Criados pela USP, sensores biodegradáveis acoplados em plantas detectam pesticidas em três minutos

Cientistas da Universidade de São Paulo (USP) criaram sensores biodegradáveis para monitorar a saúde de plantas em tempo real. Feitos de uma tinta de carbono, os dispositivos miniaturizados são impressos por meio de serigrafia em bioplásticos transparentes e flexíveis. Dessa forma, podem ser fixados diretamente em diversos órgãos vegetais – incluindo caules, cascas e folhas –, possibilitando medir temperatura, umidade, desidratação, biomarcadores, doenças, níveis de nutrientes e até a presença de pesticidas nas plantas.

“Eles permitem detecção não destrutiva, rápida, in loco e descentralizada, fornecendo bioinformação em tempo real sobre o estado de saúde da planta e fatores ambientais”, conta à Agência FAPESP Paulo Augusto Raymundo-Pereira, professor do Instituto de Física de São Carlos (IFSC-USP).

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O trabalho foi publicado em fevereiro na revista Biosensors and Bioelectronics: X. Como destacam os autores no artigo, a engenharia de sensores vestíveis foi eleita pelo Fórum Econômico Mundial entre as dez principais tecnologias emergentes de 2023, em função do seu potencial para melhorar a saúde das plantas e aumentar a produtividade agrícola. Entretanto, a maioria dos dispositivos hoje é fabricada com polímeros plásticos de origem não renovável (derivados do petróleo) e apresenta baixa aderência em superfícies irregulares, onduladas e curvas.

“Já o nosso sensor é feito de acetato de celulose, material flexível de origem vegetal que pode ser produzido a partir de diversos resíduos agrícolas. A celulose é o polissacarídeo natural mais abundante na Terra. Apresenta biocompatibilidade excepcional, alta estabilidade térmica e flexibilidade. É atóxico, econômico, acessível, biodegradável, leve e fácil de manusear”, resume Raymundo-Pereira.

Cada dispositivo de acetato de celulose tem duas unidades sensoriais que empregam técnicas de análise diferentes para detectar três classes de pesticidas numa mesma análise (diquat, carbendazim e difenilamina).

Segundo Raymundo-Pereira, cada dispositivo custa US$ 0,077. “Os sensores são de uso único. Por isso, têm de ser baratos e biodegradáveis. Considerando o funcionamento dos dois sensores em sequência, na mesma amostra, o dispositivo leva três minutos e vinte e oito segundos para fazer todas as aferições.”

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A identificação é feita na superfície da planta, mas em meio aquoso (uma gota d’água), pois as medidas são realizadas na interface do eletrodo com esse meio. “Precisamos dessa solução aquosa para haver condutividade. No caso dos sensores vestíveis, a gotinha de água é colocada nos lugares mais fáceis de realizar a medida. No meio das folhas, no pocinho que se forma no pedúnculo do tomate ou da maçã, nos sulcos laterais do pimentão, onde também se consegue acumular água. Depois, é só colocar os sensores, posicionar em cima da gota e medir.”

A plataforma que contém o sensor duplo vestível é integrada a um potenciostato portátil sem fio (aparelho que controla a voltagem e mede a corrente elétrica para detectar e quantificar as substâncias químicas), possibilitando uma avaliação rápida dos pesticidas e exibindo a análise em tempo real em um celular por meio de comunicação sem fio (bluetooth). A equipe já havia criado, em 2022, uma luva com sensores nas pontas dos dedos, para os mesmos fins.

“O sensor vestível tem a vantagem de ser aplicado diretamente na amostra, pois o acetato consegue adquirir o formato da superfície em que é posicionado, ao passo que a luva tem de ser manipulada. Além do mais, a luva é feita de um material que não é biodegradável, enquanto o sensor vestível é totalmente biodegradável e reaproveitável para a confecção de novos sensores”, compara o cientista. Segundo ele, é possível queimar em condições específicas os sensores já utilizados e, assim, obter a tinta de carbono para produzir novos dispositivos.

A Fapesp apoiou o trabalho por meio de Bolsa de Pós-Doutorado concedida a Nathalia Oeazu Gomes, Auxílio à Pesquisa Regular concedido a Sergio Antônio Spínola Machado e Fixação de Novos Doutores a Raymundo-Pereira.

Outros usos

Nas plantas, o teste dos sensores vestíveis simulou uma situação real de uso. Primeiro, uma solução do pesticida foi borrifada na casca de maçãs e pimentões em uma concentração de 1.000 micrômetros, e os alimentos foram deixados para secar por cinco horas. Em seguida, as análises foram feitas diretamente na superfície dos produtos (in loco): o sensor foi fixado na casca e, para permitir a leitura elétrica e química, adicionou-se uma gota de 500 microlitros (a milionésima parte de um litro) de uma solução de tampão fosfato – um líquido que estabiliza o ambiente para o sensor funcionar.

A tecnologia dos sensores vestíveis se presta a uma infinidade de aplicações, como ressalta Raymundo-Pereira. “É possível detectar a presença de pesticidas na saliva das pessoas, ou mesmo na água da torneira. Fizemos os testes. Amostras de saliva humana e água da torneira foram adicionadas de pesticidas e analisadas com o sensor para prever os níveis de resíduos. Também é possível usar para mensurar componentes presentes na urina e no suor”, diz o pesquisador.

A adaptação da tecnologia para uso agrícola foi uma ideia de Raymundo-Pereira após um estágio no Centro de Sensores Vestíveis da Universidade da Califórnia, em San Diego (Estados Unidos), com o professor Joseph Wang. “Já que boa parte do PIB [Produto Interno Bruto] brasileiro se concentra no setor agrícola, eu pensei: por que não adaptar a tecnologia? Lá fora, o uso é direcionado para humanos. Aplica-se na pele para saber, por exemplo, o que há no suor das pessoas. É possível detectar ácido lático, ácido úrico, glicose, cortisol, íons sódio, íons potássio, íons cloreto, hormônios e medicamentos. Mas esses sensores usados em humanos são feitos de plástico de origem petroquímica. Os primeiros biodegradáveis, de origem natural, são os nossos, que também podem ser adaptados para uso em humanos.”

Os pedidos de patente, tanto da luva quanto do sensor vestível, já estão no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI).

A equipe multidisciplinar que desenvolveu o dispositivo é composta também pelas pesquisadoras Samiris Teixeira, Nilda de F.F. Soares e Taíla de Oliveira, da Universidade Federal de Viçosa.

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USP desenvolve nanotecnologia que permite tratar doenças de pele com precisão

Uma plataforma tecnológica desenvolvida por pesquisadores brasileiros pode revolucionar o tratamento de doenças de pele como psoríase e vitiligo. O grupo, vinculado ao laboratório NanoGeneSkin, da Universidade de São Paulo (USP) em Ribeirão Preto, está desenvolvendo nanopartículas capazes de levar moléculas de RNA terapêutico diretamente até as células cutâneas, silenciando com precisão molecular os genes responsáveis pela inflamação crônica.

Os avanços mais recentes na pesquisa foram apresentados durante a FAPESP Week Londres, que acontece até amanhã (04/06) no Museu de Ciências (Science Museum), na capital britânica.

A investigação ocorre no âmbito do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia (INCT) de Nanotecnologia Farmacêutica, financiado pela FAPESP e pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

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“Iniciamos há 20 anos esse trabalho de pesquisa e adquirimos ao longo desse tempo experiência na obtenção e caracterização de nanopartículas lipídicas para liberar não só fármacos, mas também os RNAs de interferência [moléculas que interagem com os genes-alvo], com o objetivo de tratar doenças cutâneas crônicas, como a psoríase, o câncer de pele e o vitiligo”, disse à Agência FAPESP Maria Vitória Bentley, coordenadora do NanoGeneSkin e do INCT em Nanotecnologia Farmacêutica.

A psoríase afeta entre 2% e 3% da população mundial – cerca de 190 milhões de pessoas, das quais aproximadamente 5 milhões no Brasil. Trata-se de uma doença crônica, de base imunomediada e genética, ou seja, provocada por uma resposta exagerada do próprio sistema imunológico, com componentes hereditários. Ela se manifesta por lesões inflamatórias severas na pele, causadas pela produção exacerbada de citocinas pró-inflamatórias – proteínas que funcionam como sinais de alarme do sistema imunológico e que, em excesso, causam danos ao próprio organismo. Uma das principais é o TNF-alfa. O vitiligo, por sua vez, leva à destruição dos melanócitos, as células responsáveis pela produção do pigmento (melanina) que dá cor à pele, resultando no branqueamento progressivo de áreas do corpo.

Ambas as condições compartilham uma característica que as torna alvos promissores para a terapia com RNA: há genes específicos superexpressos, isto é, anormalmente ativos, que dirigem o processo patológico. “A gente entende quais são os alvos e usa um RNA complementar específico para silenciar a produção dessa citocina”, explicou Bentley.

Silenciamento de gene

O RNA (ácido ribonucleico) é uma molécula presente em todas as células vivas e desempenha papel central na produção de proteínas. Em linhas gerais, o DNA funciona como o manual de instruções do organismo, e o RNA mensageiro é a cópia desse manual que chega até as fábricas de proteínas da célula.

A abordagem central do grupo de pesquisa baseia-se no uso de RNA de interferência (siRNA) – moléculas sintéticas que atuam diretamente sobre o RNA mensageiro responsável pela produção das citocinas inflamatórias, degradando-o antes que a proteína nociva seja sintetizada. É como interceptar e destruir a ordem de fabricação antes que ela chegue à linha de montagem. O resultado é a redução de mediadores da inflamação a níveis basais de células sadias, sem a necessidade de medicamentos que atuem em todo o organismo e que, por isso, tendem a causar mais efeitos colaterais.

“É a nanomedicina de precisão”, resume Bentley. “Eu tenho um alvo específico e um RNA complementar para silenciar aquele gene que está superexpresso naquela doença.”

Mas carrear essas moléculas até as células-alvo da pele não é trivial. O RNA é quimicamente frágil, sendo degradado rapidamente pelas enzimas do organismo. Além disso, a pele é uma barreira biológica eficiente, projetada para impedir exatamente o tipo de penetração que os pesquisadores precisam provocar.

A solução desenvolvida pelo grupo foram nanopartículas de cristais líquidos – estruturas feitas de gorduras (lipídios) com organização interna altamente ordenada, semelhante à dos cristais, mas com a fluidez característica dos líquidos. Essa arquitetura singular permite encapsular o material genético, protegê-lo da degradação e facilitar tanto sua penetração pela pele quanto sua captação pelas células-alvo.

Ao longo de três linhas de pesquisa apresentadas por Bentley, o grupo demonstrou que essas nanopartículas são funcionais para o silenciamento gênico; que métodos físicos como a luz, num processo chamado fotoativação, podem potencializar a liberação do RNA dentro das células; e que é possível carrear simultaneamente múltiplos RNAs e até fármacos anti-inflamatórios convencionais numa mesma nanopartícula.

Essa última estratégia é particularmente relevante para a psoríase, uma doença com cascata inflamatória complexa, ou seja, uma reação em cadeia que envolve múltiplas proteínas e sinais celulares e, portanto, com vários alvos terapêuticos possíveis. “Temos uma nanopartícula funcional. Como a psoríase é muito complexa e tem vários alvos, o nosso objetivo é carrear RNAs para diferentes alvos e, às vezes, também um fármaco anti-inflamatório”, disse a pesquisadora.

Os resultados foram validados em modelos celulares – experimentos realizados com células cultivadas em laboratório – e em animais com lesões similares à da doença, induzidas experimentalmente.

Outras aplicações

O escopo do grupo vai além da psoríase. Pesquisas em andamento aplicam a mesma plataforma ao vitiligo – área para a qual o grupo já possui uma patente envolvendo RNA e nanopartículas – e à cicatrização de feridas crônicas, outro problema de saúde sem solução terapêutica totalmente satisfatória.

Há ainda uma frente que ultrapassa as doenças de pele: o desenvolvimento de uma nanoestrutura para entrega de mRNA – o tipo de RNA mensageiro que instrui as células a produzirem uma proteína específica – com potencial de uso em vacinas, incluindo uma vacina experimental contra o câncer. É o mesmo princípio que tornou as vacinas contra a COVID-19 da Pfizer e da Moderna possíveis: em vez de introduzir o vírus no organismo, introduz-se apenas a instrução genética para que o próprio corpo produza uma proteína característica do agente infeccioso ou do tumor, treinando assim o sistema imunológico a reconhecê-lo e combatê-lo.

Nos modelos animais testados pelo grupo, animais imunizados com a formulação e posteriormente expostos a células cancerosas apresentaram regressão ou não crescimento dos tumores. A tecnologia já despertou o interesse de empresas farmacêuticas.

“Em 2006 a descoberta da interferência do RNA recebeu o Prêmio Nobel. Em 2007 a gente já começou a desenvolver essas nanopartículas”, lembra Bentley, situando o pioneirismo do grupo no cenário nacional.

Com duas patentes depositadas e processos de escalonamento industrial em desenvolvimento – incluindo a liofilização, técnica que remove a água das formulações por congelamento a vácuo para prolongar seu prazo de validade e facilitar a comercialização –, o grupo já pensa além da prova de conceito científica.

“Se deu certo, como a gente vai viabilizar isso em forma de produto?”, resume Bentley. Essa é a pergunta que orienta os próximos passos dos pesquisadores. Empresas já demonstraram interesse em licenciar a tecnologia, e o grupo está em conversas para avaliar os caminhos de translação clínica – o processo de levar uma descoberta do laboratório até o paciente.

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