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Por favor, você poderia se apresentar e nos dizer o que inspirou sua última pesquisa sobre microrrobôs?

Meu nome é Birgül Akolpoglu, e sou pesquisador de doutorado no Departamento de Inteligência Física do Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-IS) (Stuttgart, Alemanha), onde trabalho em microalgas e microrrobôs baseados em bactérias para aplicações médicas sob o supervisão do Prof. Metin Sitti. Conduzimos esse trabalho com nossos colegas do mesmo departamento e foi co-liderado por um ex-pós-doc, Yunus Alapan, que atualmente é engenheiro de pesquisa na Georgia Tech.

Eu estava muito interessado em ciência de materiais como estudante de Engenharia Química em meus anos de graduação, fazendo vários cursos de química de polímeros e física de polímeros. Então, meu supervisor de graduação me apresentou o aspecto biológico desses materiais e como podemos projetar materiais sintéticos adaptados para aplicações biomédicas, como tecnologia de implantes, transportadores de medicamentos e engenharia de tecidos. Decidi continuar os meus estudos numa intersecção entre engenharia e biologia e concluí o mestrado em Engenharia Química e Biológica. Foi lá que aprendi todas as habilidades de laboratório úmido para experimentos biológicos, desenvolvi meu conhecimento básico em muitos tópicos, incluindo biologia celular e administração de medicamentos, e desenvolvi um grande interesse em biotecnologia. Eu queria perseguir meus sonhos de fazer pesquisas que eventualmente impactariam a vida humana,

Ouvi falar da pesquisa do Prof. Sitti no MPI-IS através do meu orientador de mestrado e assisti a uma de suas palestras na minha universidade. Fiquei tão impressionado e um novo mundo se abriu para mim: micro-robótica médica. O fato de que um dia a humanidade possa se beneficiar dessas entidades de micro/nanoescala para terapias não invasivas se tornou um tópico de pesquisa fascinante para mim. Fiquei sabendo das principais pesquisas realizadas no MPI-IS e no Departamento de Inteligência Física, que é o que mais me atraiu aqui.

Atualmente, estou interessado em combinar agentes biológicos com materiais sintéticos para descobrir novas funcionalidades em micro-robótica médica. Eu trabalho em microalgas e microrrobôs baseados em bactérias para aplicações médicas. Em nossos laboratórios, preparamos esses minúsculos nadadores integrando unidades artificiais (nanopartículas, moléculas de drogas, etc.) .

Durante anos, uma abordagem terapêutica disponível para o câncer tem sido a terapia tumoral mediada por bactérias. No entanto, os cientistas tentaram aumentar seu poder nos últimos anos, mas tem sido um desafio. Por que isso acontece e como seu novo microrrobô biohíbrido pode ajudar a superar alguns desses desafios?

Como você mencionou em sua pergunta, as bactérias do tipo selvagem foram encontradas para conter certas propriedades anticancerígenas há mais de um século, com o trabalho pioneiro do Dr. William Coley, que tem sido a base do que chamamos de terapia tumoral mediada por bactérias. Desde então, bactérias geneticamente modificadas também foram pesquisadas para terapia do câncer devido ao seu direcionamento específico para regiões tumorais e ativação de respostas imunes antitumorais no corpo do hospedeiro.

No entanto, o maior desafio aqui é controlar o grau de estimulação imunológica. Isso precisa de monitoramento porque a superestimulação pode levar a outras toxicidades e danos nos tecidos fora do alvo. Portanto, é imperativo equilibrar a estimulação imunológica e a segurança da terapia.

Neste ponto, a pesquisa micro-robótica biohíbrida oferece muitos benefícios além das estratégias de engenharia genética. Ao bio-hibridizar as bactérias com certos materiais, novas funções podem ser obtidas, incluindo melhor localização do tumor, acúmulo, quimioterapia localizada e compatibilidade imunológica. Além disso, as abordagens biohíbridas são econômicas em comparação com as abordagens de engenharia, onde podemos equipar facilmente as bactérias com funcionalidades aprimoradas, como manipulação magnética e carregamento de drogas.

As bactérias devem ser removidas do corpo do hospedeiro após a conclusão da tarefa médica. Portanto, outro conceito, chamado de interruptores de terminação, pode ser adicionado às bactérias para exterminá-las depois de terem realizado sua tarefa por meio de hipertermia desencadeada por NIR, antibióticos ou lise bacteriana. Materiais sintéticos ligados a esses microrrobôs biohíbridos podem ser modificados para incluir moléculas imunocompatíveis para modular a resposta imune.

Sua pesquisa mais recente analisou a criação de microrrobôs biohíbridos. Você pode nos contar mais sobre como você conduziu sua pesquisa e seus resultados?

Neste trabalho, nanopartículas magnéticas e nanolipossomas carregados com agentes fototérmicos e moléculas quimioterapêuticas foram integrados em Escherichia coli . Usamos uma cepa de E. coli que permite a ligação de uma etapa dessas nanopartículas por meio de um complexo físico conhecido como “complexo biotina-estreptavidina”. Chamamos essas estruturas de “biohíbridos bacterianos”.

A motilidade desses nadadores é essencial em nossas aplicações, e mostramos que eles mantinham sua motilidade original e podiam navegar por matrizes biológicas e colonizar tecidos tumorais com direcionamento magnético. Além disso, demonstramos a entrega de carga sob demanda por estímulo infravermelho próximo, que derrete os lipossomas para liberar o interior carregado de droga que eventualmente é citotóxico para as células cancerígenas.

Seu microrrobô biohíbrido consistia em bactérias E. coli . Por que você escolheu usar essa bactéria em comparação com outras bactérias?

A escolha do microrganismo a ser usado em um microrrobô biohíbrido depende principalmente da aplicação médica devido aos ambientes físicos, químicos e biológicos variados e às propriedades de diferentes partes do corpo humano. Escolhemos a E. coli por vários motivos, talvez o mais importante seja o fato de sabermos muito sobre a E. coli , incluindo a sequência completa de seu genoma. Isso torna a pesquisa com E. coli mais viável.

Além disso, as células de E. coli são altamente eficientes na introdução de moléculas de DNA nas células, ou seja, modificações genéticas. Eles são móveis, nadam à temperatura corporal e podem ser funcionalizados com materiais sintéticos por meio de interações com sua parede celular e membrana celular. Existem cepas probióticas de E. coli , que atualmente são usadas em clínicas para o tratamento de doenças intestinais e relacionadas ao intestino. Por fim, algumas cepas de E. coli podem invadir e colonizar regiões hipóxicas de tumores sólidos devido às suas habilidades de taxiamento. Todas essas razões fazem da E. coli um dos microrganismos mais comuns e vantajosos para nossa pesquisa micro-robótica biohíbrida.

Você tem esperança de que seu microrrobô possa um dia ser usado para combater o câncer? Que pesquisas adicionais são necessárias antes que isso possa se tornar uma realidade?

Estamos esperançosos e apaixonados por expandir os limites desta pesquisa para a miniaturização de microrrobôs médicos para futuras aplicações em clínicas. Nosso objetivo final é superar os desafios, que ainda são muitos. Por exemplo, devemos desenvolver estratégias para navegar e controlar esses microrrobôs dentro do corpo hospedeiro com alta precisão, levando em consideração os fluxos de fluidos corporais e os microambientes viscosos e fibrosos nos tecidos. Também devemos garantir que a segurança do paciente seja garantida e que esses microrrobôs possam ser operados dentro de um corpo a longo prazo, mesmo diante de possíveis reações imunológicas.

Se essa abordagem fosse implementada em clínicas para pacientes com câncer, que benefícios isso traria não apenas para os profissionais de saúde, mas para os próprios pacientes?

A terapia tumoral mediada por bactérias com ferramentas de engenharia genética já está se tornando um método estabelecido para o tratamento de várias doenças, por isso não é exagero imaginar o uso de microrrobôs biohíbridos em clínicas no futuro.

A micro-robótica oferece procedimentos minimamente invasivos, criando pequenos dispositivos médicos que podem navegar em regiões complexas dentro de nossos corpos. Essas micromáquinas podem diagnosticar e tratar doenças em estágios iniciais com poucos efeitos colaterais. Esperamos que microrrobôs biohíbridos baseados em bactérias com funcionalidades médicas possam um dia combater o câncer de forma mais eficaz. É uma nova abordagem terapêutica longe de como tratamos o câncer hoje.

Para sua pesquisa mais recente, você combinou as disciplinas de biologia e robótica. Por que isso acontece e quais são as vantagens de combinar abordagens científicas ao enfrentar novos desafios?

Ambos os campos trazem ativos diferentes para a tabela. Com a robótica de pequena escala, você pode obter alta precisão no controle de locomoção e natação, bem como estratégias baseadas em materiais, incluindo biocompatibilidade, carregamento de carga terapêutica, imagens ao vivo e diagnósticos, entre outros, para aumentar o desempenho do seu projeto robótico.

Com a biologia, você obtém motilidade natural, o que significa que você não precisa de um mecanismo de acionamento externo; o microorganismo faz isso por você. Considerando as funcionalidades intrínsecas que vêm com certos organismos, como mencionamos anteriormente – incluindo táxis e direcionamento de tumores – a microbiologia combinada com a robótica pode abrir caminho para futuras aplicações médicas da micro-robótica.

A robótica tem visto um grande aumento nos últimos anos, especialmente em torno de sua adoção em ambientes de saúde. Como a robótica pode ajudar a enfrentar alguns dos desafios enfrentados pela saúde e você acredita que continuaremos a ver novos usos para a robótica nesse setor nos próximos anos?

A robótica, nos últimos anos, encontrou seu lugar em ambientes clínicos não apenas em pequena escala, mas também em escalas maiores. A robótica facilita a vida da pesquisa médica, desde o atendimento de alto nível ao paciente até a realização de processos eficientes e a criação de um ambiente seguro para pacientes e profissionais de saúde. Poderíamos citar a invasividade mínima e terapias personalizadas e derivadas do paciente como alguns aspectos importantes da perspectiva de atendimento ao paciente, onde a robótica poderia superar os desafios que os processos médicos tradicionais enfrentam.

Além disso, robôs de assistência cirúrgica, robôs de serviço e robôs sociais são alguns dos recursos da perspectiva dos profissionais de saúde, auxiliando-os na realização de exames, diagnósticos e cirurgias. As aplicações atuais desses tipos de vários robôs estão sendo desenvolvidas rapidamente na medicina. Essas máquinas grandes e pequenas já estão se tornando a norma nas clínicas. Veremos mais deles à medida que os desafios relacionados à sua miniaturização, autonomia e segurança são enfrentados um a um.

O que vem a seguir para você e sua pesquisa?

Estamos trabalhando continuamente para melhorar nossa plataforma micro-robótica baseada em bactérias para facilitar funções médicas mais avançadas. Desejamos trabalhar em ambientes médicos em breve, então um grande desafio em que estamos trabalhando é transferir a experiência adquirida nos últimos anos para ambientes mais fisiologicamente relevantes.

Artigo retirado de News Medical.


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