Ao combinar múltiplas tecnologias avançadas em um único sistema, os pesquisadores da EPFL deram um passo significativo no diagnóstico de doenças neurodegenerativas (NDDs), como a doença de Parkinson (DP) e a doença de Alzheimer (DA).



Este novo dispositivo é conhecido como sensor ImmunoSEIRA, uma tecnologia de biossensor que permite a detecção e identificação de biomarcadores de proteínas mal dobradas associados a NDDs. A pesquisa, publicada em Science Advances , também aproveita o poder da inteligência artificial (IA), empregando redes neurais para quantificar os estágios e a progressão da doença.

Este avanço tecnológico significativo é promissor não só para a detecção precoce e monitorização de DNT, mas também para avaliar as opções de tratamento em vários estágios da progressão da doença.

O tratamento de doenças neurodegenerativas enfrenta um desafio significativo devido à falta de métodos de diagnóstico eficazes para detecção precoce e monitorização da progressão da doença. O enrolamento incorreto de proteínas, um mecanismo comum na neurodegeneração, foi identificado como um evento chave na progressão da doença.

A hipótese é que as proteínas saudáveis ​​se dobram primeiro em oligômeros nos estágios iniciais e em fibrilas nos estágios posteriores da doença. Esses agregados de proteínas mal dobrados circulam no cérebro e nos biofluidos e também se acumulam como depósitos nos cérebros de pacientes falecidos com NDD. Mas o desenvolvimento de ferramentas para detectar estes sinais reveladores de doenças – conhecidos como biomarcadores – permaneceu indefinido até agora. Os obstáculos para uma detecção precisa são múltiplos, incluindo os limites da tecnologia atual para separar e quantificar com precisão diferentes agregados de proteínas.

Combinando diversas tecnologias avançadas em um sensor

Para criar este sensor avançado de biomarcador NDD, pesquisadores do Laboratório de Sistemas Bionanofotônicos (BIOS) do Professor Hatice Altug e do Laboratório de Neurobiologia Molecular e Neuroproteômica (LMNN) do Professor Hilal Lashuel combinaram vários campos da ciência:bioquímica de proteínas, optofluídica, nanotecnologia e inteligência artificial ( IA).

"Ao contrário das abordagens bioquímicas atuais que dependem da medição dos níveis destas moléculas, a nossa abordagem centra-se na deteção das suas estruturas anormais. Esta tecnologia também nos permite diferenciar os níveis das duas principais formas anormais implicadas no desenvolvimento e progressão dos NDDs, os oligómeros e fibrilas", diz Lashuel

O sensor ImmunoSEIRA emprega uma tecnologia chamada espectroscopia de absorção infravermelha de superfície aprimorada (SEIRA). Este método permite aos cientistas detectar e analisar as formas de moléculas específicas associadas a doenças, conhecidas como biomarcadores, associadas a doenças neurodegenerativas. O sensor é equipado com um imunoensaio exclusivo, que atua como um detetive molecular, identificando e capturando esses biomarcadores com alta precisão.

“Em nosso artigo, apresentamos uma solução tecnológica que integra nanoplasmônica, nanofabricação de salas limpas, microfluídica, imunoensaio, IA e métodos bioquímicos avançados”, diz Ph.D. aluno e principal autor do artigo Deepthy Kavungal. "Nosso sensor ImmunoSEIRA apresenta sensibilidade estrutural e capacidade de monitorar um painel de biomarcadores complementares com alta especificidade a partir de pequenos volumes de amostras em biomatrizes complexas."

Unindo o poder da nanotecnologia e da inteligência artificial

O sensor ImmunoSEIRA apresenta matrizes de nanobastões de ouro com anticorpos para detecção de proteínas específicas. Ele permite a captura específica em tempo real e a análise estrutural de biomarcadores alvo de amostras extremamente pequenas. As redes neurais, um subconjunto de algoritmos de IA, são então empregadas para identificar a presença de formas específicas de proteínas mal dobradas, os agregados oligoméricos e fibrilares, alcançando um nível sem precedentes de precisão de detecção à medida que as doenças progridem.

Lashuel acredita que este é um avanço significativo na detecção de doenças, acrescentando que, "uma vez que o processo da doença está intimamente associado a alterações na estrutura das proteínas, acreditamos que os biomarcadores estruturais, especialmente quando integrados com outros biomarcadores bioquímicos e de neurodegeneração, poderiam abrir caminho para diagnóstico mais preciso e monitoramento da progressão da doença."

A equipe de pesquisa da EPFL deu um passo além para mostrar que o sensor ImmunoSEIRA pode ser usado em ambientes clínicos reais, ou seja, em biofluidos. Eles foram capazes de identificar com precisão a assinatura específica de fibrilas anormais, um indicador-chave de doenças neurodegenerativas, mesmo em fluidos complexos como o líquido cefalorraquidiano humano (LCR).

O professor Altug explica que o próximo passo com esta nova tecnologia “é continuar a expandir as suas capacidades e avaliar o seu potencial diagnóstico na doença de Parkinson e no número crescente de doenças causadas pelo mau enrolamento e agregação de proteínas”.

Os resultados deste estudo marcam um avanço significativo nas áreas de biossensor, espectroscopia infravermelha, nanofotônica e biomarcadores de doenças neurodegenerativas. A implantação do sensor ImmunoSEIRA auxiliado por IA é um avanço bem-vindo para a detecção precoce de NDD, monitoramento de doenças e avaliação da eficácia de medicamentos, atendendo à necessidade crítica de intervenção e tratamento oportunos de doenças neurodegenerativas.

Mais informações: Deepthy Kavungal et al, Sensor infravermelho plasmônico acoplado à inteligência artificial para detecção de biomarcadores de proteínas estruturais em doenças neurodegenerativas, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg9644
Informações do diário: Avanços da Ciência

Fornecido pela École Polytechnique Federale de Lausanne