O futuro da medicina pode muito bem estar na personalização dos cuidados de saúde — saber exatamente o que um indivíduo precisa e, então, fornecer a mistura certa de nutrientes, metabólitos e medicamentos, se necessário, para estabilizar e melhorar sua condição. Para tornar isso possível, os médicos precisam primeiro de uma maneira de medir e monitorar continuamente certos biomarcadores de saúde.

Para esse fim, uma equipe de engenheiros do Caltech desenvolveu uma técnica para impressão a jato de tinta de matrizes de nanopartículas especiais que permite a produção em massa de sensores de suor vestíveis de longa duração. Esses sensores podem ser usados para monitorar uma variedade de biomarcadores, como vitaminas, hormônios, metabólitos e medicamentos, em tempo real, fornecendo aos pacientes e seus médicos a capacidade de acompanhar continuamente as mudanças nos níveis dessas moléculas .

Biossensores vestíveis que incorporam as novas nanopartículas foram usados com sucesso para monitorar metabólitos em pacientes que sofrem de COVID longa e os níveis de medicamentos quimioterápicos em pacientes com câncer na City of Hope em Duarte, Califórnia.

"Esses são apenas dois exemplos do que é possível", diz Wei Gao, professor de engenharia médica no Departamento de Engenharia Médica Andrew e Peggy Cherng do Caltech.

"Existem muitas condições crônicas e seus biomarcadores que esses sensores agora nos dão a possibilidade de monitorar continuamente e de forma não invasiva", diz Gao, que é o autor correspondente de um artigo na revista Nature Materials que descreve a nova técnica.

Gao e sua equipe descrevem as nanopartículas como nanopartículas cúbicas de núcleo-casca. Os cubos são formados em uma solução que inclui a molécula que os pesquisadores querem rastrear — por exemplo, vitamina C. À medida que os monômeros se reúnem espontaneamente para formar um polímero, a molécula alvo — vitamina C — fica presa dentro das nanopartículas cúbicas.

Em seguida, um solvente é usado para remover especificamente as moléculas de vitamina C, deixando para trás uma casca de polímero impressa molecularmente, pontilhada com furos que têm formatos exatamente iguais aos das moléculas de vitamina C — semelhantes a anticorpos artificiais que reconhecem seletivamente os formatos de apenas moléculas específicas.

Importante, no novo estudo, os pesquisadores combinam esses polímeros especialmente formados com um núcleo de nanopartículas feito de hexacianoferrato de níquel (NiHCF). Este material pode ser oxidado ou reduzido sob uma voltagem elétrica aplicada quando em contato com suor humano ou outros fluidos corporais.

Voltando ao exemplo da vitamina C, o fluido entrará em contato com o núcleo do NiHCF enquanto os orifícios em forma de vitamina C estiverem desocupados, e isso gerará um sinal elétrico .

Quando as moléculas de vitamina C entram em contato com o polímero, no entanto, elas deslizam para dentro desses buracos, evitando assim que o suor ou outros fluidos corporais entrem em contato com o núcleo. Isso enfraquece o sinal elétrico. A força do sinal elétrico, então, revela quanta vitamina C está presente.

"Este núcleo é crítico. O núcleo de hexacianoferrato de níquel é altamente estável, mesmo em fluidos biológicos, tornando esses sensores ideais para medições de longo prazo", diz Gao, que também é um pesquisador do Heritage Medical Research Institute e um bolsista Ronald e JoAnne Willens.

As novas nanopartículas de núcleo-casca são altamente versáteis e são usadas na impressão de conjuntos de sensores que medem níveis de vários aminoácidos, metabólitos, hormônios ou medicamentos no suor ou fluidos corporais simplesmente usando várias "tintas" de nanopartículas em um único conjunto.

Por exemplo, no trabalho descrito no artigo, os pesquisadores imprimiram nanopartículas que se ligam à vitamina C junto com outras nanopartículas que se ligam ao aminoácido triptofano e creatinina, um biomarcador comumente medido para verificar o funcionamento dos rins.

Todas as nanopartículas foram combinadas em um sensor que foi então produzido em massa. Essas três moléculas são de interesse em estudos de pacientes com COVID longa.

Da mesma forma, os pesquisadores imprimiram sensores vestíveis baseados em nanopartículas que eram específicos para três diferentes medicamentos antitumorais em sensores individuais que foram então testados em pacientes com câncer na City of Hope.

"Demonstrando o potencial dessa tecnologia, fomos capazes de monitorar remotamente a quantidade de medicamentos contra o câncer no corpo a qualquer momento", diz Gao. "Isso está apontando o caminho para a meta de personalização da dose não apenas para o câncer, mas para muitas outras condições também."

No artigo, a equipe também mostrou que as nanopartículas podem ser usadas para imprimir sensores que podem ser implantados logo abaixo da pele para monitorar com precisão os níveis de medicamentos no corpo.