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Pesquisadores criam sensor de ureia para pacientes com problemas cardíacos

Escrito por Letícia Nani

maio 31, 2023

Cientistas do Instituto de Física de São Carlos (IFSC) da USP, do Instituto de Química de São Carlos (IQSC) da USP e do Instituto do Coração (Incor) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da USP (FMUSP) desenvolveram um pequeno dispositivo capaz de quantificar a ureia presente no suor. O objetivo era criar um mecanismo não invasivo para monitorar pacientes com risco cardíaco, com a vantagem de fornecer informações em tempo real.

A elevação dos níveis de ureia no sangue pode ser um sinal de diminuição da atividade dos rins, já que é através deles que essa substância é excretada. Se os rins não funcionam adequadamente, podem reter o sódio no corpo e aumentar a pressão arterial, o que sobrecarrega o músculo do coração. Em pacientes cardíacos, é importante monitorar regularmente os níveis de ureia e de outros marcadores para prevenir complicações.

Um pequeno adesivo equipado com sensores é colado na testa ou em outra parte do corpo em que haja transpiração. “O objetivo no longo prazo é desenvolver um dispositivo que permita prever se pessoas com problemas cardíacos têm piora e se precisariam ser hospitalizadas”, conta Gisela Ibañez Redin, que fez pós-doutorado no IFSC e é uma das autoras do estudo. Por ser barato, o adesivo pode ser trocado várias vezes ao dia, mas também poderia ser lavado e reutilizado sem prejuízo. O estudo demonstrou também que o biossensor funciona sob estresse mecânico, como quando há uma dobra na pele. Isso possibilita a utilização em regiões como axilas e dobra do joelho.

O sensor eletroquímico mede o aumento de pH no suor, ou seja, quando ele fica mais alcalino e menos ácido. Essa mudança está relacionada à degradação da ureia na presença da enzima urease. A reação produz amônia, que tem caráter básico responsável pela elevação do pH. Por esse motivo, um dos desafios para a calibração do sensor foram as pequenas variações de acidez no suor de pessoa para pessoa. A chave para obter resultados precisos seria medir o pH do suor antes que a degradação da ureia ocorresse.

Outro desafio foi preservar as substâncias durante a aferição. “Uma das tarefas mais importantes ao projetar biossensores é conseguir um material que permita que aquela biomolécula mantenha a sua função por um tempo relativamente grande”, conta Osvaldo Novais de Oliveira Junior, que orientou os pesquisadores do IFSC. “Parte do nosso trabalho, que já é antigo, é descobrir como manter a função das biomoléculas. Elas estão acostumadas a estar em ambiente aquoso. Quando você tem um sensor que é seco, ela rapidamente pode perder a função.”

Os problemas foram superados adicionando um eletrodo de referência junto com dois eletrodos de trabalho, um para ureia e outro para o pH, separados por uma distância de 2 milímetros. Para imobilizar a enzima responsável por catalisar a degradação da ureia em um dos eletrodos de trabalho, foi usada tinta à base de quitosana, um polímero que preserva a estabilidade da enzima. Assim, o dispositivo consegue medir o sinal tanto da ureia quanto do pH, o que permite fazer a correção.

Os cientistas fizeram testes em amostras de suor artificial e depois em amostras reais de suor de voluntários. Nos dois experimentos, o dispositivo conseguiu detectar a ureia com precisão, sem ser afetado por outras substâncias na mistura. Oliveira Junior explica que o trabalho de verificar se outras substâncias estão interferindo nas medidas é essencial. “O suor é um fluido complicado, que tem muitas substâncias. É preciso tomar cuidado para que uma não seja confundida com outra.”

Sistemas semelhantes para outros marcadores

Trabalhos como esse do mesmo grupo de pesquisa têm sido feitos a fim de atender às demandas clínicas do Incor, buscando monitorar outros marcadores do sangue de maneira não invasiva e dinâmica. Os pesquisadores buscam parcerias com agentes do mercado que façam a produção desses dispositivos em grande escala.

A elevação de ureia no sangue surge quando há diminuição da capacidade dos rins de filtrar o sangue das substâncias tóxicas. Gisela Redin conta que medir os níveis de ureia é uma forma indireta de monitorar o estado do risco cardíaco. “Os pacientes com insuficiência renal têm maiores chances de desenvolver doenças cardíacas, porque o rim também processa eletrólitos e outras moléculas que são importantes para o funcionamento do coração”. A pesquisadora ressalta que os eletrólitos, sódio e potássio, são os responsáveis pelas contrações no coração. A ideia é que o sódio e o potássio também sejam monitorados através de um só dispositivo.

Nesse sentido, o nível de ureia é apenas um dos marcadores que podem ser monitorados sem a coleta de sangue. A solução criada é parte de um projeto maior da USP para viabilizar dispositivos vestíveis para capturar e processar biomarcadores, como relata ao Jornal da USP o professor Marco Antonio Gutierrez, da FMUSP. “Nós estamos desenvolvendo eletrônica para que esses dispositivos possam captar sinais diferentes em nossos pacientes e métodos que permitam analisá-los continuamente.” Uma das preocupações é que os mecanismos sejam viáveis financeiramente para o uso no sistema público de saúde.

Exames para medir fatores como esses são parte da rotina dos hospitais. O monitoramento a distância ajuda a evitar a ida desnecessária de pacientes aos centros de saúde e expô-los a infecções do ambiente hospitalar. “Queremos disponibilizar ao nosso paciente um aplicativo no smartphone, por exemplo, que passe a medida de ureia de maneira não invasiva e que envie esses dados para a nossa infraestrutura de prontuário eletrônico e acompanhamento dos pacientes”, explica Gutierrez.

Os projetos são liderados pelo Laboratório de Genética e Cardiologia Molecular e pelo Laboratório de Informática Biomédica da FMUSP. O trabalho de engenharia de dispositivos, com registro na Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa) e disponibilização no mercado, requer o investimento de empresas ou instituições interessadas. Embora não existam ainda parcerias, a maior parte do caminho já foi traçada pelos pesquisadores.

Os sensores podem ser produzidos em massa usando técnicas de revestimento slot-die. “A técnica consiste na deposição de filmes finos sobre substratos flexíveis continuamente, de forma automatizada”, conta Giovana Rosso, que foi pós-doutoranda do IQSC e também é colaboradora do projeto. “Nós escolhemos essa técnica porque a taxa de cisalhamento para a deposição da biotinta é baixa. Isso quer dizer que a ferramenta de deposição não exerce uma pressão muito alta sobre as biomoléculas e também não existe fricção devido ao não contato da biotinta com o substrato. Isso poderia fazer com que as biomoléculas perdessem sua função, que é a degradação da ureia.” Gisela Redin acrescenta que nem todos os sensores podem ser fabricados usando esse tipo de técnica. “Por isso, nós também trabalhamos em formular tintas e biotintas que poderiam ser depositadas com a técnica slot-die e esse foi um trabalho adicional da nossa parte.”

A máquina utilizada para a produção do sensor usa tecnologia roll-to-roll (R2R) e foi fruto do trabalho de doutorado de Leonardo Dias Cagnani na USP. Hoje ela é fabricada pela DevelopNow, uma empresa em São Carlos fundada a partir do Programa Fapesp Pesquisa Inovativa em Pequenas Empresas (Pipe), da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp).

A pesquisa teve o apoio da Fapesp, do Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes), do Instituto Nacional de Eletrônica Orgânica (Ineo) e do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Assistida por Computação Científica (INCT-Macc).

Mais informações: e-mails giovanarosso84@gmail.com, com Giovana Rosso Cagnani; gibanezredin@alumni.usp.br, com Gisela Ibañez Redin; chu@ifsc.usp.br com Osvaldo Novais de Oliveira Junior e marco.gutierrez@hc.fm.usp.br, com Marco Antonio Gutierrez

Via: Jornal da USP

 

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