Implantes cerebrais terapêuticos que viajam pelo sangue desafiam a necessidade de cirurgia

E se os médicos pudessem colocar pequenos chips eletrônicos no cérebro que estimulassem eletricamente um alvo preciso, através de uma simples injeção no braço? Um dia, isso poderá ajudar a tratar doenças cerebrais mortais ou debilitantes, ao mesmo tempo que elimina riscos e custos relacionados à cirurgia.

Os pesquisadores do MIT deram um grande passo para tornar este cenário uma realidade. Eles desenvolveram bioeletrônica microscópica e sem fio que poderia viajar pelo sistema circulatório do corpo e se auto-implantar de forma autônoma em uma região-alvo do cérebro, onde forneceriam tratamento direcionado.

Num estudo em ratos, os investigadores mostraram que, após a injeção, estes minúsculos implantes podem identificar e viajar para uma região específica do cérebro sem a necessidade de orientação humana. Uma vez lá, eles podem ser alimentados sem fio para fornecer estimulação elétrica à área precisa. Essa estimulação, conhecida como neuromodulação, tem se mostrado promissora como forma de tratar tumores cerebrais e doenças como Alzheimer e esclerose múltipla.

Além disso, como os dispositivos eletrónicos são integrados com células biológicas vivas antes de serem injetados, não são atacados pelo sistema imunitário do corpo e podem atravessar a barreira hematoencefálica, deixando-a intacta. Isso mantém a proteção crucial da barreira do cérebro.

Os investigadores demonstraram a utilização desta tecnologia, a que chamam “circulatrónica”, para combater a inflamação cerebral, um factor importante na progressão de muitas doenças neurológicas. Eles mostram que os implantes podem fornecer neuromodulação localizada nas profundezas do cérebro, alcançando alta precisão, dentro de vários mícrons ao redor da área alvo.

Além disso, os implantes biocompatíveis não danificam os neurônios circundantes.

Embora os implantes cerebrais geralmente exijam centenas de milhares de dólares em custos médicos e procedimentos cirúrgicos arriscados, a tecnologia circulatrônica tem o potencial de tornar os implantes cerebrais terapêuticos acessíveis a todos, eliminando a necessidade de cirurgia, diz Deblina Sarkar, professora associada de desenvolvimento de carreira da AT&T no MIT Media Lab e no MIT Center for Neurobiological Engineering, chefe do Nano-Cybernetic Biotrek Lab e autora sênior de um estudo sobre o trabalho.

Ela é acompanhada no artigo pelo autor principal Shubham Yadav, um estudante de pós-graduação do MIT, bem como por outros do MIT, do Wellesley College e da Universidade de Harvard. A pesquisa está publicada em Biotecnologia da Natureza.

Implantes híbridos

A equipe trabalha em circulatrônica há mais de seis anos. Os dispositivos eletrônicos, cada um com cerca de um bilionésimo do comprimento de um grão de arroz, são compostos de camadas de polímeros semicondutores orgânicos imprensadas entre camadas metálicas para criar uma heteroestrutura eletrônica.

Eles são fabricados usando processos compatíveis com CMOS nas instalações do MIT.nano e, em seguida, integrados a células vivas para criar híbridos de célula-eletrônica. Para fazer isso, os pesquisadores retiram os dispositivos do wafer de silício em que são fabricados, para que flutuem livremente em uma solução.

“Os componentes eletrônicos funcionaram perfeitamente quando foram fixados ao substrato, mas quando os retiramos originalmente, eles não funcionaram mais. Resolver esse desafio levou mais de um ano”, diz Sarkar.

A chave para sua operação é a alta eficiência de conversão de energia sem fio dos minúsculos componentes eletrônicos. Isso permite que os dispositivos funcionem profundamente no cérebro e ainda aproveitem energia suficiente para a neuromodulação.

Os pesquisadores usaram uma reação química para ligar os dispositivos eletrônicos às células. No novo estudo, eles fundiram a eletrônica com um tipo de célula imunológica chamada monócitos, que tem como alvo áreas de inflamação no corpo. Eles também aplicaram um corante fluorescente, permitindo rastrear os dispositivos à medida que cruzavam a barreira hematoencefálica intacta e se auto-implantavam na região alvo do cérebro.

Embora tenham explorado a inflamação cerebral neste estudo, os pesquisadores esperam usar diferentes tipos de células e projetar as células para atingir regiões específicas do cérebro.

“Nosso híbrido célula-eletrônica funde a versatilidade da eletrônica com o transporte biológico e a capacidade de detecção bioquímica das células vivas”, diz Sarkar. “As células vivas camuflam os componentes eletrônicos para que não sejam atacadas pelo sistema imunológico do corpo e possam viajar perfeitamente pela corrente sanguínea. Isso também permite que elas passem pela barreira hematoencefálica intacta sem a necessidade de abri-la de forma invasiva.”

Ao longo de cerca de quatro anos, a equipe tentou vários métodos para cruzar a barreira hematoencefálica de forma autônoma e não invasiva antes de aperfeiçoar essa técnica de integração celular.

Além disso, como os dispositivos circulatrônicos são tão pequenos, eles oferecem uma precisão muito maior do que os eletrodos convencionais. Eles podem se auto-implantar, levando a milhões de locais de estimulação microscópica que assumem o formato exato da região alvo.

Seu pequeno tamanho também permite que os dispositivos biocompatíveis vivam ao lado dos neurônios sem causar efeitos nocivos. Através de uma série de testes de biocompatibilidade, os pesquisadores descobriram que a circulatrônica pode integrar-se com segurança entre os neurônios sem afetar os processos cerebrais por trás da cognição ou do movimento.

Depois que os dispositivos são auto-implantados na região alvo, um médico ou pesquisador usa um transmissor externo para fornecer ondas eletromagnéticas, na forma de luz infravermelha próxima, que alimentam a tecnologia e permitem a estimulação elétrica dos neurônios.

Visando doenças mortais

O laboratório Sarkar está atualmente trabalhando no desenvolvimento de sua tecnologia para tratar múltiplas doenças, incluindo câncer no cérebro, doença de Alzheimer e dor crônica.

O tamanho minúsculo e as capacidades de auto-implantação dos dispositivos circulatrônicos podem torná-los adequados para tratar cânceres cerebrais, como o glioblastoma, que causa tumores em vários locais, alguns dos quais podem ser pequenos demais para serem identificados com técnicas de imagem. Eles também podem fornecer novos caminhos para o tratamento de cânceres especialmente mortais, como o glioma pontino intrínseco difuso, um tipo agressivo de tumor encontrado no tronco cerebral que geralmente não pode ser removido cirurgicamente.

“Esta é uma tecnologia de plataforma e pode ser empregada para tratar múltiplas doenças cerebrais e mentais”, diz Sarkar. “Além disso, esta tecnologia não se limita apenas ao cérebro, mas também pode ser estendida a outras partes do corpo no futuro”.

Os pesquisadores esperam levar a tecnologia para testes clínicos dentro de três anos por meio da recém-lançada startup Cahira Technologies.

Eles também estão explorando a integração de circuitos nanoeletrônicos adicionais em seus dispositivos para permitir funcionalidades, incluindo detecção, análise de dados no chip com base em feedback e recursos como a criação de neurônios eletrônicos sintéticos.

“Nossos minúsculos dispositivos eletrônicos se integram perfeitamente aos neurônios e coexistem e coexistem com as células cerebrais, criando uma simbiose única entre cérebro e computador. Estamos trabalhando com dedicação para empregar essa tecnologia no tratamento de doenças neurais, onde medicamentos ou terapias padrão falham, para aliviar o sofrimento humano e imaginar um futuro onde os humanos possam transcender as doenças e as limitações biológicas”, diz Sarkar.

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.