Um novo dispositivo criado na Universidade de Notre Dame emprega um método inovador para “ouvir” as conversas das células.



Os cientistas sabem há muito tempo que o RNA (ácido ribonucléico) atua como um mensageiro dentro das células, traduzindo as informações do DNA para ajudar as células a produzir proteínas.

Mas recentemente, os cientistas descobriram que certos tipos de RNA se aventuram fora da parede celular. Cada uma dessas cadeias de “RNA extracelular”, ou exRNA, fica dentro de uma pequena “garrafa” transportadora e flui ao longo dos fluidos corporais como uma mensagem microscópica em uma garrafa, transportando informações para outras células.

A nova apreciação do exRNA também levantou uma possibilidade tentadora:poderíamos usar o exRNA como uma forma de “ouvir” as conversas das células?

“Esses RNAs extracelulares são uma mina de ouro de informações”, disse Hsueh-Chia Chang, professor de Engenharia Química e Biomolecular da Bayer na Universidade de Notre Dame. “Eles podem transmitir os primeiros sinais de alerta de câncer, doenças cardíacas, HIV e outras condições potencialmente fatais”.

Chang, especialista em nanofluídica, explica que diagnosticar uma doença usando exRNA pode ser não apenas mais eficaz, mas também mais rápido e mais barato do que os métodos existentes, uma vez que há exRNA suficiente em uma pequena amostra de sangue ou outro fluido corporal para sinalizar a presença de muitos doenças.

Mas interceptar e interpretar mensagens de exRNA tem sido um desafio difícil. Muitos laboratórios tentaram filtrá-los de amostras de sangue ou outros fluidos corporais. Muitos outros usaram centrífugas avançadas para isolar exRNA. Esses métodos tiveram pouco sucesso por um motivo simples:os diferentes tipos de “garrafas” que carregam mensagens de exRNA se sobrepõem em tamanho e peso.

Mesmo os filtros e centrífugas mais avançados deixam muitos transportadores confusos. Os laboratórios que usam esses métodos precisam adicionar etapas adicionais nas quais adicionam produtos químicos ou pequenas partículas magnéticas para classificar ainda mais os transportadores em grupos discretos.

Há quatro anos, Chang e uma equipe de pesquisadores da Notre Dame decidiram tentar uma abordagem radicalmente nova, e sua ideia recebeu apoio do Fundo Comum dos Institutos Nacionais de Saúde, que seleciona promissores "empreendimentos inovadores, de alto risco e com potencial para um impacto extraordinário."

Chang foi acompanhado por três outros membros do corpo docente da Notre Dame:Crislyn D'Souza-Schorey, professora de Ciências Biológicas da Morris Pollard; David Go, vice-presidente e reitor associado de estratégia acadêmica e professor Viola D. Hank de Engenharia Aeroespacial e Mecânica; e Satyajyoti Senapati, professor associado pesquisador do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular. O pós-doutorado Himani Sharma atuou como líder do projeto, e o estudante de graduação em engenharia química e biomolecular Vivek Yadav ajudou a conduzir a pesquisa.

Em um estudo publicado no ACS Nano , Sharma, Chang e seus colegas descrevem o dispositivo inovador que resultou de sua pesquisa.

A nova tecnologia utiliza uma combinação de pH (acidez/basicidade) e carga elétrica para separar os transportadores. A ideia baseia-se no facto de que, embora os transportadores se sobreponham em tamanho e peso, cada tipo tem um “ponto isoeléctrico” distinto – o pH, ou nível de acidez/basicidade, no qual não tem carga positiva ou negativa.

O dispositivo integra diversas tecnologias existentes desenvolvidas em Notre Dame e cabe perfeitamente na palma da mão.

Fluindo pelo meio do dispositivo está o que parece ser um simples jato de água. Mas há algo especial no riacho que não é visível a olho nu. No lado esquerdo, a água é altamente ácida, com pH quase igual ao de um copo de suco de toranja. Do outro lado do riacho, a água é altamente básica, com pH semelhante ao de uma garrafa de amônia.

Uma característica especial do dispositivo não é apenas o fato de possuir um gradiente de pH no fluxo, mas também como ele atinge esse gradiente. A tecnologia é capaz de gerar o gradiente sem a adição de quaisquer produtos químicos, tornando-a mais barata, mais ecológica e mais eficiente de operar do que designs que dependem de ácidos e bases adicionados.

O gradiente não vem de um produto químico, mas de uma membrana bilateral alimentada por um chip especialmente projetado. A membrana divide a água em dois íons (H ⁺ e OH ^- ) e adiciona um tipo diferente de íon a cada lado do fluxo. Um lado da membrana libera íons hidrônio ácidos e o outro lado libera íons hidróxido básicos.

Quando as correntes básicas e ácidas fluem juntas, elas criam um gradiente de pH, assim como as correntes quentes e frias fluindo juntas formariam lados quentes e frios com um gradiente de temperatura no meio da corrente. A equipe usou os dois dispositivos funcionando em paralelo para selecionar a faixa de pH necessária para a separação do transportador e otimizou o processo usando aprendizado de máquina.

O gradiente de pH alcançou o que filtros e centrífugas não conseguiram:fez com que os transportadores de exRNA flutuando na corrente se classificassem como as cores da luz passando por um prisma. Os diferentes tipos de portadores formaram linhas ao longo de seus pontos isoelétricos, onde poderiam facilmente fluir para saídas separadas.

Graças ao novo método, a equipa de investigação conseguiu gerar amostras muito puras (até 97% puras) utilizando menos de um mililitro de plasma sanguíneo, saliva ou urina. O processo também foi extremamente rápido em comparação com os métodos atuais. Enquanto as melhores tecnologias existentes levam cerca de um dia para conseguir a separação, a equipe da Notre Dame conseguiu classificar de forma abrangente a sua amostra em apenas meia hora.

“Nós solicitamos uma patente e em breve esperamos que a tecnologia seja comercializada, para que possa ajudar a melhorar o diagnóstico de câncer e outras doenças”, disse Sharma, que ganhou vários prêmios por seu trabalho no estudo da Harper Cancer Research da Notre Dame. Instituto.

“As doenças não transmissíveis são responsáveis ​​por mais de 70% das mortes em todo o mundo, e as doenças cardiovasculares e o cancro são responsáveis ​​pela maior parte desse número”, disse Sharma. “Nossa tecnologia mostra um caminho para melhorar a forma como os médicos diagnosticam essas doenças, e isso poderia salvar um enorme número de vidas”.

Mais informações: Himani Sharma et al, Uma plataforma escalonável de fracionamento isoelétrico de alto rendimento para nanocarreadores extracelulares:isolamento abrangente e livre de preconceitos de ribonucleoproteínas de plasma, urina e saliva, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c01340
Informações do diário: ACS Nano

Fornecido pela Universidade de Notre Dame