Se um tumor conseguiu se instalar no cérebro de um ser vivo, ele fez isso - do ponto de vista do tumor - de maneira muito astuta. Ele se escondeu atrás de uma das mais poderosas barreiras com as quais o corpo protege seus órgãos mais importantes: a barreira hematoencefálica, um filtro muito seletivo que permite a passagem apenas de substâncias selecionadas. A maioria dos medicamentos não consegue atravessá-la, e por isso é um grande desafio para a medicina encontrar uma quimioterapia eficaz contra tumores cerebrais.
Nos últimos anos, a pesquisa médica encontrou um aliado promissor: a nanotecnologia. Materiais em escala nanométrica podem, figurativamente, assumir o papel de carteiros que entregam substâncias ativas no endereço desejado. Como as nanopartículas são incrivelmente pequenas - aproximadamente 500 vezes menores que o diâmetro de um fio de cabelo humano - algumas conseguem atravessar as barreiras protetoras do corpo, sem danificá-las. No caso de tumores cerebrais, as nanopartículas poderiam transportar substâncias quimioterápicas através da barreira hematoencefálica até o cérebro, onde poderiam então combater o tumor.
Procura pelo nanomaterial adequado
Todavia, as nanopartículas devem possuir características muito específicas, dependendo da tarefa
que devem realizar: dependendo da forma, composição material e tamanho, distribuem-se de modo
diferente no corpo e acumulam-se em outros órgãos. É necessário, portanto, descobrir quais
partículas realizam melhor a sua função, causando o menor dano possível. Até agora, pesquisadores
utilizaram modelos animais, geralmente ratos, para responder a essas questões: administravam
diferentes nanomateriais aos ratos e examinavam como se distribuíam em seus corpos e quais
efeitos colaterais tinham. Contudo, esses estudos em animais não só são dispendiosos, demorados
e caros, como também problemáticos do ponto de vista ético. Não sem motivo a lei suíça de
proteção aos animais exige que o número de testes em animais seja limitado ao mínimo necessário.
Rato de IA com vantagem decisiva
Por isso, a pesquisadora do Empa, Jimeng Wu, doutoranda nos departamentos "Nanomaterials in
Health" e "Technology and Society", desenvolveu um rato virtual onde esses testes podem ser
realizados de maneira muito mais rápida com a ajuda da IA. Para este modelo farmacocinético
baseado em fisiologia (modelo PBPK), Wu utilizou 18 estudos em ratos como base, ou seja, dados
de experimentos de diferentes equipes de pesquisa em ratos "reais". Complementarmente, ela
integrou em seu modelo um método estatístico, a análise Bayesiana com simulações de Monte Carlo
em cadeia de Markov.
O resultado é um rato virtual a quem - também virtualmente - podem ser administradas nanopartículas. Em seguida, o modelo calcula sua distribuição no corpo do rato com base em características como tamanho, revestimento e carga superficial. Em comparação com um modelo PBPK tradicional, que é calibrado apenas para uma única substância, o rato de IA de Wu tem uma vantagem significativa: "O modelo pode ajustar seus parâmetros às características mensuráveis de cada nanopartícula", explica Jimeng Wu. Esta habilidade é graças à ferramenta de "modelo de regressão linear multivariada", uma abordagem de aprendizado de máquina.
Contribuição para "Seguro e Sustentável por Design"
"Este instrumento de triagem apoiado por IA permite aos pesquisadores testar virtualmente qual tipo
de nanopartículas é mais adequado para uma tarefa específica, antes mesmo de produzir essas
partículas", explica Jimeng Wu. Isso não só economiza tempo, como também custos, porque fornece
uma ajuda na decisão antes de iniciar um estudo clínico dispendioso.
"Com isso, o modelo contribui para o conceito de "Seguro e Sustentável por Design" (SSbD), complementa Peter Wick, que orienta Jimeng Wu junto com seu colega Bernd Nowack em seu doutorado. Porque o rato virtual aumenta a segurança de novos materiais ou terapias antes mesmo de seu desenvolvimento. No entanto, o pesquisador do Empa salienta que o conjunto de dados com o qual o modelo foi treinado até agora ainda é muito pequeno: até agora, apenas 18 "artigos com revisão por pares" foram encontrados com qualidade de dados suficiente. "Em muitos estudos, as características das nanopartículas usadas não são suficientemente descritas", observa ele. É agora necessário alimentar o rato virtual com dados de estudos adicionais e verificá-lo para aumentar ainda mais a confiabilidade das previsões. "Nosso objetivo a longo prazo é encurtar o processo de desenvolvimento de materiais nanomedicinais até sua aplicação como medicamento em pacientes, e fazer isso tanto quanto possível sem testes em animais", enfatiza.
Tornar o modelo útil
para a pesquisa humana
O trabalho de pesquisa futuro de Jimeng Wu também se dedicará a uma chamada "estratégia de
ponte" para transferir o princípio de seu modelo in silico para a pesquisa humana. Para isso, ela
planeja incorporar os princípios do rato virtual em um modelo PBPK humano. Ao contrário de seu
rato de IA, que apenas calcula a distribuição de nanopartículas no fígado, rins, pulmões e baço, um
modelo humano in silico também poderia ser usado para investigar órgãos-alvo sensíveis - por
exemplo, para explorar em que medida certas nanopartículas podem superar a barreira
hematoencefálica. Mesmo o tumor cerebral mencionado no início poderia então não se sentir seguro
atrás dessa barreira - nanopartículas poderiam entregar a ele, na função de "carteiro", um pacote
com uma dose direcionada de quimioterapia.
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