial de que o hidrogel de DNA possa um dia crescer osso sem ter que passar por procedimentos cirúrgicos altamente invasivos. Isso é um avanço significativo.”
Um futuro de ficção científica
Talvez as aplicações potenciais mais loucas e estranhas de hidrogéis estejam no domínio da interação homem-máquina.
Várias empresas já estão se interessando por próteses neurais ou interfaces de computador cerebral que podem algum dia, por exemplo, permitir que alguém paralisado e incapaz de falar escreva em um laptop usando seus pensamentos.
O problema da colher na gelatina tem sido um grande obstáculo.
Mas Tringides, que recentemente obteve seu PhD em biofísica em Harvard, está trabalhando nisso.
Ela e sua equipe desenvolveram um hidrogel à base de algas marinhas carregado com pequenas partículas de nanomateriais que podem não apenas se fundir perfeitamente no tecido cerebral mole, mas também conduzir eletricidade.
Dentro de uma década, ela diz, isso poderia substituir os discos de metal de platina desajeitados usados para eletrocorticografia – registrando a atividade elétrica no cérebro para identificar onde as convulsões começam ou fazendo uma cirurgia cerebral precisa.
Em 30 a 50 anos? Deixe sua imaginação correr solta.
“Eu sou um cético. Gosto de fazer a pesquisa passo a passo”, disse ela. “Mas as coisas estão definitivamente progredindo em uma direção interessante.”
