Microfluídica e a transformação do cenário de diagnósticos
Quase todas as indústrias de hoje se adaptaram ao mercado para criar versões mais rápidas, menores e mais econômicas de seus produtos atuais. O setor de ciências da vida não é exceção, e a miniaturização das tecnologias existentes se tornou o novo padrão ouro que as entidades corporativas, instituições de pesquisa e startups estão se esforçando para alcançar. A pandemia de COVID-19, sem dúvida, destacou os benefícios de testes diagnósticos rápidos e precisos.
Uma equipe de cientistas da Universidade de Stanford desenvolveu um CRISPR “lab-on-a-chip” para detectar COVID-19. "O microlaboratório é um chip microfluídico com apenas metade do tamanho de um cartão de crédito que contém uma complexa rede de canais mais finos que um fio de cabelo humano", disse o autor sênior do estudo, Juan G. Santiago, professor de engenharia mecânica da Fundação Charles Lee Powell, em Stanford.
Tecnologias de microfluídica como essa podem transformar o cenário de diagnósticos e, à medida que os métodos de engenharia melhoram, a fabricação se torna mais rápida e precisa. Um chip microfluídico pode ser fabricado com precisão no nível de submicrômetros, o que torna essa tecnologia ideal para aplicações como a análise de DNA/RNA, cultura celular, lab-on-a-chip, organ-on-a-chip, entre muitas outras.
Aplicações de "lab-on-a-chip" (LOC)
Tecnologias como Drop-Seq, reação em cadeia da polimerase (PCR) ou diagnósticos baseados em CRISPR, aproveitaram os benefícios da microfluídica para realizar processos complexos com uma única gota de amostra. Essa plataforma pode ser otimizada para combinar elementos funcionais como filtros sanguíneos, coletores de amostras, válvulas, canais, câmaras de reação e bombas.
A tecnologia "lab-on-a-chip" pode parecer ideal para qualquer aplicação, mas talvez nem todos os processos se beneficiem dela. Lidar com gotículas de fluido da ordem de picolitros e tentar consolidar todo um processo em um único chip podem apresentar uma série de desafios. É essencial considerar todos os aspectos de um ensaio, entre eles a concentração de analitos, químicas e parâmetros de método.
Limitações da microfluídica
É importante notar que as químicas exigidas por um ensaio típico podem afetar a capacidade de operação ideal em um dispositivo microfluídico. Não apenas certos solventes podem deteriorar o material do chip, mas outros também podem interferir nas reações necessárias. Por exemplo, o silício, se não for tratado, pode evitar a PCR, de modo que uma etapa de fabricação adicional precisará ser adicionada para revestir a superfície, ou um material alternativo deverá ser selecionado.
As químicas de ensaio também podem influenciar a taxa de fluxo ou padrão no dispositivo. Diferente do que acontece com grandes volumes, a tensão superficial tem um efeito significativo sobre os microfluidos, de modo que a inclusão de surfactantes ou álcoois pode alterar o desempenho de um microchip. Para aplicações como análise unicelular ou entrega de medicamentos, considere sempre o impacto desse efeito no volume de queda, velocidade e reprodutibilidade.
A tecnologia Drop-Seq é usada para analisar transcrições de mRNA usando gotículas de fluido contendo uma única célula, tampão de lise e uma microesfera com primers com código de barras. Como alternativa ao processamento e compartimentação das células em uma placa de 96 poços, esse processo combina várias etapas manuais em um único dispositivo simples. O sucesso de Drop-Seq depende da produção reprodutível de gotículas da ordem dos nanolitros. A pressão no sistema deve ser otimizada ajustando a velocidade da bomba que controla a taxa de liberação de óleo, amostra e microesfera. No sistema otimizado, o resultado final é uma coleção de gotículas únicas contendo uma microesfera e uma célula.
O estado da amostra
Além das químicas necessárias para as reações, é necessário considerar o estado da amostra. Em muitos casos, especialmente em ensaios clínicos, a amostra deve ser previamente processada, o que pode envolver filtragem, concentração, lise, aquecimento ou resfriamento. Os minúsculos canais podem ser facilmente obstruídos por detritos celulares ou de hemoglobina, exigindo que certos tipos de amostras sejam filtradas para garantir a precisão dos resultados. Alternativamente, tecnologias como os Wavechips livres de entupimento, que são projetadas para levar em conta as impurezas na amostra, podem ajudar a evitar etapas adicionais de processamento.
Muitos ensaios clínicos precisam detectar analitos de baixa abundância, como drogas ou ácidos nucleicos, e só serão capazes disso se a amostra for concentrada ou amplificada. Isso é comum na detecção de DNA/RNA em amostras biológicas.
O sistema Accula multifuncional da Mesa Biotech é um exemplo de um teste rápido baseado em PCR que fornece, sem o uso de equipamentos grandes e caros, resultados visuais em 30 minutos. O cartucho de teste Accula contém vários elementos de aquecimento, reservatórios, canais microfluídicos e químicas de processo para permitir a lise celular, transcriptase reversa do RNA viral, amplificação via PCR e, por fim, a detecção.
O sistema Accula e outras tecnologias baseadas em PCR dependem de várias incubações ou reações temporizadas para preparar a amostra para detecção, o que pode complicar o processo de miniaturização. No entanto, a microfluídica permitiu que os desenvolvedores diminuíssem o tempo necessário para essas reações, pois difusões curtas melhoram as interações entre reagentes e a alta relação superfície-volume proporciona uma transferência de calor mais eficiente e um menor tempo de reação.
Alternativamente, alguns sistemas, como a plataforma baseada em CRISPR da Sherlock, desenvolveram uma solução alternativa usando a amplificação isotérmica em vez de PCR. Esse sistema não exige aquecimento e resfriamento para processar a amostra, porque as reações ocorrem a uma temperatura constante.
Embora a pandemia COVID-19 talvez tenha colocado em evidência os dispositivos de diagnóstico de ponto de atendimento, essas tecnologias emergentes e os esforços para miniaturizar os processos têm florescido há anos. Nunca tantas organizações encontraram novas maneiras de criar dispositivos de diagnóstico simples e fáceis de usar através da aplicação da microfluídica. Embora tenha havido avanços significativos nesse campo, só temos uma pequena amostra da potencial eficácia dessas tecnologias. É vital entender quando e como usar melhor a miniaturização antes de seguir em frente: os benefícios são incontáveis quando adequadamente utilizados.
Conclusão
Trabalhar com uma empresa pode ajudar os pesquisadores a responder às demandas do mercado de tecnologias microfluídicas mais rápidas, menores e mais acessíveis, à medida que as opções se diversificam e se tornam mais eficientes.
