O dispositivo, desenvolvido pelo Instituto Weizmann, promete acelerar o desenvolvimento de terapias, garantir testes imunológicos precisos e permitir uma adaptação instantânea ao surgimento de novos vírus Em 2020, quando cientistas de todo o mundo se apressavam para compreender a COVID-19, o professor Roy Bar-Ziv e a sua equipa do Instituto Weizmann começaram a desenvolver um chip de ADN que não só poderia mostrar rapidamente como o nosso sistema imunitário reage a este coronavírus, mas também abriria novas possibilidades para uma resposta rápida a futuros surtos virais.
O biochip sem células, geneticamente programado e recentemente descrito na Nature Nanotechnology, pode rapidamente sintetizar, mapear e analisar proteínas, permitindo determinar como os anticorpos interagem com os vírus. Ele fornece dados mais rapidamente do que os métodos tradicionais e mostra quais fragmentos virais são alvo dos anticorpos e com que intensidade eles se ligam a eles. «Durante a pandemia, percebemos que as ferramentas desenvolvidas pelo nosso laboratório podem ser reutilizadas para pesquisar vírus e se tornar imediatamente relevantes»
Estudar a reação do sistema imunológico ao vírus é uma tarefa mais complexa do que um teste diagnóstico rápido que mostra se uma pessoa está infetada com esse vírus. Para compreender quais anticorpos reconhecem o vírus e com que força se ligam a ele, os investigadores geralmente produzem cada proteína viral separadamente, purificam-na e, em seguida, analisam-na com anticorpos, o que pode levar dias ou até semanas. Alguns laboratórios utilizam canais líquidos miniaturizados que aceleram os testes, mas essas instalações são complexas e requerem bombas e tubos precisos.
O biochip criado pela equipa de Bar-Ziv oferece uma maneira muito mais simples de realizar os testes. Este método não requer bombas nem tubos e adapta-se rapidamente a um novo vírus. O seu desenvolvimento foi liderado pela Dra. Shirley Dauber, investigadora sénior, juntamente com a Dra. Aurora Dupin e o Dr. Ohad Wonshak, do laboratório de Bar-Ziv no departamento de física química e biológica do Instituto Weizmann.
A utilização do biochip não requer proteínas prontas; elas são sintetizadas pelo chip diretamente na sua própria superfície de silício. Cada seção do chip contém um pequeno fragmento de ADN impresso, contendo instruções genéticas para uma proteína viral específica ou fragmento de proteína, como aqueles que pertencem a diferentes variantes do coronavírus, incluindo diferentes versões do seu espinho externo e camada interna. Quando os investigadores adicionam uma mistura acelular de moléculas biológicas que normalmente se encontram dentro das células, este ADN é traduzido diretamente na proteína correspondente.
Cada biochip pode produzir entre 30 e 40 proteínas ou fragmentos virais. Ele usa aproximadamente um microlitro de soro (menos de uma gota) para identificar a impressão imunológica de uma pessoa em dezenas de alvos virais ou antígenos. Como cada antígeno está em um local diferente no chip, a equipa pode medir separadamente a quantidade de anticorpos que se ligam a cada um deles. «Não precisamos cultivar ou purificar nada antecipadamente; cada ponto do chip produz a sua própria proteína ou fragmento de proteína», diz Dupin. «Com dezenas desses antígenos num único chip, podemos analisar muitos deles simultaneamente, num único experimento, em vez de realizar testes separados para cada um».
Com base nas interações entre essas proteínas e anticorpos, os investigadores podem determinar a força de ligação, ou afinidade, ou seja, o quão fortemente o anticorpo se liga ao seu alvo. Uma ligação mais forte geralmente significa uma defesa imunológica mais eficaz. «Medir a força com que cada anticorpo se liga ao seu alvo dá-nos resultados quantitativos, em vez de apenas uma resposta afirmativa», explica Wonshak. A equipa comparou os dados do seu biochip com os resultados padrão do ELISA (ensaio imunoenzimático) em amostras de soro humano. Eles descobriram que o seu chip frequentemente detectava a atividade de anticorpos que os testes ELISA padrão não detectavam, o que indica que os testes tradicionais às vezes podem deixar passar reações mais sutis dos anticorpos.
A equipa utilizou esta configuração para avaliar a interação entre as proteínas da COVID-19 e os anticorpos humanos contra o vírus. «Observámos assinaturas imunológicas muito únicas em cada pessoa», disse Bar-Ziv. «Algumas pessoas tinham anticorpos contra a variante original de Wuhan, mas não contra as variantes Delta ou Omicron. Como o chip nos ajuda a compreender profundamente a reação de diferentes pessoas ao vírus, também podemos determinar se as alterações na nova variante podem reduzir a eficácia dos seus anticorpos». No futuro, a mesma abordagem poderá ser usada para estudar anticorpos contra outros vírus ou para desenvolver novos tratamentos. «Muitos medicamentos modernos são baseados em anticorpos», explicou Daube. «Se o anticorpo se ligar perfeitamente ao vírus, ele pode bloquear a infecção. O nosso sistema pode ser usado para encontrar mais rapidamente esses candidatos.»
Para demonstrar o potencial do chip, a equipa recriou a interação entre a proteína spike do coronavírus e o seu recetor humano ACE2, que permite ao vírus entrar nas células humanas. Tanto a proteína spike como o recetor foram produzidos no chip e ligaram-se especificamente um ao outro. Isto sugere que a plataforma pode ser utilizada para avaliar possíveis terapias diretamente no chip, adicionando anticorpos ou outros candidatos a medicamentos que bloqueiem essa ligação. Se o sinal enfraquecer, isso significa que o anticorpo está a impedir a ligação do vírus ao recetor.
«O nosso chip abre a possibilidade de testar a interação de vírus com recetores humanos e procurar maneiras de bloquear essas interações com novos métodos de tratamento», diz Bar-Ziv. A equipa está a iniciar uma colaboração com o Centro Médico Sheba para monitorizar a resposta imunitária em pacientes com COVID-19 em dinâmica usando o novo chip. Ao associar os dados sobre anticorpos ao histórico médico dos pacientes, eles esperam identificar padrões de imunidade que possam servir de orientação para o desenvolvimento de futuras vacinas.
A inteligência artificial é o próximo passo. «Podemos usar o chip para analisar sequências de anticorpos projetadas por computador e testar as suas propriedades em um prazo muito curto», disse Bar-Ziv. «O chip pode acelerar e aumentar a precisão do processo de design de IA.» Bar-Ziv prevê um futuro em que essa ferramenta permitirá responder à pandemia em tempo real. «Se amanhã surgir um novo surto, poderemos pegar a sequência genética desse vírus, criar as suas proteínas no chip e analisar imediatamente os anticorpos. É uma ferramenta incrivelmente poderosa para a preparação.»
