O paciente dá entrada no pronto-socorro. Os médicos suspeitam de intoxicação por salicilato, produto da hidrólise do ácido acetilsalicílico, a aspirina. A dose terapêutica e a dose tóxica do salicilato são muito próximas. Em níveis altos, o salicilato causa lesões no estômago, diminuição da capacidade auditiva, vertigens e zumbidos. Em doses ainda mais altas, pode ser fatal pela depressão respiratória. Rapidamente, os médicos tiram uma amostra do sangue do paciente e fazem um teste rápido e econômico, usando um biossensor. Logo, o diagnóstico é confirmado ou desmentido.
“A detecção de substâncias em tempo real é a tendência da química analítica para o futuro”, diz o professor Lauro Tatsuo Kubota, do Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). O professor Lauro Tatsuo Kubota tem 35 anos e formou-se em Química pela Universidade Estadual de Londrina em 1985. Fez o mestrado na Unesp, o doutorado na Unicamp e o pós-doutorado na Universidade de Lund, na Suécia. É especialista em biossensores desde 1993 e professor do Instituto de Química da Unicamp desde 1994. “É cada vez maior a preocupação dos químicos de determinar em tempo real, e preservando ao máximo as condições existentes na natureza, os compostos ou substâncias presentes em alimentos e materiais de interesse clínico, biológico ou ambiental.” O professor Lauro tem bases para opinar. Ele é coordenador do projeto temático Estudo e Desenvolvimento de Novos Sistemas de Detecção para Aplicações Analíticas, um dos mais completos trabalhos já feitos no Brasil sobre o assunto, que está sendo realizado em Campinas com o apoio da FAPESP. O projeto, iniciado em 1995, já alcançou todos os objetivos fixados no início.
Um primeiro biossensor para salicilato desenvolvido pelo projeto já foi testado e comparado com a metodologia aplicada hoje no Hospital das Clínicas da Unicamp. Empatou quanto à precisão dos resultados, ganhou em simplicidade e em economia. Além disso, como faz a análise em tempo real, permite que o paciente seja rapidamente atendido em casos de intoxicação. O biossensor também foi usado na análise de medicamentos, para determinar a proporção do ácido acetilsalicílico que já foi hidrolisado para a forma de salicilato. Isso é importante, pois o remédio tem ação mais eficaz antes que o ácido seja hidrolisado. Além do biossensor para salicilato, foram desenvolvidos, como parte do projeto, biossensores para compostos fenólicos, oxalato e ácido isocítrico. O prof. Kubota junto com Lauro Tatsuo Kubota, Nelson Eduardo Duran Caballerro e Renato Sanches Freire recebeu menção honrosa no Prêmio Governador do Estado de 2002 pelo trabalho: “Novo dispositivo para monitoramento contínuo de compostos fenólicos em efluentes industriais”.
O primeiro coordenador do projeto foi o professor Graciliano de Oliveira Neto, na época chefe do Departamento de Química Analítica do Instituto de Química da Unicamp. Ele é considerado o introdutor do conceito de biossensores no Brasil. Quando Oliveira Neto se aposentou na Unicamp, em 1998, para tornar-se coordenador-geral dos cursos de pós-graduação da Universidade São Francisco, em Bragança Paulista, passou a coordenação ao professor Lauro. Além dos dois, participam do trabalho os professores Mathieu Tubino, subcoordenador; Wallace Oliveira, que se aposentou durante o projeto e foi substituído por Ivo Raimundo; Célio Pasquini; Nélson Duran; e Hideko Yamanaka. Com exceção da professora Hideko, que trabalha no Instituto de Química da Universidade Estadual Paulista (Unesp) em Araraquara, todos pertencem ao Instituto de Química da Unicamp.
Além do uso em laboratório, os sistemas desenvolvidos têm várias aplicações práticas. O biossensor para oxalato, por exemplo, pode ser usado em exames de urina, nas análises clínicas, em alimentos e mesmo na pecuária. Algumas vezes, o capim do qual o gado se alimenta tem quantidades muito altas de oxalato e os cristais desenvolvidos formam verdadeiras agulhas, que podem até mesmo espetar a garganta e matar o animal por asfixia. Uma análise rápida e simples evitaria esse problema, levando ao isolamento dos pastos onde se apresenta o problema. Para identificar o oxalato, os pesquisadores desenvolveram um sistema que usa a enzima oxalato oxidase, encontrada em boas quantidades nos grãos de sorgo e de cevada.
O sistema que reconhece e quantifica o ácido isocítrico, que funciona a partir da enzima isocitrato dehidrogenase, mostra claramente se um suco de laranja foi ou não adulterado. Existe uma proporção correta entre o ácido isocítrico e os outros ácidos existentes no suco de laranja. Determinando-se a quantidade de ácido isocítrico pode-se identificar a adulteração do suco. O suco destinado à exportação precisa ter uma certa proporção de acido isocítrico e já houve casos em que vendedores adulteraram o suco para obter esse padrão. A aplicação do teste, assim, pode servir de garantia da qualidade do produto, importante para o Brasil por ser o maior exportador de suco de laranja do mundo.
Os biossensores que distinguem os diferentes compostos fenólicos têm muito potencial de aplicação nas indústrias. Todos os efluentes industriais têm diversos compostos fenólicos, mas nem todos são poluentes tóxicos. A correta identificação dos compostos pode, assim, simplificar e tornar menos caros os processos de controle da poluição. Isso é feito a partir de peroxidases, substâncias encontradas em vegetais como o nabo e o abacaxi. Cada peroxidase reage preferencialmente com um determinado composto fenólico. Há mais. Os biossensores desenvolvidos pela equipe da Unicamp multiplicaram por cerca de 100 a sensibilidade da análise em termos quantitativos.
O biossensor é formado de duas partes, o composto biológico e o transdutor. O composto biológico faz o reconhecimento de íons ou moléculas das substâncias procuradas por meio de uma reação química. O composto pode ser uma enzima, um antígeno, um anticorpo, uma seqüência de bases de DNA, uma célula ou um grupo de células reunidos num tecido. A natureza do composto é determinada, basicamente, pelo que vai ser procurado na amostra. O transdutor é um objeto em forma de bastão. Pode ter diversos tamanhos, de uma caneta esferográfica ao de uma fração de milímetro, quando tem-se um ultramicrotransdutor. Ele converte a energia gerada pela reação de reconhecimento da substância numa forma que pode ser medida. Essa forma pode ser um impulso, potencial ou corrente elétrica; uma mudança de cor, quando é chamada de transdução óptica; ou mesmo uma mudança de massa, que conduz, por exemplo, a uma mudança na freqüência da vibração de um cristal piez elétrico, entre outras. Quando ocorre a transdução, o processo está pronto. “Sei se a substância procurada existe na amostra e, em caso positivo, a quantidade na qual está presente”, diz o professor Lauro. Normalmente, o transdutor é acoplado a um instrumento de medição. Esse instrumento recebe o sinal do transdutor e o traduz em quantidades e proporções.
Para aperfeiçoar os biossensores que identificam o salicilato, os pesquisadores agora pretendem amplificar o sinal recebido pelo sistema usando os próprios compostos envolvidos na reação. Os pesquisadores chamam esse processo de amplificação elegante. O trabalho começa quando o biossensor entra em contato com a solução que serve de amostra. Se houver salicitato na solução, a enzima salicitato hidroxilase reage com ele e produz catecol, que é oxidado na superfície do biossensor e perde dois elétrons, gerando uma corrente elétrica. Ao perder os dois elétrons, o catecol se transforma em ortoquinona. A ortoquinona reage com a nicotinamida adenina dinucleotídeo (NADH) presente na solução e regenera o catecol, que volta a perder dois elétrons e gera nova corrente elétrica. Essa corrente, então, amplifica o sinal. Se a seqüência for bem calibrada, sabe-se logo a quantidade de salicilato que participou da reação. “A amplificação elegante aumenta em cerca de 1.000 vezes a sensibilidade do biossensor”, diz o professor Lauro. Pelo Trabalho, o prof. Kubota recebeu a láurea máxima no Prêmio Governador do Estado de 2000.
“Um biossensor para detectar o nível de glicose no sangue, por exemplo, tem um custo irrisório, mas ainda precisamos de muito marketing para convencer a todos que o resultado é tão confiável quanto o obtido por equipamentos de porte dos grandes laboratórios de análises clínicas”, lamenta o professor. O biossensor pode ser produzido em vários tamanhos e formatos, como o de um termômetro, ou miniaturizado até permitir seu implante no corpo humano. Supondo a forma de um termômetro, o biossensor possui na ponta um componente biológico próprio para reconhecer um pesticida presente na água, quando imerso no rio; com a interação entre componente biológico e pesticida, ocorre uma reação (reconhecimento) e, no corpo do “termômetro” (o transdutor), a energia desta reação é transformada numa forma de energia possível de ser medida; na outra extremidade do biossensor, um fio conduz a energia mensurável até o instrumento que medirá a concentração do pesticida na água.
“Tradicionalmente, os métodos analíticos (a medição) exigem a adição de reagentes para se produzir uma cor ou fluorescência que permitam a leitura. Com o biossensor, podemos simplesmente colocá-lo numa amostra e fazer a medição, dispensando a utilização de reagentes como anticorpos ou enzimas em grande quantidade, reduzindo os custos, abreviando o tempo para análise e evitando resíduos poluentes. Tudo isso de forma muito seletiva, identificando, dentre várias substâncias presentes na amostra, somente a que se almeja”, afirma Lauro Kubota. É preciso desenvolver um “tipo” de biossensor para cada substância que se queira identificar, e é nesta linha que prosseguem as pesquisas no laboratório do professor. “Na verdade, o que se pesquisa é qual componente biológico, como colocar e em que quantidade, conforme a utilidade. É a partir do componente biológico que se seleciona e mede o nível de substâncias como glicose, uréia, amônia, compostos orgânicos, ambientais, etc”, explica o pesquisador.
Desenvolvido um tipo de biossensor, porém, é possível produzi-lo facilmente em escala comercial. “Existe forte resistência porque grandes laboratórios e empresas fabricantes não vão querer substituir seus equipamentos sofisticados por dispositivos tão simples e baratos. Os lucros dependem da tecnologia que dispõem e que inclusive justifica os preços cobrados pelos exames. Os pacientes, por sua vez, preferem acreditar na análise feita em aparelhos cheios de luzes e botões, mesmo que o biossensor apresente resultados até melhores”, critica Lauro Kubota. Um biossensor já bastante utilizado é o que mede o nível de glicose, o glicosímetro portátil vendido em farmácias. Significa um benefício importante para o diabético que precisa de monitoramento diário e se submete a sucessivos exames de sangue e ao estresse da espera pelos resultados nos laboratórios. Dispositivos para glicose também já foram desenvolvidos no Instituto de Química.
“A própria pessoa coleta a gota de sangue, pingando-a sobre um biossensor descartável e medindo o nível de glicose em casa ou no trabalho”, assegura o professor. O instrumento de medição acoplado ao biossensor também possui formatos variados, inclusive o portátil, em tamanho de bolso. Kubota segue com exemplos sobre a praticidade e eficácia dos biossensores imaginando um paciente na mesa de cirurgia, em que o médico necessite de um exame de sangue imediato para se orientar quanto aos procedimentos. “Por mais urgente que seja, a análise em laboratório vai demorar duas horas, o que talvez seja a diferença entre a vida e a morte. O dispositivo oferece o resultado em tempo real”, insiste. Da mesma forma, os biossensores serviriam para que os médicos agilizassem os diagnósticos em seus consultórios. “Casos de intoxicação são freqüentes. Tendo o dispositivo à mão, o médico, que antes precisaria solicitar testes laboratoriais, veria na hora o nível de aspirina, por exemplo, que uma criança ingeriu, tomando providências rapidamente”, acrescenta. No trabalho com biossensores voltados à análise de substâncias encontradas no sangue, o laboratório do IQ recorre a uma parceria com a professora Nelci Hoehr, do Hospital das Clínicas (HC) da Unicamp. “Temos o dispositivo, mas precisamos comprovar se realmente funciona em amostras biológicas. E o HC possui um laboratório fantástico, um banco com vários tipos de sangue e técnicas sofisticadas de análise”, afirma Lauro Kubota.
O professor Lauro Kubota informa que seu laboratório vem realizando um trabalho conjunto com a professora Denise Macedo e pesquisadores das áreas de educação física, bioquímica e fisiologia visando a utilização de biossensores para avaliar e melhorar a performance de atletas. “Buscamos um dispositivo que ofereça um quadro preciso da condição de um atleta: se ele já está bem condicionado e precisa apenas de treinos de manutenção, se necessita de um ritmo mais forçado ou se a carga de exercícios deve ser diminuída para evitar um estresse muscular”, explica. A idéia é monitorar principalmente o nível de substâncias que combatem os radicais livres no sangue de voluntários. “Quando há um aumento excessivo deste nível, sabe-se que o atleta está sendo forçado e corre o risco de lesões. Cada atleta possui seu limiar e, no time de futebol, o preparador físico não deve exigir a mesma carga de treinamento de todos os jogadores”, exemplifica. O biossensor também acusaria casos de doping em tempo real.
Nesse sentido, o laboratório pesquisou a eficácia do dispositivo para medir o nível de álcool no sangue. “Ele é muito mais sensível que o bafômetro, que além de impreciso só consegue detectar o álcool numa quantidade razoável”, afirma Lauro Kubota. Entre as pesquisas com biossensores no Instituto de Química, prevalecem as direcionadas às áreas médica e ambiental. Um trabalho interessante envolve extratos de plantas utilizadas como fitoterápicos, com propriedades antioxidantes. “As pessoas embarcaram na moda de tomar chás que teriam tais propriedades, pensando em retardar o envelhecimento e em combater as doenças causadas pelos radicais livres. Mas não existe nenhum controle sobre os produtos colocados no mercado. Pretendemos montar uma escala dos níveis das substâncias encontradas nos extratos, classificando aqueles que trazem essas propriedades ou não”, adianta o professor. Ele acrescenta que o uso de biossensores pode ser extrapolado para a análise e controle de outros produtos anunciados como fitoterápicos sem uma comprovação científica.
Pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) criaram compostos sintéticos que reproduzem a atividade de anticorpos, enzimas, células, receptores e outros componentes biológicos, informou a Agência Fapesp. Com eles, será possível produzir biossensores como os que medem o nível de glicose dos diabéticos no glicosímetro portátil vendido em farmácias. Batizados de sistemas biomiméticos – inspirados no mimetismo de mariposas, camaleões e outras espécies que mudam de cor para se camuflar –, os compostos sintéticos podem reconhecer íons ou moléculas das substâncias analisadas pelos biossensores, com a vantagem de resistir ao tempo muito mais do que enzimas ou anticorpos, por exemplo. Um dos objetivos dos pesquisadores é justamente garantir mais estabilidade a estes compostos, para que possam ter aplicação comercial.
Biossensores podem identificar a presença de determinadas substâncias na água, no sangue, na urina, em alimentos etc. Lauro Tatsuo Kubota, professor do Instituto de Química da Unicamp e chefe da pesquisa, criou uma substância sintética estável, à base de cobre e de ferro, colocada em forma de camadas na superfície do biossensor. Ela emite respostas químicas traduzidas por eletrodos, fibras ópticas e polímeros condutores. A equipe da Unicamp também trabalha para conseguir estabilizar componentes biológicos, e tem tido bons resultados. Já conseguiu desenvolver um biossensor para avaliar o nível de álcool no sangue, à base de grafite, sílica modificada com nióbio e azul de metileno como corante. O composto biológico mantém-se estável por três meses, quando similares anteriores descaracterizaram-se em uma semana.
Além disso, o grau de precisão na detecção de álcool é de 99%. Os bafômetros usados atualmente só apontam a presença de álcool no sangue quando em concentrações elevadas. Os pesquisadores da Unicamp já desenvolveram diferentes compostos sintéticos de interesse ambiental, farmacêutico e medicinal, que resultaram em três pedidos de patentes. A perspectiva é que os novos biossensores custem bem menos do que os usados atualmente. Segundo a Agência Fapesp, os resultados apresentados em um congresso na Alemanha, em 2002, atraíram a atenção de pesquisadores da Europa e dos Estados Unidos, que fizeram propostas para trabalhos em parceria. O desenvolvimento dos biossensores integra um projeto temático coordenado pelo professor Elias Ayres Guidetti Zagatto, do Centro de Energia Nuclear da Agricultura (Cena) da Universidade de São Paulo (USP), em Piracicaba.
Os trabalhos com biossensores estão espalhados por todo o país. Em Recife, pesquisadores da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) vêm usando a tecnologia dos biossensores para agilizar o exame diagnóstico da leucemia a partir de algumas gotas de sangue. A técnica convencional utiliza de 10 a 20 ml de sangue venoso para detectar a doença. Ao contrário dos sensores químicos, os biossensores necessitam de componentes biológicos – antígenos, anticorpos, enzimas, ácidos nucléicos ou células – para produzir respostas que podem ser traduzidas por diversos componentes físicos, como fibras ópticas, dispositivos acústicos, eletrodos ou polímeros condutores. O emprego de biossensores pela medicina cresce junto com os avanços da ciência e da tecnologia. Nos Estados Unidos, busca-se um biossensor feito de ouro e anticorpos, que será utilizado na detecção precoce do câncer por meio das variações químicas associadas à doença na urina e em outros fluídos corporais.
O novo circuito integrado permitirá que alguns tipos de câncer sejam detectados e tratados precocemente, aumentando as chamces de sobrevivência dos pacientes. Na Alemanha, a tecnologia dos semicondutores deu origem a um chip biossensor capaz de ler sinais elétricos em células nervosas. Do tamanho de uma unha, o chip tem 16 mil sensores que medirão os pulsos e a atividade elétrica no cérebro. Em vários países já são testadas etiquetas equipadas com biossensores capazes de detectar a presença de agentes químicos e biológicos em alimentos ou para sinalizar o vencimento de produtos perecíveis. Como aponta Kubota, os biossensores têm grande potencial de aplicações práticas em diversas áreas da atividade humana.
Fonte:
http://www.fapesp.br/ciencia467.htm
acesso em abril de 2002
Cronologia do Desenvolvimento Científico e Tecnológico Brasileiro, 1950-2000, MDIC, Brasília, 2002, páginas 349
http://www.unicamp.br/unicamp/unicamp_hoje/ju/outubro2003/capa232.html
acesso em outubro de 2003
AGÊNCIA ESTADO DATA: 16/02/04 ON-LINE Unicamp cria composto sintético para biossensores
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010160040114
acesso em março de 2005
envie seus comentários para otimistarj@gmail.com.
