Chip eletroquímico ultradenso, microfluídica e machine learning para a testagem de fármacos contra o Câncer

• Processo: 24/14758-7
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Data de Início da vigência: 01 de fevereiro de 2025
• Data de Término da vigência: 31 de janeiro de 2028
• Área do conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Química Analítica
• Pesquisador responsável: Renato Sousa Lima
• Beneficiário: Renato Sousa Lima
• Instituição Sede: Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (Brasil). Campinas , SP, Brasil
• Pesquisadores associados: FLAVIO MAKOTO SHIMIZU ; Gabriela Furlan Giordano ; Iris Renata Sousa Ribeiro ; Lucas Felipe de Lima ; William Reis de Araujo
• Assunto(s): Sensores eletroquímicos Inteligência artificial Microfabricação Voltametria Fármacos Neoplasias
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: células 2D | Inteligência Artificial | medicamentos | Microfabricação | voltametria | Sensores eletroquímicos

Resumo

A fase pré-clínica é crítica para o sucesso do desenvolvimento de medicamentos, levando de 5 a 7 anos e durante a qual a viabilidade de culturas de células (número de células viáveis) é determinada para avaliação da eficácia in vivo dos fármacos. Nesses testes de susceptibilidade aos fármacos, os métodos de análise da viabilidade costumam ser laboriosos, demorados e invasivos. Neste sentido, os dispositivos eletroquímicos são uma alternativa promissora para acelerar o estudo e, logo, a seleção de novos fármacos. Porém, gerar esses testes de suscetibilidade com (1) alta capacidade de testagem (throughput), (2) simplicidade e (3) acurácia (para a quantificação da viabilidade celular) é ainda um desafio. Assim, propomos neste projeto o acoplamento de chips ultradensos com microfluídica e machine learning (ML) para garantir testes de suscetibilidade com esses atributos, sejam a partir de medidas finais ou em tempo real o que irá possibilitar ensaios farmacocinéticos. Ademais, objetiva-se evitar a necessidade de calibrações dos sensores para novas determinações da viabilidade e de um outro parâmetro farmacológico importante, a meia concentração letal do fármaco (LC50).Testes de suscetibilidade de diferentes células tumorais 2D a diversos fármacos comerciais serão feitos em um chip de vidro (70 mm × 35 mm) com uma densidade de sensores alta (33 a 870), os quais são dispostos verticalmente em um padrão 3D de grade. Desenvolvido em nosso grupo (Adv. Healthcare Mater. 2024, 13, 2303509, ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, DOI: 10.1021/acsami.4c01159 e ACS Sens. 2024, DOI: 10.1021/acssensors.4c01026), esse arranjo de sensores tem um baixo número de linhas condutoras o que passa a permitir a integração de vários sensores em um único chip compacto. Logo, esse dispositivo combina resolução e reprodutibilidade elevadas (vantagens da microfabricação) com custo reduzido devido à grande quantidade de sensores por área. Adicionalmente, em virtude do seu tamanho compacto, o chip é compatível com o uso da microfluídica, uma ferramenta que diminui o consumo de reagentes e eleva a reprodutibilidade, dentre outros méritos. Neste projeto, chips microfluídicos serão obtidos via a selagem com canais em substratos de polidimetilsiloxano (PDMS). Os dispositivos terão 9 canais, com 5 sensores em cada um deles (serão ao total 45 sensores). Portanto, até 9 amostras poderão ser analisadas em um único chip, com medidas em quintuplicada para cada caso.O chip permite análises em série pela simples troca do contato de um eletrodo. Com base nessa propriedade, análises rápidas do íon Ru(NH3)63+ por voltametria de onda quadrada (square wave voltammetry, SWV) poderão ser realizadas em série usando um potenciostato portátil de um único canal, permitindo, logo, testes de suscetibilidade a fármacos com throuhgput elevado e de maneira simples. Uma vez que cada medida de SWV irá durar 7 s, as análises de todos os 45 sensores no chip serão finalizadas em apenas 315 s. A SWV terá uma função decisiva não apenas na obtenção de análises individuais rápidas, mas também na disponibilização de um voltamograma multivariado. Esse voltamograma será explorado para garantir a determinação da viabilidade com acurácia através de ML. Os dados de viabilidade celular preditos, vale destacar, serão usados para o cálculo da LC50.Após aplicação a diferentes células tumorais e fármacos, ML será também adotado visando obter uma equação única de predição da viabilidade celular. Com isso, visamos permitir a determinação da viabilidade por meio de uma equação universal, dispensando a necessidade de calibrar o chip para cada nova célula ou fármaco analisado. Garantir o uso do método sem esse requerimento será essencial para a sua aplicabilidade. Em suma, as soluções abordadas neste projeto poderão auxiliar a acelerar a transição de fármacos eficazes e seguros desde os estudos in silico até o seu uso pelos pacientes. (AU)