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Biossensores podem reduzir custos no diagnóstico e na prevenção de doenças

Publicado em 23 setembro 2019

Por Cristina Sanches

O principal objetivo dos biossensores é melhorar a triagem dos pacientes, agilizar seu atendimento, facilitar terapias e reduzir os riscos das medicações

Os biossensores, ou dispositivos eletroanalíticos, são pequenos dispositivos em que um elemento de reconhecimento biológico é imobilizado em um transdutor físico-químico

O desenvolvimento de biossensores para fins clínicos atraiu interesse científico nos últimos anos devido à necessidade de criação de dispositivos de testes manuais rápidos e simples em medicina. Segundo análises do Global Biosensors Market, o mercado global de biossensores, avaliado em aproximadamente US$ 16,34 bilhões em 2016, deve crescer mais de 9,3% ao longo do período de previsão 2018-2025, chegando a mais de US$ 36 bilhões em 2025. Recentes avanços tecnológicos no campo da medicina, numerosas aplicações de biossensores, aumento do número de pacientes diabéticos e outros que exigem diagnóstico precoce e alta demanda por dispositivos de diagnóstico de pequena escala são os principais fatores que impulsionam o crescimento desse mercado.

Os biossensores, ou dispositivos eletroanalíticos, são pequenos dispositivos em que um elemento de reconhecimento biológico é imobilizado em um transdutor físico-químico. Os transdutores podem ser eletroquímicos, magnéticos, piezoelétricos, termométricos, e os elementos de reconhecimento podem ser proteínas, ácidos nucleicos, bactérias.1

“Esses dispositivos se utilizam das propriedades elétricas ou eletroquímicas para gerarem um sinal elétrico que, por sua vez, está relacionado a circuitos eletrônicos, como os contidos em computadores. Os dispositivos eletroanalíticos, então, fazem uso de sinais elétricos advindos das reações químicas com uma finalidade analítica, ou seja, de analisarem um determinado processo ou reação química que pode ser útil como informação clínica ou analítica”, explica o professor Paulo Bueno, coordenador do Nanobionics, grupo de pesquisa do Instituto de Química da Universidade Estadual Paulista (Unesp), campus Araraquara. Sob sua orientação, o grupo desenvolve estruturas químicas sintéticas e superfícies moleculares que reproduzem (ou copiam) estruturas biológicas, visando aplicações em dispositivos capazes de realizar diagnóstico de doenças a um baixo custo.

Os biossensores têm uma ampla gama de aplicações, desde clínicas até ambientais, sendo usados também na indústria de alimentos. Alguns exemplos dos campos que usam a tecnologia dos dispositivos eletroanalíticos incluem: monitoramento geral de saúde, rastreio de doenças, análise clínica e diagnóstico de doenças, aplicações veterinárias e agrícolas, processamento e monitoramento industrial e controle de poluição ambiental.

Novas perspectivas na área de saúde

A área da medicina vem se beneficiando dessa tecnologia, com diversas linhas de pesquisa em andamento. O principal objetivo dos biossensores é melhorar a triagem dos pacientes, agilizar seu atendimento, facilitar terapias e reduzir os riscos das medicações. Eles podem ser utilizados no monitoramento de doenças crônicas, análises genéticas e rastreamento de fármacos, detecção de doenças e até para prevenir o câncer, entre tantas outras aplicações. Uma das principais vantagens desses dispositivos são o baixo custo, o fácil manuseio, a rapidez de resposta e a fácil utilização. Hoje, os mais conhecidos são os medidores de glicose, os chamados glicômetros, que fazem uso de sinais elétricos para analisarem o nível de glicose no sangue. Mas as oportunidades de uso vão muito além disso.

“Os biossensores podem ser usados para monitorar pacientes, por exemplo, em cirurgias de alto risco, quando pode ocorrer uma trombose durante o procedimento. O biossensor é capaz de monitorizar a terapêutica de anticoagulação na sala cirúrgica. A conveniência e a portabilidade deste sistema permitem determinar o valor de INR (Razão Normalizada Internacional) a partir de uma gota de sangue, em qualquer lugar, apresentando resultados rápidos e confiáveis, em tempo real, evitando o envio de amostras de sangue para o laboratório convencional, o que seria inviável durante a cirurgia”, explica Nirton Cristi Silva Vieira, professor adjunto na Universidade Federal de São Paulo – Campus São José dos Campos.

O grupo de pesquisadores da equipe do professor Bueno atualmente pesquisa fundamentos que permitam generalizar o conceito do glicômetro para detectar qualquer tipo de molécula ou anticorpo, o que permitirá generalizar e miniaturizar os equipamentos de laboratório clínicos que fazem uso de amostras biológicas de sangue. A ideia, diz ele, é que no futuro possam ser criados dispositivos do tamanho de um aparelho celular capaz de realizar o diagnóstico de doenças como câncer até doenças degenerativas como o Alzheimer.

Bueno também diz que os biossensores podem, por exemplo, detectar e diferenciar entre zika, dengue e chikungunya. Sua equipe está desenvolvendo esse projeto, em parceria com o Reino Unido e apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp). “Devido ao fato de que o diagnóstico pode ser feito usando anticorpos ou DNA em nível molecular, há muito que pode ser feito em termos de desenvolvimento do diagnóstico molecular. Potencialmente, podemos realizar, conforme a tecnologia fique mais madura, qualquer tipo de diagnóstico hoje comercial e que é realizado em laboratório clínico. A diferença é que podemos torná-los baratos e personalizadas, sem depender de um laboratório clínico. O próprio paciente, com o auxílio de um médico para orientá-lo como proceder, poderá ‘autodiagnosticar-se’”, ressalta Bueno.

Vieira reforça a ideia de que os biossensores construídos à base de anticorpos e antígenos podem ser transformados em aparelhos acessíveis e portáteis, similares aos que são usados para medir o nível de glicose no sangue. “Os biossensores já estão transferindo a assistência médica centralizada em laboratório para uma assistência descentralizada no ponto de atendimento, o que oferece uma agilidade e praticidade que se refletem em um diagnóstico mais rápido, o que é fundamental para agilizar o tratamento em casos, principalmente, de doenças graves. Hoje, o diagnóstico tradicional coleta uma amostra do paciente e a envia para um laboratório de análise externo. O paciente deve retornar após alguns dias para obter os resultados. Com o teste no ponto de atendimento, o paciente obtém resultados dentro de algumas horas. E o mais importante: são testes seguros e confiáveis”, ressalta.

Vieira comenta ainda que os biossensores estão se tornando mais importantes devido ao envelhecimento da população e à preocupação com as doenças crônicas. “O monitoramento, para esse paciente, é fundamental para manter a saúde e a qualidade de vida. Acredito que, no futuro, os biossensores serão usados para diagnosticar várias doenças, talvez nem todas, mas muitas delas.”

Desafios

Segundo Vieira, a demora na aprovação do uso dos biossensores pela Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa) é um dos maiores desafios para a utilização desses dispositivos no dia a dia. “O fato de serem baratos e de fácil manuseio representa um grande benefício para o paciente e também para o sistema de saúde brasileiro.”

Além disso, ele comenta que há pouca interação entre as indústrias e os centros de pesquisa para que os projetos possam ser efetivados. “No Brasil, ainda nos ressentimos do financiamento privado. Em outros países, o processo de transferência de tecnologia recebe mais incentivos.”

No tocante à biocamada, eles podem ser classificados em:

– Biossensores enzimáticos: usam enzimas como elementos biorreceptores, como é o caso da oxidase de glicose utilizada na medição de glicose no sangue. Além do uso de oxidase de glicose, várias outras enzimas são utilizadas na construção de biossensores, tais como a urase, a penicilinase e a dehidrogenase de álcool;

– Imunobiossensores: são biossensores que monitoram as interações do par anticorpo-antígeno, nas quais o anticorpo ou o antígeno são imobilizados na superfície. Os imunobiossensores podem facilitar a regeneração do componente imobilizado, maximizando, assim, o uso do reagente, que no caso dos dispositivos convencionais pode ser utilizado apenas uma única vez. A sensibilidade de um imunobiossensor depende da afinidade e da especificidade da ligação e do ruído do sistema transdutor. Entre os analitos que podem ser investigados pelos imunobiossensores estão os hormônios (esteroides e pituitários), drogas, vírus, bactérias e poluentes ambientais (pesticidas, por exemplo);

– Biossensores celulares: utilizam microrganismos, especialmente, para o monitoramento ambiental de poluentes. As células são incorporadas à superfície de um eletrodo, sendo o princípio de operação muito semelhante aos biossensores enzimáticos, contudo apresentam custo reduzido, maior atividade catalítica e estabilidade.

Já conforme o transdutor, eles podem ser classificados em:

– Biossensores eletroquímicos: consistem de dois componentes – um elemento biológico que reconhece o analito alvo e o transdutor (eletrodo) que “traduz” o evento de biorreconhecimento em um sinal elétrico útil. Os biossensores eletroquímicos podem ser de três tipos: potenciométrico, amperométrico e condutométrico;

– Biossensores ópticos: se baseiam em mudanças nas propriedades ópticas das substâncias com o objetivo de monitorar a concentração do analito. Entre as propriedades ópticas que podem ser utilizadas estão: absorção, índice de refração, fluorescência, fosforescência, refletividade e comprimento de onda. Entre as vantagens desses biossensores estão o seu tamanho reduzido, a velocidade de resposta, a facilidade de integração, imunidade a ruído eletromagnético, boa biocompatibilidade e não necessidade de elementos ativos na biocamada;

– Biossensores acústicos: são baseados na propriedade da piezo-eletricidade que os cristais anisotrópicos (quartzo, por exemplo) possuem. Quando é aplicada uma tensão alternada a este biossensor, o cristal oscila com uma determinada frequência, que geralmente está associada à massa e às constantes elásticas do cristal. O mais antigo e conhecido biossensor acústico é a Microbalança de Cristal de Quartzo (QCM – Quartz-Crystal Microbalance), que é utilizada em várias aplicações e é também facilmente integrável;

– Biossensores calorimétricos: usam o calor gerado por reações catalisadoras de enzimas exotérmicas para medir a concentração do analito. As mudanças de temperatura são geralmente determinadas por termistores de alta sensibilidade.

Referências bibliográficas:

1. Gil ED, de Melo GR. Electrochemical biosensors in pharmaceutical analysis. Brazilian Journal of Pharmaceutical Sciences 2010; vol.46, nº3:375–391.

2. Malhotra BD, Turner APF. Advances in biosensors, Elsevier Science, vol. 5, 2003.

3. Nakamura H, Karube I. Current research activity in Biosensors, Anal. Bional. Chem. vol. 377, pp. 446-468, 2003.