Biossensor com IA facilita detecção de doenças neurodegenerativas

Um novo biossensor combinando várias tecnologias está dando um passo significativo no diagnóstico de doenças neurodegenerativas, como a doença de Parkinson e de Alzheimer. Batizado de ImmunoSEIRA por seus criadores, pesquisadores da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) na Suíça, o dispositivo permite detectar e identificar biomarcadores de proteínas associadas a essas enfermidades.

O tratamento de doenças neurodegenerativas enfrenta um grande desafio devido à falta de métodos diagnósticos eficazes para detecção precoce e monitoramento da progressão das doenças. O dobramento incorreto de proteínas, um mecanismo comum na neurodegeneração, foi identificado como um evento importante na progressão das enfermidades. Supõe-se que as proteínas saudáveis ​​se degenerem primeiro em oligômeros nos estágios iniciais e em fibrilas em fases posteriores da doença. Esses agregados de proteínas mal dobradas circulam no cérebro e nos biofluidos e também se acumulam como depósitos nos cérebros de pessoas falecidas portadoras de doenças neurodegenerativas. No entanto, o desenvolvimento de ferramentas para detectar esses sinais indicadores das doenças, conhecidos como biomarcadores, permanece tímido até agora. Obstáculos para a detecção precisa são variados, entre eles limitações tecnológicas para separar e quantificar com precisão diferentes agregados de proteínas.

A pesquisa da EPFL, publicada na Science Advances, se baseou em Inteligência Artificial (IA), empregando redes neurais para quantificar os estágios e a progressão das doenças. Segundo os pesquisadores, esse avanço tecnológico é promissor não apenas para detecção precoce e monitoramento, mas também para avaliar as opções de tratamento em vários estágios da progressão das doenças neurodegenerativas.

Para criar esse biossensor, pesquisadores do Laboratório de Sistemas Bionanofotônicos e do Laboratório de Neurobiologia Molecular e Neuroproteômica combinaram vários campos da ciência, desde bioquímica de proteínas, optofluídica até nanotecnologia e IA. “Ao contrário das abordagens bioquímicas atuais que dependem da medição dos níveis dessas moléculas, nossa abordagem se concentra na detecção de estruturas anormais. Essa tecnologia também permite diferenciar os níveis das duas principais formas anormais implicadas no desenvolvimento e progressão das doenças neurodegenerativas, oligômeros e fibras”, explica professor Hilal Lashuel, do segundo laboratório envolvido no estudo.

O biossensor ImmunoSEIRA emprega uma tecnologia chamada espectroscopia de absorção infravermelha aprimorada por superfície (SEIRA, no acrônimo em inglês). Esse método permite detectar e analisar as formas dos biomarcadores associados a doenças neurodegenerativas. O sensor usa um imunoensaio exclusivo que atua como um detetive molecular, identificando e capturando esses biomarcadores com alta precisão.

O sensor ImmunoSEIRA apresenta arranjos de ouro com anticorpos para detecção de proteínas específicas. Permite a captura específica em tempo real e a análise estrutural dos biomarcadores-alvo em amostras extremamente pequenas. As redes neurais são, então, empregadas para identificar a presença de formas específicas de proteínas mal dobradas, os agregados oligoméricos e fibrilares, alcançando um nível sem precedentes de precisão de detecção à medida que as doenças progridem. Lashuel acredita que esse é um avanço significativo na detecção dessas doenças.

“Uma vez que o processo da doença está fortemente associado a mudanças na estrutura das proteínas, acreditamos que os biomarcadores estruturais, especialmente quando integrados a outros biomarcadores bioquímicos e de neurodegeneração, podem abrir caminho para diagnóstico e monitoramento mais precisos da progressão da doença”, destaca Lashuel.

A equipe de pesquisa deu um passo adiante e mostrou que o biossensor ImmunoSEIRA pode ser usado em ambientes clínicos reais, ou seja, em biofluidos. Foi possível identificar com precisão a assinatura específica de fibrilas anormais, um indicador importante de doenças neurodegenerativas, mesmo em fluidos complexos como o líquido cefalorraquidiano humano. A próxima fase dessa nova tecnologia será continuar expandindo suas capacidades e avaliar seu potencial de diagnóstico na doença de Parkinson e no crescente número de doenças causadas pelo dobramento e agregação de proteínas.

Biossensor multipropósito

De outro lado, cientistas da UC Santa Cruz apresentaram biossensores baseados em chip que permitem que único dispositivo realize vários exames médicos simultaneamente em diferentes biomoléculas, mesmo em concentrações muito diferentes. A solução usa aprendizado de máquina para fazer o reconhecimento das partículas com alta precisão, possibilitando a análise dos dados em tempo real.

Novas técnicas de processamento de sinal foram aplicadas a a um biossensor baseado em chip optofluídico para fazer a detecção contínua de fluorescência de uma mistura de nanoesferas em concentrações em oito ordens de grandeza (atmolar a nanomolar). Isso amplia a faixa de concentração na qual esses sensores podem funcionar em mais de 10 mil vezes, explica uma matéria no site SciTechDaily.

Os pesquisadores também aplicaram um algoritmo extremamente rápido para identificar sinais de partículas únicas em baixas concentrações em tempo real. O aprendizado de máquina ajudou a reconhecer padrões de sinal para que diferentes tipos de partículas pudessem ser distinguidos com alta precisão.