Com o auxilio da biotecnologia e da inteligência artificial, a possibilidade de se utilizar dispositivos móveis conectados – tais como smartphones – para diagnosticar doenças infecciosas de forma descentralizada, no ponto de atendimento ao paciente (do inglês point-of-care), é vista como uma das grandes oportunidades da área de saúde digital. É o que mostra o trabalho realizado pelo professor Luis Pacheco, do Instituto de Ciências da Saúde (ICS) da UFBA, em colaboração com pesquisadores da Harvard Medical School, que acaba de ser publicado no periódico ACS Nano, da American Chemical Society.
“O nosso sistema, denominado SPyDERMAN (Smartphone-based Pathogen Detection Resource Multiplier using Adversarial Networks), detectou com eficiência o vírus SARS-CoV-2 em amostras de swab nasal, além de outras infecções virais”, garante o professor.
Segundo Pacheco, no contexto da pandemia de COVID-19, por exemplo, a disponibilidade de dispositivos diagnósticos conectados ao telefone celular que permitam rápida detecção do vírus SARS-CoV-2, através de uma amostra de swab nasal, pode auxiliar o processo de identificação e isolamento dos casos, permitindo maior controle de disseminação da infecção se comparado ao método de referência para o diagnóstico, que é a RT-PCR.
Pacheco adverte, entretanto, que “a aplicação dos smartphones como dispositivos diagnósticos ainda encontra vários desafios, que incluem a grande variedade e a heterogeneidade dos modelos de celulares, as diferenças nas capacidades de processamento e inconsistências na conectividade à rede de internet em diferentes regiões. Soma-se a isso a necessidade de utilização de dispositivos caros acoplados ao telefone celular em vários dos sistemas de diagnóstico móveis desenvolvidos até então”.
Questionado quanto à logística e sobre os custos operacionais, no uso dos smartphones em uma realidade com características da brasileira, o professor Luis Pacheco respondeu que “o smartphone, no caso, precisa ser utilizado pelo agente de saúde que realiza o teste. Esses testes para doenças infecciosas normalmente não são pensados para que o paciente realize sozinho, na sua casa. Mesmo os chamados testes rápidos já amplamente usados hoje em dia para doenças infecciosas são realizados em farmácias ou em unidades de atendimento à saúde. Isso porque o teste precisa ser bem conduzido e o resultado precisa ser interpretado de forma correta, em razão das implicações que ele pode acarretar”.
“Em relação aos custos, continua Pacheco, existe uma expectativa e uma demanda internacional para que testes descentralizados sejam bem mais baratos que testes de referência. Fala-se muito em valores entre 5 e 10 dólares americanos por teste. Claro que isso envolve estimativas, pois esses testes ainda não estão em amplo uso no mundo. Comparado ao teste de RT-PCR, usado na COVID-19 e várias outras doenças comuns, que pode custar entre 250 e 400 reais em média, os testes baseados em smartphones poderiam trazer grandes benefícios em relação ao custo. Lembrando, no entanto, que eles não têm o objetivo de eliminar a necessidade de um teste confirmatório laboratorial, mas podem ser muito úteis para fazer triagens amplas, como nas universidades, nos aeroportos, nos pequenos centros de saúde etc”.
Simplificando a utilização
Nesse contexto, o trabalho desenvolvido junto ao grupo da Harvard Medical School teve como principal objetivo simplificar a utilização de smartphones como dispositivos diagnósticos móveis para infecções virais. Para isso, conforme detalha o pesquisador mineiro, foi desenvolvido um sistema de detecção de agentes virais num chip de baixo custo, fabricado utilizando tecnologia de microfluídica, e combinado a um sistema de reconhecimento específico dos vírus que usa nanobiotecnologia e biologia sintética.
A tecnologia de microfluídica envolve a manipulação e controle de fluidos em escala de microvolumes. No contexto do diagnóstico, são criados microcanais no chip (por isso é chamado de microchip) utilizando cortadoras a laser, para precisão. Dentro desses microcanais ocorrem as reações que levam à detecção do vírus na amostra.
“O smartphone entra então no sistema como um dispositivo de imagem: tiramos uma foto do microchip onde os vírus foram detectados, após introdução de uma pequena alíquota de amostra do paciente. A partir daí um sistema de inteligência artificial é utilizado para analisar aquela imagem obtida pelo celular”, detalha Luis Pacheco.
Essa foi uma outra grande inovação, segundo informações do professor, pois conseguiu-se implementar um sistema de inteligência artificial que reconhece se o resultado no microchip foi positivo ou negativo, mesmo com toda a variabilidade existente nas imagens obtidas por diferentes modelos de smartphones ou por diferentes indivíduos realizando o experimento, em condições de iluminação e de resolução variáveis.
“Mas nenhuma dessas adversidades impediu que o sistema conseguisse diagnosticar com alta acurácia amostras infectadas pelos vírus das hepatites B e C, pelo vírus da AIDS (HIV), pelo vírus Zika, e até mesmo pelo vírus SARS-CoV-2, quando testado com amostras de swab nasal de pacientes diagnosticados com COVID-19”, comemora o professor.
Como funciona
Na prática, o funcionamento é o seguinte: insere-se uma pequena alíquota de amostra do paciente (soro, por exemplo), numa pequena abertura do microchip. Dentro do sistema, os “elementos de reconhecimento” construídos com abordagens de nanobiotecnologia e biologia sintética reconhecem o agente viral específico e geram um sinal. Esse sinal é então captado pela câmera do telefone celular, mas não pode ser facilmente interpretado pelo olho humano. Aquela foto é então carregada no sistema de inteligência artificial que consegue distinguir se aquele microchip continha uma amostra positiva ou negativa.
Questionado sobre como a utilização de dispositivos dessa natureza pode vencer as questões de natureza cultural – já que a maior parte da população, até agora, parece confiar mais nos exames presenciais do tipo médico/paciente, o professor Pacheco afirma: “O uso de dispositivos móveis em diagnóstico é visto como uma estratégia complementar aos métodos diagnósticos de referência. Em princípio, essas tecnologias não têm o objetivo de substituir o diagnóstico realizado no laboratório de referência, mas sim dar maior acessibilidade aos testes, com um tempo mais rápido para acesso ao resultado. É um conceito diferente da telemedicina, em que o paciente recebe atendimento médico de forma remota. No caso dos diagnósticos baseados em mHealth (mobile Health), a principal contribuição será naqueles casos em que um diagnóstico feito em laboratório de referência não é muito viável, por exemplo em cidades do interior, distantes dos grandes centros onde concentram-se os laboratórios de referência”.
“No caso da COVID-19, até mesmo os grandes centros sofreram com a questão de acesso a testes de referência, como o RT-PCR. A rede laboratorial não deu conta de realizar esse teste para todos que precisavam, em tempo hábil. Dessa forma, um teste descentralizado baseado em celular poderia agilizar os resultados e aumentar a acessibilidade”, conclui Pacheco.
O trabalho de colaboração com a Harvard Medical School – que figura constantemente em vários rankings internacionais como a melhor instituição de pesquisa biomédica do mundo – foi possível através do Programa CAPES-Harvard de Professor/Pesquisador Visitante, do qual o professor Luis Pacheco foi representante na área de Biotecnologia, no ano de 2019, quando esteve como visitante no laboratório do Prof. Hadi Shafiee, da Harvard Medical School. Além disso, o estudante de doutorado em Biotecnologia da UFBA, Filipe Sampaio, participou do estudo como beneficiário de bolsa do programa de internacionalização CAPES-Print na UFBA.
Todo o trabalho foi realizado nos EUA, juntos aos grupos do Brigham and Women’s Hospital e Harvard Medical School. A equipe interdisciplinar, contou com biotecnologistas, médicos, químicos e engenheiros. A maior contribuição do grupo brasileiro foi com conhecimento e uma participação significativa na concepção e execução de experimentos, principalmente na parte de biologia sintética aplicada à detecção de material genético viral. As metodologias de inteligência artificial aplicadas às análises com smartphones são tecnologias proprietárias do grupo americano.
Mini-biografia
Luis Gustavo Carvalho Pacheco
Formado no Ensino Médio pelo Colégio Impulso de Sete Lagoas. Graduado em Ciências Biológicas com ênfase em genética (2004) pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), possui mestrado em genética (2006) e doutorado em bioquímica com ênfase em biologia molecular (2010) pela mesma instituição, este último com período sanduíche (2008-2009) na Universidade de Warwick, no Reino Unido. Realizou estágio de pós-doutoramento em genética molecular de microorganismos (2010) também na UFMG. Tem experiência nas áreas de biologia molecular, genética molecular de microorganismos e proteômica, atuando principalmente nos seguintes temas: genômica funcional, expressão gênica, biologia sintética. Além da ABC, também possui associações com a Sociedade Brasileira de Bioquímica e Biologia Molecular (SBBq).
Aprovado em primeiro lugar tanto para o mestrado quanto para o doutorado, a excelência tem acompanhado a formação de Luis Gustavo Pacheco a vida inteira. Instigado pela curiosidade científica desde criança, foram as ciências biológicas que ganharam prioridade em sua vida. E hoje, o novo afiliado da Academia Brasileira de Ciências (ABC) direciona seus estudos para os campos da genômica funcional e da biologia sintética.
Luis Pacheco nasceu no interior de Minas Gerais, em Sete Lagoas, em 1982. Quando menino, divertia-se com as brincadeiras pelas ruas da vizinhança com os amigos e os primos. Bom aluno, obtinha sempre as melhores notas nas provas de matemática.
O biólogo sempre foi muito interessado pelas áreas da ciência, tecnologia e engenharias, tendo essa aptidão muito estimulada por seus pais e professores. Ele conta que a mãe, observadora atenta do desempenho escolar dos filhos, acompanhava de perto as atividades extraclasses. Participou ativamente de todas as feiras de ciências e competições vivenciadas pelos filhos. “Meu pai, aos domingos, sempre me trazia um recorte de jornal com alguma coluna que tratava de ciência e educação.”
Ele lembra que, em 1999, às vésperas do ingresso na universidade, as preocupações comuns eram com a virada do milênio e um possível fim do mundo, previsto para agosto daquele ano. Mas, em sua mente, só havia a dúvida de que carreira seguir. Ele relata que foram as notícias sobre os avanços da pesquisa genômica brasileira anunciadas naquela época que o fizeram seguir pelo caminho das ciências biológicas. “‘Quero fazer o que esse cientista faz’ – foi a minha constatação quase ingênua frente ao deslumbramento que me causavam aquelas novidades da pesquisa brasileira nas áreas de genética e biologia molecular”, contou o Acadêmico.
Em março de 2000, ingressou então na que ficou conhecida como “a última turma do milênio” da graduação em ciências biológicas da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Lá, fez iniciação científica no Laboratório de Genética Celular e Molecular e optou por finalizar o bacharelado no campo da genética.
Poucas semanas após concluir a graduação, Luis Gustavo já começou a assistir às aulas do mestrado em genética, também na UFMG. Quase finalizando o mestrado, o Acadêmico ingressou no doutorado em bioquímica e imunologia da UFMG, com período sanduíche na Universidade de Warwick, em Cambridge, na Inglaterra. Lá, foi orientado pelo professor Christopher Dowson e, aqui no Brasil, contou com a mentoria dos professores Sérgio Costa Oliveira e Vasco Ariston de Carvalho Azevedo, que o orientaram durante a graduação e o mestrado.
Atualmente, Pacheco exerce a função de docente na Universidade Federal da Bahia (UFBA), onde coordena o Grupo de Estudos em Genômica Funcional e Biologia Sintética. Ele explica que a genômica funcional trata da relação entre o conteúdo genético dos organismos e a expressão das suas características, enquanto a biologia genética se dedica ao design e a construção de novos elementos para realizar novas funções, utilizando princípios da biologia e das engenharias. No grupo de pesquisa, os cientistas mesclam as duas áreas, “identificando novos alvos moleculares que podem ser usados para diagnóstico de agentes infecciosos ou para terapia de doenças inflamatórias, e desenvolvendo novas ferramentas como sistemas biossensores ou biomoléculas recombinantes que podem ser aplicados para estes fins”.
O biotecnólogo se diz muito interessado no impacto social e econômico que sua área pode gerar para o país, e tem buscado compreender o processo de translação do conhecimento acadêmico para produtos ou atividades que cheguem à sociedade. “Sem dúvida, a atuação como membro afiliado da Academia Brasileira de Ciências vai me permitir ter contato direto com pesquisadores de diversas áreas que compartilham desse mesmo desejo de transformar o país através da atividade científica”, declarou o cientista.
Com Academia Brasileira de Ciências
