Chip microfluídico multissensores e machine learning para a análise farmacocinética da viabilidade de células de pacientes com câncer de mama: Aumentando a acessibilidade e a escala de testes in vitro de antineoplásicos em oncologia de precisão

• Processo: 25/00614-6
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de junho de 2025
• Data de Término da vigência: 31 de julho de 2028
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Química Analítica
• Pesquisador responsável: Renato Sousa Lima
• Beneficiário: Bruna Gabrielle Olsen Pinto
• Instituição Sede: Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (Brasil). Campinas , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 23/00246-1 - Dispositivos miniaturizados visando à produção em larga escala: fabricação, caracterização e aplicações in-situ, AP.TEM
• Assunto(s): Antineoplásicos Aprendizado computacional Microfluídica Sensores eletroquímicos Eletroanalítica
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Antineoplásico | chip multissensor | machine learning | Microfluídica | Oncologia de precisão | sensor eletroquimico | Eletroanalítica

Resumo

Testes in vitro da susceptibilidade de células a quimioterápicos são importantes para a oncologia de precisão, pois apoiam a decisão clínica sobre a estratégia quimioterápica mais segura e eficaz de modo preciso e personalizado, contribuindo para aumentar a sobrevida dos pacientes. Nesse caso, a avaliação in vitro do efeito dos fármacos se dá via a análise da viabilidade (número de células vivas) de modelos celulares primários (obtidos de paciente), 2D ou 3D. Porém, os métodos tradicionais de análise desse parâmetro são comumente caros, demorados e invasivos. Um estudo mais célere dos efeitos dos fármacos aumenta a assertividade e reduz o tempo e os custos necessários para a definição do tratamento mais eficaz dos pacientes. Por outro lado, análises não invasivas permitem ensaios em tempo real (farmacocinética) que nos ajudam no estudo do mecanismo de ação dos fármacos. Logo, propomos neste projeto de doutorado um método acessível para a realização de testes in vitro farmacocinéticos da susceptibilidade de células primárias de câncer de mama, o de maior incidência entre as mulheres, a diversos quimioterápicos comerciais com throughput e acurácia altos. Para garantia dos atributos de baixo custo, medidas em tempo real e throughput, chips eletroquímicos multissensores microfluídicos serão usados para testes eletroquímicos de desprendimento de células 2D de pacientes com aquele tipo de tumor via análises não invasivas, rápidas, em série e em tempos diferentes (de exposição ao fármaco). O chip irá operar como uma plataforma multifuncional por possibilitar (i) a proliferação das células 2D e então (ii) a determinação da viabilidade celular. Essa determinação será mediada por machine learning (ML), que irá gerar um modelo de predição da viabilidade celular a partir dos dados dos sensores e, então, da meia concentração mediana (LC50) dos fármacos, um outro dado farmacológico crucial. Esse modelo deverá ser universal, independentemente do fármaco testado.As análises serão realizadas em um chip de vidro com alto número de sensores, que são dispostos verticalmente em um padrão de grade. Desenvolvido em nosso grupo, esse arranjo de sensores encontra-se integrado em um chip compacto. Logo, os sensores combinam resolução e reprodutibilidade altas (méritos da microfabricação) com custo baixo devido à grande quantidade de sensores por área. Além disso, em função do seu tamanho compacto, o chip é compatível com a microfluídica, uma ferramenta que diminui o consumo de reagentes e aumenta a reprodutibilidade. Neste projeto, chips microfluídicos serão obtidos pela selagem com canais em substratos de polidimetilsiloxano. Os dispositivos terão 9 canais, com 5 sensores em cada um deles (total de 45 sensores). Portanto, até 9 amostras poderão ser analisadas em um único chip, com medidas em quintuplicada independentes para cada caso.Os testes eletroquímicos de desprendimento celular (as células se desprendem da superfície do eletrodo após a sua morte induzida pelo fármaco) serão baseados na variação do impedimento estérico imposto sobre a sonda redox Ru(NH3)63+, que será adicionada no meio e monitorada por voltametria de onda quadrada (square wave voltammetry, SWV). A nossa estratégia para elevar a capacidade de testagem será baseada no (i) uso de chips multissensores para acomodar várias amostras simultaneamente, na (ii) realização de testes eletroquímicos individuais de SWV rápidos (3 s) e na (iii) realização de análises em série usando um potenciostato portátil de um único canal. Uma vez que cada medida de SWV irá durar 3 s, as análises de todos os 45 sensores no chip serão finalizadas em apenas 2 min e 15 s. A técnica de SWV será utilizada de modo a obtermos não apenas análises rápidas, mas também dados multivariados que serão processados por ML para a determinação da viabilidade celular com acurácia.