Estudante de graduação cria seringa inteligente para bioimpressão

Às vezes, um pesquisador vai ao laboratório e sai com uma descoberta. Às vezes, essa descoberta recebe uma patente. Muito raramente o processo também envolve um estudante de graduação, um avanço potencial para impressão biomédica e terapia celular, e uma pequena ajuda de Bill Nye ’77, o cara da ciência.

Como um ambicioso aluno do segundo ano, Jared Matthews ’21 estava procurando um projeto de pesquisa e abordou Lawrence Bonassar, o professor Daljit S. e Elaine Sarkaria em Engenharia Biomédica e em Engenharia Mecânica e Aeroespacial na Cornell Engineering.

Juntos, eles criaram um sensor inteligente que se conecta à ponta de uma seringa para medir, em tempo real, a concentração e a viabilidade das células que passam por ele — um dispositivo que permitiria que cirurgiões e biofabricantes produzissem implantes de maior qualidade de tecido vivo, até mesmo órgãos.

“Muitas invenções saem desta universidade”, disse Bonassar. “Poucas delas envolvem alunos de graduação, e muitas delas não aconteceram durante a COVID. A maioria dos nossos colegas nem tinha alunos de graduação no campus no outono de 2020. E aqui temos um aluno de graduação não apenas no campus, mas trabalhando em um laboratório e inventando e patenteando algo que pode ser realmente impactante.”

Por duas décadas, o laboratório de Bonassar vem fazendo tecnologia de bioimpressão que combina células com materiais como tinta de hidrogel para fabricar novos tecidos vivos e órgãos que funcionam melhor do que implantes inanimados. Mas ao trazer essa tecnologia do laboratório para a clínica, um problema persistente permaneceu.

“Um dos verdadeiros desafios na fabricação é o controle de qualidade”, disse Bonassar. “Se você vai imprimir algo que está vivo com células, a primeira coisa que você precisa saber é quantas células estão nele? E qual fração delas está viva?”

Tentativas anteriores de fazer esses tipos de medições com bioimpressão se basearam em detectores ópticos, que medem a luz refletida nas células à medida que elas são espremidas por um canal. No entanto, essas abordagens exigem que a concentração de células seja baixa, limitando muito a gama de aplicações às quais essa ideia é aplicável e frustrando tentativas de construir qualquer coisa com alta densidade celular, como órgãos. E isso não poderia ser feito em tempo real.

‘Uma ideia maluca’

Quando Matthews chegou a Cornell como calouro, ele já tinha uma área de interesse — engenharia biomédica — e uma vantagem inicial em pesquisa. Durante seu último ano do ensino médio no centro de Massachusetts, ele trabalhou para o professor Farshid Guilak da Universidade de Washington, analisando imagens de tomografia computadorizada de amostras biológicas e construindo aparelhos de laboratório especializados que combinavam software CAD e impressão 3D.

Ao ser aceito em Cornell, Matthews visitou o campus em abril de 2017 e fez uma jogada ousada. Ele parou no escritório do colega próximo de Guilak, Larry Bonassar.

“Eu estava tipo, cara, eu provavelmente deveria começar a fazer um pouco de networking. Eu pensei que estava sendo inteligente”, disse Matthews. “Era de manhã cedo, e ele estava em seu escritório. Nós nos sentamos e conversamos por uma ou duas horas, o que, você não sabe quando tem 18 anos, mas é um grande compromisso para um professor. E eu acho que foi um sinal do que estava por vir.”

Dois anos depois, como aluno do segundo ano de engenharia mecânica, Matthews voltou para Bonassar com um pedido específico. Havia algum projeto de pesquisa em que Matthews pudesse trabalhar?

O que Bonassar teve, em suas próprias palavras, foi “uma ideia maluca” que ele vinha chutando por um longo tempo, mas não tinha sido capaz de investigar. Enquanto seu laboratório demonstrou com sucesso a impressão 3D de tecido vivo com materiais homogêneos para orelhas e cartilagem de substituição, o próximo passo era fazer isso para estruturas mais sofisticadas e funcionais, ou seja, órgãos e pele.

O projeto tinha um escopo maior do que um aluno de graduação tradicionalmente enfrentaria, mas Matthews achou o desafio atraente. Isso não quer dizer que não fosse um pouco assustador.

“Foi minha primeira experiência realmente lendo um artigo de pesquisa”, disse Matthews. “Eu não sabia o que estava lendo. Mas eu estava tipo, sabe, vou tentar.”

Desenvolver um novo método não seria apenas um exercício acadêmico, ele reconheceu, mas um “dispositivo muito aplicado e útil na prática, com implicações na indústria para a fabricação de tecidos em escala”.

Bonassar e Matthews fizeram um brainstorming de ideias e chegaram a um modo alternativo de detecção: espectroscopia de impedância dielétrica (DIS), em que um par de eletrodos cria uma corrente. Como as membranas celulares não são permeáveis ​​à carga, a corrente seria forçada a circular pelas células à medida que seus íons internos se polarizassem.

Essa combinação de efeitos criaria uma assinatura de impedância única para cada célula, que poderia ser medida para determinar o número de células, seu tamanho, integridade e densidade.

Era um design inteligente, de fato. Só precisava ser construído. E testado. E estudado.

Como Matthews estava imerso em seus estudos de graduação, ele não teve muito tempo livre durante o semestre para tirar o projeto do papel. Então, ele se candidatou e recebeu uma bolsa da Engineering Learning Initiatives para trabalhar no laboratório durante o verão de 2019.

Além de cobrir suas despesas de vida e pesquisa, a bolsa tinha algum prestígio extra. Ela veio de uma doação feita por Bill Nye.

Como bolsista Nye de 2019, Matthews teve a oportunidade de conhecer o “cara da ciência” pessoalmente naquele verão e contar a ele um pouco sobre a seringa inteligente e seu impacto potencial.

“Ele disse: ‘Bem, vá em frente e mude o mundo.’ Isso deixou uma impressão em mim, com certeza”, disse Matthews. “Foi uma ótima pequena introdução ao meu trabalho de pesquisa, ter uma celebridade apoiando-o.”

‘Algo meio especial’

No final do outono de 2019, Matthews construiu um protótipo, conduziu os experimentos iniciais e apresentou o trabalho em andamento para a Biomedical Engineering Society na Filadélfia. Mas os meses seguintes não seriam tão tranquilos.

Em março de 2020, a pandemia atingiu, descarrilando todas as pesquisas e atividades no campus. Então Matthews mudou de direção e focou na análise de dados e na revisão da literatura relevante para colocar seus resultados experimentais em contexto.

“Você não recebe apenas uma resposta sim ou não do dispositivo. Ele não diz apenas se funcionou ou não. Você recebe formas de onda, sinal, haverá ruído, artefatos, e você tem que interpretar isso no contexto da química física e dos algoritmos que você usou para processá-lo”, disse Matthews.

“Não era um problema de engenharia mecânica pura. Ele vinha de muitos campos diferentes. Você tinha que saber, em algum nível de competência, teoria de controle e teoria de interface de química, dinâmica de fluidos. Todas essas disciplinas se juntavam, e você tinha que ser capaz de lidar com elas individualmente.”

Quando Matthews estava pronto para se formar, na primavera de 2021, “sabíamos que tínhamos algo especial”, disse Bonassar. “Foi quando divulgamos para Cornell e registramos as patentes provisórias.”

Três anos após o envio do pedido, a patente foi emitida em junho. Pela contagem de Bonassar, esta é sua 25ª patente. Ele nunca teve uma aprovada tão rapidamente.

“Tivemos patentes que levaram sete anos para passar pelo processo. Para as pessoas que sabem, dois a três anos do pedido inicial até a emissão é bem rápido”, disse ele. “O que isso geralmente significa é que não há muito parecido, e não fomos atingidos com, ‘Oh, parece que sete outras pessoas tentaram coisas assim, por que a sua é diferente?’ Minha impressão é que realmente não há muito por aí onde as pessoas estejam fazendo avaliações de propriedades celulares nessas concentrações realmente altas.”

Além de capturar 2.000 medições diferentes em tempo real, o dispositivo cria uma série de loops de feedback que podem ajudar a controlar a taxa de fluxo e a temperatura conforme a viabilidade celular muda. Isso por si só seria revolucionário para o campo da bioimpressão, mas o dispositivo também tem aplicações em outros campos.

Hospitais em países em desenvolvimento poderiam usá-lo para obter contagens sanguíneas instantâneas em pacientes. Médicos poderiam administrar infusões precisas de células, medula óssea e lipos para terapia celular, tratamento de câncer ou para medicina regenerativa.

“Se pudermos medir isso, em vez de dizer: ‘Bem, entregue 10 CCs desta solução que achamos que tem um milhão de células por CC’, agora você pode fazer um dispositivo que entrega apenas 10 milhões de células e depois para”, disse Bonassar.

O laboratório de Bonassar colaborou com o Dr. Jason Spector, professor de cirurgia plástica na Weill Cornell Medicine, para demonstrar como a seringa inteligente pode auxiliar em amostras clínicas.

Depois que Matthews se formou em Cornell, ele foi para a Georgia Tech, onde estendeu o que havia aprendido com o projeto da seringa inteligente para desenvolver mais dispositivos médicos de última geração, como biossensores macios e vestíveis e plataformas remotas de telemedicina para otimizar a força e o metabolismo, e monitoramento cardiovascular. Mesmo quando a tecnologia era diferente, as habilidades subjacentes eram as mesmas: resolução de problemas, interpretação de dados, apresentação de descobertas para um público cético.

Essa experiência em pesquisa, por sua vez, o levou ao seu cargo atual na GE HealthCare, desenvolvendo grandes redes neurais para otimizar o atendimento ao paciente.

Agora, ele e Bonassar estão avaliando suas opções para comercializar a seringa inteligente, embora, em muitos aspectos, ela já tenha sido um sucesso.

“Eu não estaria aqui, privilegiado por fazer o que faço, sem ter trabalhado no projeto da seringa inteligente, especificamente com Larry”, disse Matthews. “Ele concede muita autonomia, ele confia em seus alunos, e isso passa para o aluno.

“Larry sempre esteve lá como um plano de fundo para ajudar a conduzir o projeto quando ele começou a se desviar. Lembro que ele disse que um design que eu tinha era ‘ortogonal’, significando que era perpendicular à direção que deveríamos seguir. Ninguém nunca tinha me dito isso antes. Foi entregue tão bem que não fiquei chateado com isso. Foi tipo, OK, vamos tentar algo diferente. Foi uma experiência meio humilhante dessa forma.”

O tempo que ele passou no laboratório de Bonassar valeu a pena de outras maneiras também. Foi lá que, no verão de 2019, ele conheceu outra pesquisadora de graduação, Emily Jiang ’20. Ela agora é sua noiva.

“Esse é um final feliz”, disse Matthews.