O sistema imunológico é preparado para detectar e responder a objetos estranhos ao organismo. E não é incomum que o corpo possa rejeitar inclusive dispositivos que salvam vidas, como marca-passos ou sistemas de administração de medicamentos. Mas, em todos os casos, o sistema imunológico irá encapsular os dispositivos em tecido cicatricial ao longo do tempo, prejudicando sua capacidade de ajudar os pacientes.
Em um artigo publicado na Nature Materials , um grupo de pesquisadores liderado pelo Professor Assistente Sihong Wang, da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago, delineou um conjunto de estratégias de design para polímeros semicondutores usados em dispositivos implantáveis, todas com o objetivo de reduzir a resposta a corpos estranhos desencadeada por implantes. “Muitos grupos de pesquisa estão criando designs muito inovadores de dispositivos implantáveis, mas quase todos os grupos de pesquisa estão usando um modelo semelhante e enfrentando um desafio semelhante: implantabilidade a longo prazo”, disse o pesquisador de pós-doutorado da Pritzker Molecular Engineering, Seounghun Kang, um dos primeiros autores do artigo.
Trabalhando através do tecido cicatricial
Um polímero é construído em torno de uma “estrutura básica” química com uma série de cadeias laterais ramificadas que constroem o restante da estrutura do material. Para produzir polímeros que desencadeassem menos resposta imunológica quando implantados em tecido vivo, a equipe adotou uma abordagem dupla. Ambos incorporaram o composto selenofeno à estrutura e adicionaram outros materiais imunomoduladores às cadeias laterais. “Com base nessas duas estratégias, desenvolvemos esses novos materiais que não apenas apresentam boa biocompatibilidade, mas também mantêm o bom desempenho elétrico necessário para um dispositivo bioeletrônico”, disse a coautora e aluna de doutorado em Engenharia Molecular, Zhichang Liu.
Em testes com ratos, a equipe, incluindo a autora principal Nan Li, PhD’23, descobriu uma redução de até 68% na densidade de colágeno — o tecido cicatricial que se forma ao redor de marcapassos e outros dispositivos, reduzindo sua eficiência ao longo do tempo. Para abordar o grande desafio das respostas a corpos estranhos em dispositivos implantáveis, esta pesquisa complementa um semicondutor de hidrogel criado pelo grupo de pesquisa Wang no ano passado para melhor interface entre corpo e máquina. Ambos foram financiados pelo Prêmio Novo Inovador do Diretor do NIH, que Wang recebeu em 2022 .
Embora a pesquisa com semicondutores de hidrogel tenha mudado a estrutura física dos dispositivos implantados, este novo trabalho muda sua química para que eles não desencadeiem uma resposta imunológica tão grande. “No geral, isso vem do nosso objetivo de abordar um grande desafio, um desafio universal para qualquer tipo de dispositivo implantável”, disse Wang. “Quando você insere qualquer material estranho no corpo humano, o sistema imunológico começa a atacá-lo. Primeiro, isso está gerando efeitos colaterais nos pacientes. Segundo, também está afetando a estabilidade do dispositivo a longo prazo.”
Isso significa que, com o tempo, os dispositivos que regulam os batimentos cardíacos, registram sinais cerebrais, fazem leituras vitais e liberam insulina e outros medicamentos se tornam menos eficientes e, em alguns casos, param de funcionar completamente. “É necessário que os sinais biológicos consigam ir do órgão ao dispositivo com eficiência para que sejam registrados com eficácia”, disse Wang. “Mas a resposta do corpo estranho gera uma camada de tecido fibrótico denso, como uma cicatriz. Essa camada de cicatriz isola o dispositivo, encapsulando-o para impedir o transporte eficiente de biomoléculas ou outros tipos de sinais.”
Pontos fortes únicos
A equipe quer se concentrar em melhorar a estabilidade de longo prazo dos novos materiais enquanto continua a trabalhar em maneiras de diminuir a resposta do sistema imunológico quando um corpo estranho é implantado, disse Liu. “Durante esta pesquisa, também descobrimos algumas estratégias diferentes para lidar com a resposta a corpos estranhos, como a redução das espécies reativas de oxigênio”, disse ela. Para Wang, a capacidade de conectar melhor a eletrônica e o corpo humano reflete uma interface mais ampla — a conexão entre a ciência dos materiais e a imunologia.
Ele atribuiu à abordagem interdisciplinar da escola, organizada por temas de pesquisa em vez de departamentos universitários isolados, o mérito de permitir o florescimento de avanços criativos. “Este é um dos pontos fortes únicos da Engenharia Molecular Pritzker da UChicago”, disse Wang. “Quando esses dois espaços de pesquisa, essas duas disciplinas, começarem a interagir em um nível profundo, que tipo de novas fronteiras tecnológicas poderão ser geradas?”
