Pesquisadores do MIT Media Lab projetaram uma antena em miniatura que pode operar sem fio dentro de uma célula viva, abrindo possibilidades em diagnósticos e tratamentos médicos e outros processos científicos devido ao potencial da antena para monitorar e até direcionar a atividade celular em tempo real.
“O aspecto mais empolgante desta pesquisa é que somos capazes de criar ciborgues em escala celular”, diz Deblina Sarkar, professora assistente e presidente de desenvolvimento de carreira da AT&T no MIT Media Lab e chefe do Nano-Cybernetic Biotrek Lab. “Somos capazes de fundir a versatilidade da tecnologia da informação no nível das células, os blocos de construção da biologia”.
Um artigo descrevendo a pesquisa foi publicado hoje na revista Nature Communications.
A tecnologia, batizada de Cell Rover pelos pesquisadores, representa a primeira demonstração de uma antena que pode operar dentro de uma célula e é compatível com sistemas biológicos 3D. As interfaces bioeletrônicas típicas, diz Sarkar, têm milímetros ou mesmo centímetros de tamanho, e não são apenas altamente invasivas, mas também não fornecem a resolução necessária para interagir com células únicas sem fio – especialmente considerando que alterações em até mesmo uma célula podem afetar um organismo inteiro.
A antena desenvolvida pela equipe de Sarkar é bem menor que uma célula. De fato, na pesquisa da equipe com células oocitárias, a antena representou menos de 0,05% do volume da célula, colocando-a bem abaixo de um tamanho que poderia invadir e danificar a célula.
Encontrar uma maneira de construir uma antena desse tamanho para funcionar dentro de uma célula foi um desafio fundamental.
Isso ocorre porque as antenas convencionais precisam ser comparáveis em tamanho ao comprimento de onda das ondas eletromagnéticas que transmitem e recebem. Esses comprimentos de onda são muito grandes – eles representam a velocidade da luz dividida pela frequência da onda. Ao mesmo tempo, aumentar a frequência para reduzir essa proporção e o tamanho da antena é contraproducente porque altas frequências produzem calor prejudicial ao tecido vivo.
A antena desenvolvida pelos pesquisadores do Media Lab converte ondas eletromagnéticas em ondas acústicas, cujos comprimentos de onda são cinco ordens de magnitude menores – representando a velocidade do som dividida pela frequência da onda – do que as ondas eletromagnéticas.
Esta conversão de ondas eletromagnéticas para ondas acústicas é realizada fabricando as antenas em miniatura usando material que é conhecido como magnetostritivo. Quando um campo magnético é aplicado à antena, alimentando-a e ativando-a, os domínios magnéticos dentro do material magnetostritivo se alinham ao campo, criando tensão no material, da mesma forma que pedaços de metal entrelaçados em um pedaço de pano podem reagir a um ímã forte, causando o pano para se contorcer.
Quando um campo magnético alternado é aplicado à antena, a variação de tensão e tensão (pressão) produzida no material é o que cria as ondas acústicas na antena, diz Baju Joy, estudante do laboratório de Sarkar e principal autor deste trabalho. “Nós também desenvolvemos uma nova estratégia usando um campo magnético não uniforme para introduzir os rovers nas células”, acrescenta Joy.
Configurada dessa maneira, a antena pode ser usada para explorar os fundamentos da biologia à medida que os processos naturais ocorrem, diz Sarkar. Em vez de destruir células para examinar seu citoplasma, como normalmente é feito, o Cell Rover poderia monitorar o desenvolvimento ou divisão de uma célula, detectando diferentes substâncias químicas e biomoléculas, como enzimas, ou mudanças físicas, como na pressão celular – tudo em tempo real e na Vivo.
Materiais como polímeros que sofrem alteração de massa ou estresse em resposta a alterações químicas ou biomoleculares – já usados em pesquisas médicas e outras – podem ser integrados à operação do Cell Rover, segundo os pesquisadores. Tal integração poderia fornecer insights não oferecidos pelas atuais técnicas observacionais que envolvem a destruição da célula.
Com essas capacidades, os Cell Rovers podem ser valiosos na pesquisa de câncer e doenças neurodegenerativas, por exemplo. Como explica Sarkar, a tecnologia pode ser usada para detectar e monitorar alterações bioquímicas e elétricas associadas à doença ao longo de sua progressão em células individuais. Aplicada no campo da descoberta de medicamentos, a tecnologia pode iluminar as reações de células vivas a diferentes medicamentos.
Por causa da sofisticação e escala de dispositivos nanoeletrônicos como transistores e interruptores – “representando cinco décadas de tremendos avanços no campo da tecnologia da informação”, diz Sarkar – o Cell Rover, com sua mini antena, pode realizar funções que vão desde para computação intracelular e processamento de informações para exploração autônoma e modulação da célula. A pesquisa demonstrou que vários Cell Rovers podem ser engajados, mesmo dentro de uma única célula, para se comunicar entre si e fora das células.
“O Cell Rover é um conceito inovador, pois pode incorporar tecnologia de sensoriamento, comunicação e informação dentro de uma célula viva”, diz Anantha P. Chandrakasan, reitor da Escola de Engenharia do MIT e Professor Vannevar Bush de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação. “Isso abre oportunidades sem precedentes para diagnósticos, terapias e descoberta de medicamentos extremamente precisos, além de criar uma nova direção na interseção entre biologia e dispositivos eletrônicos”.
Os pesquisadores nomearam sua tecnologia de antena intracelular Cell Rover para invocar, como a de um rover de Marte, sua missão de explorar uma nova fronteira.
“Você pode pensar no Cell Rover”, diz Sarkar, “como uma expedição, explorando o mundo interior da célula”.
Publicado em 24/09/2022 00h41
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