Biossensores digitais: órgãos cibersensíveis

A antiga questão “o que é um homem?” hoje, em muitas aplicações, tudo se resume a uma muito mais substantiva: “como digitalizar uma pessoa?” – porque a resposta neste caso não é realmente pomposamente abstrata, mas bastante prática. E prático: por exemplo, é improvável que seja possível implantar um sistema digital de saúde verdadeiramente eficaz sem primeiro estabelecer um fluxo contínuo de dados médicos que seriam analisados ​​em tempo real por uma IA especialmente treinada para detecção precoce de uma ampla gama de doenças por sinais indiretos.

Para prender as vértebras adjacentes (geralmente na região lombar, para estabilizar a coluna), é utilizado um implante elástico inteligente, que recebe energia de um nanogerador triboelétrico embutido e, portanto, é capaz de registrar continuamente a pressão em ambas as superfícies, registrando dados em um microchip integrado para posterior análise clínica (fonte: iSMaRT)

O consumo de eletricidade, o nível de presença de certas impurezas na água ou no ar, a intensidade do campo magnético e muitos outros fenômenos naturais são digitalizados com a ajuda de sensores (sensores), que de uma forma ou de outra convertem algum parâmetro analógico, mas obviamente mensurável, em unidades e zeros; ou seja, em uma forma adequada para processamento por computador. Ao mesmo tempo, os fenômenos biológicos, incluindo os parâmetros fisiológicos do trabalho do corpo humano, são difíceis de medir adequadamente e requerem a mais alta precisão e confiabilidade de fixação. O preço de um erro no algoritmo e/ou equipamento é especialmente alto aqui; portanto, requisitos especiais são impostos aos biossensores. Portanto, o estado atual dessa direção de desenvolvimento da indústria de TI é um indicador muito adequado do nível de seu desenvolvimento como um todo.

⇡#Dificuldades de posicionamento

De forma mais direta e geral, um biossensor é definido como um dispositivo (independentemente do princípio específico de sua operação) que converte um determinado parâmetro variável de um sistema biológico em um conjunto de sinais expressos por indicadores numéricos. Por exemplo, uma máquina fMRI (ressonância magnética funcional), de acordo com essa definição, é um biossensor e tanto, exceto pelo fato de ser extremamente volumosa. Os mapas dinâmicos da atividade cerebral obtidos com seu auxílio possibilitam estudos aprofundados da atividade nervosa superior – porém, com limitações significativas: o sujeito do teste deve estar dentro da máquina, e quanto menos sua cabeça se mover durante o processo de medição, mais informativos serão os dados obtidos.

Um implante inteligente ativo equipado com uma série de eletrodos para monitorar e estimular o crescimento ósseo ajuda a lidar com as consequências da fusão (Fonte: Intelligent Implants)

Portanto, com mais frequência, os biossensores são entendidos como dispositivos muito mais compactos, principalmente vestíveis, para digitalizar manifestações mensuráveis ​​de processos biológicos. Um monitor de frequência cardíaca embutido em uma pulseira de fitness, um sensor de suor em uma camiseta inteligente, um implante inteligente para monitorar a recuperação da coluna após a fusão espinhal – todos esses são biossensores vestíveis (ou mesmo implantados cirurgicamente, invasivos) projetados para melhorar significativamente a qualidade da vida humana. O problema, porém, é que nem sempre estão cumprindo essa vocação, para dizer o mínimo, da melhor maneira possível.

Por exemplo, em 2015, pesquisadores da Rock Health afirmaram que o boom de gadgets vestíveis com biossensores, que parecia ameaçar estourar um ano antes – na onda de sua promoção ativa na mídia e nas redes sociais – na verdade, praticamente não deu um escape real. Sim, surgiu o interesse do público em geral, mas o primeiro contato com as pulseiras de fitness amplamente divulgadas, os monitores de frequência cardíaca “inteligentes” (naquela época, “inteligente” significava nada mais do que “capaz de transmitir medições para um aplicativo de smartphone via Bluetooth) e outros dispositivos para muitos de seus primeiros compradores ficaram desapontados.

Biossensores na forma de microagulhas monitoram continuamente o nível de antibióticos no corpo do paciente: embora essas agulhas penetrem tecnicamente na camada superior da pele, os orifícios que elas fazem são tão pequenos que não ocorrem sangramentos (fonte: Imperial College London)

Essa tendência persiste em geral até hoje: se, por exemplo, no III trimestre. Em 2020, metade de todos os gadgets inteligentes usados ​​no pulso fornecidos ao mercado mundial, de acordo com a Canalys, eram bandas básicas – pulseiras de fitness com funcionalidade mínima – então no quarto trimestre. 2022, sua participação caiu para 18%. Os compradores de hoje preferem cada vez mais smartwatches com mais recursos – mesmo apesar do preço médio significativamente mais alto daqueles no varejo. Os especialistas veem a razão disso na ausência de valor cotidiano para o consumidor médio nos gadgets mais simples com biossensores. Sim, a pulseira mede o pulso, e o aplicativo no smartphone associado a ela constrói o gráfico correspondente por minuto, por hora ou por dia – mas qual a utilidade disso para uma pessoa praticamente saudável?

O problema, percebido pelos analistas da Rock Health, é muito mais profundo do que um indício trivial do despreparo de um leigo comum para interpretar adequadamente longas séries de dados médicos – que, na verdade, são coletados por biossensores digitais. O problema é que, embora uma pessoa se sinta geralmente saudável, em geral – com exceção de atletas profissionais, frequentadores sérios de academias de ginástica e várias categorias bastante restritas – não é tão importante exatamente quais são esses ou outros indicadores fisiológicos de seu corpo. E assim que um determinado problema de saúde se manifesta de forma inequívoca, uma pessoa recorre a médicos profissionais – e então o estudam com a ajuda de dispositivos já especializados, muitas vezes muito à frente dos sensores domésticos embutidos em aparelhos vestíveis, em termos de precisão e confiabilidade das medições.

Um dos típicos biossensores oximétricos de pulso embutidos em dispositivos vestíveis (geralmente de pulso) contém um emissor de infravermelho e um sensor de luz ambiente, um controlador de 16 bits e uma interface digital I²C (fonte: Rutronik GmbH)

Ao mesmo tempo, nos últimos anos, devido ao rápido desenvolvimento de tecnologias, a qualidade dos biossensores disponíveis ao público tornou-se cada vez mais alta e o custo diminuiu constantemente. Sete ou oito anos atrás, era realmente difícil imaginar um profissional respeitável que monitorasse a saúde de seu cliente – não um paciente em um hospital, mas uma pessoa praticamente saudável vivendo uma vida cotidiana normal – com base na análise de longas séries de medições fisiológicas transmitidas por meio de um aplicativo de smartphone por alguma pulseira de fitness barata. Hoje, o quadro é diferente: já faz sentido economicamente integrar biossensores modernos em dispositivos vestíveis e até mesmo implantá-los dentro de um organismo praticamente saudável para detectar com antecedência os primeiros sinais de tais mudanças, que,

Além de aumentar a sensibilidade dos biossensores, a gama de parâmetros fisiológicos registrados por eles se expande com o tempo. Em 2014-2015. a maioria dos desenvolvedores concentrou seus esforços em dispositivos capazes de medir o pulso de seu usuário e determinar a qualidade de seu sono (usando giroscópios e acelerômetros para registrar os movimentos do corpo à noite). Gradualmente, após esses dispositivos de massa, começaram a aparecer dispositivos vestíveis com sensores de temperatura, frequência respiratória e profundidade, condutividade e hidratação da pele, atividade dos neurônios cerebrais (não com detalhes do nível fMRI, é claro, mas pelo menos em termos gerais), pressão sanguínea etc.

Parcela de proprietários de rastreadores de atividades vestíveis (pulseiras de fitness, etc.), em 2014-2015 aqueles que não abandonaram seus brinquedos digitais, depois de um certo número de meses (ao longo do eixo x) após a compra, diminui visivelmente: linha verde – dados da Endeavor Partners, roxo – Rock Health (fonte: Intelligent Implants)

De acordo com um relatório da Endeavor Partners, até um terço dos proprietários de gadgets vestíveis com biossensores em 2015 pararam de usá-los antes do vencimento dos primeiros seis meses a partir da data da compra. Os analistas da Rock Health (embora em uma amostra mais restrita) ao mesmo tempo deram uma estimativa muito mais imparcial – cerca de 80%. E o estado atual do mercado de gadgets usados ​​​​no pulso confirma que os compradores são atraídos principalmente pelos recursos avançados das comunicações digitais, e não pelo número e qualidade dos biossensores. É por isso que, aliás, neste segmento, relógios inteligentes caros com telas de toque coloridas de alta resolução são muito mais procurados do que pulseiras de fitness estreitas e econômicas: os primeiros simplesmente não ficam entediados tão rapidamente.

A vida real ainda não é um jogo de computador, e outra conquista registrada pelo gadget (“Parabéns! Você deu 10.000 passos hoje!” – fanfarra de oito bits do alto-falante do smartphone e fogos de artifício pintados na tela) agrada o proprietário, é claro, mas não com tanta força que o encoraje seriamente a algo mais. Por outro lado, atribuir um médico pessoal a cada usuário de uma pulseira de fitness para identificar potenciais problemas de saúde em um estágio inicial é simplesmente irreal. Envolver a inteligência artificial neste trabalho é uma ideia mais do que sensata e, neste contexto, quanto mais diversos parâmetros fisiológicos puderem ser coletados por biossensores digitais vestíveis e implantáveis, melhor.

⇡#Implementar ou não implementar?

Várias medições fisiológicas simplesmente não podem ser realizadas sem acesso aos órgãos internos. Por exemplo, o método proposto pela empresa suíça Luciole Medical para determinar a saturação de oxigênio do sangue envolvido na circulação cerebral envolve a introdução de uma sonda no crânio do paciente – porém, a uma profundidade de apenas 4-5 cm. Usando quatro lasers infravermelhos com diferentes comprimentos de onda, além de coletar informações de um sensor de superfície colocado ao lado da sonda, os pesquisadores aprenderam a determinar a concentração de hemoglobina no sangue – e com base nisso, calcular a quantidade de oxigênio entregue aos tecidos cerebrais. Em tais situações, um dispositivo não invasivo de pulso ou mesmo montado na cabeça é claramente indispensável.

Processador microfluídico para pesquisa biomédica pode salvar pacientes de uma operação dolorosa e difícil – uma biópsia de medula óssea (fonte: Massachusetts Institute of Technology)

Uma questão completamente diferente é a medição dos parâmetros do sangue circulando por todo o corpo. Se antes de qualquer estudo, por exemplo, do teor de açúcar, era necessário perfurar a pele e obter pelo menos uma pequena gota de sangue, agora os glicosímetros não invasivos são dispositivos cada vez mais promissores para monitoramento contínuo desse importante indicador fisiológico.

Parece mais lógico aplicar aqui aproximadamente a mesma tecnologia que no estudo direto de uma amostra de sangue – espectroscopia Raman. Por um lado, o nível de açúcar (em oposição à saturação de oxigênio) é aproximadamente o mesmo em qualquer parte do sistema circulatório humano; por outro lado, existem muitas zonas do corpo onde pequenos vasos estão o mais próximo possível da superfície, e a camada protetora da pele é fina e quase transparente à radiação infravermelha. Já foram desenvolvidos aparelhos que medem esse indicador de forma bastante confiável, para obter um resultado em que o paciente só precisa colocar o dedo no painel de medição do aparelho – e sem furos. Esses monitores de glicose por toque (TGM) começaram a aparecer comercialmente – e para muitos pacientes diabéticos são muito mais atraentes,

Um típico glicosímetro não invasivo: pressione o sensor, obtenha o resultado (fonte: RSP Systems)

No entanto, você pode fazer sem tocar, medindo a concentração de certas substâncias – compostos orgânicos voláteis (compostos orgânicos voláteis VOC) – no ar exalado por uma pessoa. Algumas dessas moléculas são formadas durante a extração de energia da glicose no organismo, a quebra de gorduras e outros processos importantes para o diagnóstico e acompanhamento do diabetes. E embora no passado fosse necessário um equipamento de laboratório volumoso para determinar com segurança o nível de concentração de VOC pela respiração, nos últimos anos, os pesquisadores conseguiram reduzir as dimensões do analisador a tamanhos de bolso – sem sacrificar, segundo eles, a precisão e a confiabilidade das medições.

Ambas as direções da glicometria não invasiva são baseadas no processamento de grandes matrizes de dados: tanto para cada paciente individualmente quanto para muitos deles, a fim de identificar os padrões mais gerais. Quanto mais sólida a base estatística, mais confiáveis ​​​​serão os julgamentos dos sistemas digitais que calculam os valores de um indicador que não está disponível para medições diretas (o conteúdo do mesmo açúcar no sangue) de acordo com vários sinais indiretos.

Outro tipo de sensor de glicose não invasivo detecta a presença de açúcar no sangue pelas substâncias características na composição do suor que aparece na pele – e se um determinado nível for ultrapassado, ele comanda automaticamente a injeção de insulina (fonte: AllAboutCircuits)

É claro que tais sistemas fornecerão a mais alta precisão no modo de uma espécie de “enxame”, ajuste dinâmico, quando as informações sobre as medições atuais com seu uso – e sobre as de controle realizadas em um hospital ou usando glicosímetros domésticos clássicos em forma de agulha – fluirão continuamente em um único banco de dados: isso permitirá o ajuste regular das constantes ou mesmo algoritmos de cálculo em cada um dos dispositivos usados ​​​​individualmente. Esses biossensores digitais inteligentes e conectados pedem apenas a integração em um único sistema comum de monitoramento da saúde dos cidadãos – o mesmo “enxame” – pelo menos no nível da região, senão do país como um todo. A tarefa fica claramente para o futuro, mas merece, segundo especialistas, aprofundamento.

E, no entanto, superar a barreira pele/osso para acessar o material biológico em estudo não é a tarefa mais importante que os biossensores digitais enfrentam. Também é importante que a sensibilidade do dispositivo em miniatura seja suficiente para uma medição adequada. Felizmente, as características físicas e químicas do funcionamento dos organismos vivos jogam a favor dos sensores digitais compactos: acontece que, às vezes, quanto menor a dose da substância em estudo, mais correto pode ser o julgamento sobre sua composição. Mais precisamente – sobre o próprio fato da presença de um certo tipo de compostos.

Um biossensor digital em um implante inteligente ortopédico (endoprótese de articulação do joelho) permite controlar os movimentos do paciente, dando-lhe automaticamente dicas para o desenvolvimento mais rápido da prótese (fonte: Zimmer Biomet)

Estudos químicos laboratoriais que se tornaram clássicos para médicos nas últimas décadas, como PCR (Polymerase Chain Reaction) ou ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) para a detecção de certos ácidos nucléicos e proteínas, respectivamente, lidam com volumes bastante mensuráveis, embora bastante pequenos, de medicamentos. E a sensibilidade limitante de tais métodos é determinada pelo nível de concentração das substâncias desejadas na amostra em estudo. Ao mesmo tempo, muitos biomarcadores — moléculas que indicam inequivocamente que um determinado processo está ocorrendo no corpo, geralmente prejudicial — são liberados em quantidades extremamente pequenas justamente nos estágios iniciais das doenças, quando o tratamento é mais fácil de realizar e sua eficácia é máxima.

O RNA do Vírus da Imunodeficiência Humana ou a troponina (uma proteína encontrada no músculo cardíaco) são exemplos típicos desses biomarcadores. Sua concentração é frequentemente medida em atto e femtomoles – respectivamente, 10-15 ou 10-12 – por litro. Por esta razão, reações volumétricas realizadas durante PCR ou ELISA com unidades ou mesmo dezenas de mililitros da amostra de teste revelam a presença de tais biomarcadores com baixíssima confiança. Não é tão significativo aqui que tais reações exijam amostragem do corpo (sua localização em um tubo de ensaio) e exijam equipamentos estacionários maciços, ou seja, para uso potencial em um gadget vestível, eles não são tão fáceis de dimensionar. Importante,

A preparação manual de preparações ELISA analógicas é um processo espetacular, mas demorado (fonte: Diag2Tec)

⇡#Torná-lo menor

Isso significa que faz sentido não trabalhar com tubos de ensaio macroscópicos e volumes de mililitros, mas usar as conquistas da alta tecnologia para identificar moléculas quase individuais em porções insignificantes da substância em estudo. Essa é justamente a essência da biossensoria digital: na divisão sequencial (esmagamento, compartimentalização) de uma amostra biológica em volumes tão pequenos, calculados em femto ou picolitros, que cada um deles certamente conterá 0 ou 1 amostra da molécula biomarcadora desejada. Isso é realmente tecnologia digital no sentido mais literal da palavra – “mentira” ou “verdade”; Não há terceiro!

Os métodos laboratoriais convencionais para a detecção de certas substâncias – a já mencionada espectroscopia, por exemplo – são extremamente insensíveis a baixas concentrações dos compostos desejados no volume total da amostra. Com um aumento na resolução das configurações, os ruídos espúrios inevitavelmente aumentam, de modo que, digamos, em um espectrograma, um máximo de absorção medido de maneira bastante confiável, mas pequeno em valor absoluto em um determinado comprimento de onda (que deve indicar a presença desse composto específico na amostra) pode ser simplesmente indistinguível devido à superposição de sinais de ruído aleatórios. Assim que a concentração aumentar – sim, o espectroscópio dará um resultado confiável; mas para o paciente, um diagnóstico precoce ameaça se transformar em uma piora do quadro clínico.

No entanto, como nos ensina a físico-química, a velocidade de uma reação química (definida como o número de partículas de um determinado tipo que entram em uma determinada reação por unidade de tempo em uma unidade de espaço) é inversamente proporcional ao volume desse mesmo espaço – mais precisamente, o volume da reação. Isso significa que, se o volume da amostra for grande o suficiente e a concentração do reagente for relativamente baixa e/ou sua distribuição for desigual, a reação não ocorrerá em todos os lugares – mais precisamente, em diferentes partes da amostra em taxas diferentes, e o volume da reação geralmente é menor do que fisicamente ocupado pelos reagentes. Assim, a ideia da biossensoria digital como método físico-químico é dividir o volume inicial da amostra em fragmentos tão microscópicos que literalmente uma molécula do reagente entra em cada um deles, cuja presença ou ausência na amostra deve ser estabelecida. Felizmente, nesse caso, as reações deveriam, em tese, ocorrer na velocidade máxima possível.

Células biológicas separadas que pousaram nos poços da placa de microtitulação. Comprimento da barra de escala – 100 µm (fonte: Academia Chinesa de Ciências)

Parece que se trata de um trabalho natural de Sísifo: em concentrações francamente baixas, características de biomarcadores, uma já minúscula gota de biomaterial terá que ser dividida em um grande número de fragmentos, e uma reação deve ser realizada em cada um deles separadamente. Mas este é o ponto: a taxa de tal reação dentro de um volume de picolitro será extremamente alta e, devido à ausência prática de inclusões estranhas nesta amostra, o nível de ruído parasita durante a detecção dos resultados do teste diminuirá visivelmente. Assim, a identificação de moléculas individuais de biomarcadores torna-se uma questão puramente técnica, e os biossensores digitais em miniatura fazem um excelente trabalho com isso.

Outra vantagem dos biossensores digitais é a redução ao mínimo absoluto do erro nas medições numéricas da concentração do composto desejado em uma amostra retirada de um paciente. Se em uma parte dos fragmentos de picolitro estudados da amostra inicial, estritamente uma molécula desejada entrou na reação química (e o fato de estar lá, confirmará a taxa dessa reação), e na outra parte a reação não ocorreu, dividindo o primeiro valor pelo segundo e levando em consideração o volume de cada picossondas, não é difícil calcular mecanicamente a concentração exata do biomarcador estudado na amostra original.

O procedimento bastante complexo de ELISA/dELISA, em última análise, se resume a contar os poços nos quais a reação ocorreu – é claro, por métodos digitais (fonte: American Chemical Society)

Há, é claro, uma desvantagem nessa abordagem. É praticamente impossível fazer um biossensor digital tão versátil quanto qualquer espectrógrafo de massa: cada tipo de molécula requer sua própria configuração de zona de reação subminiatura (na verdade, um reator, no sentido químico original da palavra, que surgiu muito antes do advento dos reatores nucleares), e a tecnologia para esmagar a amostra inicial em volumes de picolitro pode variar significativamente dependendo do tipo de material biológico que está sendo estudado. Mas, em geral, os biossensores digitais permitem resolver tais problemas de diagnóstico e em estágios tão iniciais que é impossível lidar com o método clássico de laboratório, pelo menos com a mesma velocidade de pesquisa e confiabilidade dos resultados.

Um dos exemplos mais impressionantes de tecnologias de biossensores digitais que estão sendo amplamente implementadas atualmente é a versão digital do ensaio imunossorvente ligado a enzima (ELISA), ELISA digital ou simplesmente dELISA. Essa sigla não é muito familiar para um grande público, mas visualmente, com certeza, todos sabem do que se trata. É comum acompanhar quase todas as reportagens de televisão de um laboratório médico com uma sequência de vídeo espetacular característica – como um funcionário de jaleco branco traz longas pipetas coletadas em uma régua semelhante a um ancinho (certamente preenchida com um líquido de tonalidade deliberadamente venenosa) sobre um conjunto retangular de pequenos tubos de ensaio. Este, na verdade, é o procedimento de adição de um reagente, seguido de exposição,

Vários tipos de matrizes de laboratório com mini e microcélulas (Fonte: Wikimedia Commons)

No caso do dELISA, as amostras são colocadas não em uma matriz retangular de tubos de ensaio individuais, ainda que em miniatura, mas na chamada placa de microtitulação com células, também chamada de micropoços. As nanopartículas (20-30 nm de diâmetro) são colocadas em micropoços, em cuja superfície ocorre a reação desejada: para simplificar a colocação dessas partículas nas células e sua extração no final do experimento, elas geralmente são feitas de materiais superparamagnéticos como a magnetita (Fe3O4) – somente quando um forte campo externo é aplicado, elas exibem propriedades magnéticas, enquanto em condições normais não se juntam em aglomerados.

Em vez de pipetas, o dELISA usa microfluídica digital (DMF), sistemas em um chip que permitem formar gotas microscópicas de micro e até nanolitros a partir de um fluxo líquido, após o que direcionam sua queda com a maior precisão: neste caso, nos micropoços de uma placa de titulação. Função DMF usando o efeito de eletromolhabilidade – mudanças no coeficiente de umectação da superfície sob a influência de um campo ou corrente elétrica. Em geral, se a sensibilidade da versão clássica do ELISA atinge unidades de picogramas da substância desejada por mililitro, já a primeira implementação do dELISA em 2010 demonstrou esse indicador no nível de 14 fg/ml (femtogramas por 1 ml). E este não é o limite!

Várias aplicações biológicas e médicas requerem sistemas de macrotitulação com tamanhos de poços definidos (fonte: Microsurfaces Pty Ltd)

⇡#Transformação da vida cotidiana

Como a qualidade de vida de cada um de nós mudou quando os sensores de impressão digital se tornaram uma opção padrão em smartphones e laptops, não há necessidade de explicar a ninguém, quero acreditar: a biometria em muitos casos é mais fácil para o usuário e mais confiável em termos de resistência a hackers do que a senha mais complexa (e ainda mais o código PIN). A transição para um novo patamar de qualidade de vida depois que os biossensores digitais se disseminarem em escala semelhante nem é fácil de imaginar. Além disso, “vida” no sentido biológico mais direto da palavra.

Devido às características físico-químicas do fenômeno de umedecimento em sistemas de microtitulação, para formar microgotículas isoladas da amostra na superfície da plataforma, basta incliná-la, sacudindo tudo o que for supérfluo (fonte: Karlsruhe Institute of Technology)

De acordo com um estudo realizado em 2019 nas principais clínicas médicas da Espanha, cerca de metade dos pacientes com doenças crônicas de vários tipos não segue o regime medicamentoso prescrito. E por vários motivos: desenvolver o hábito da doença (e, como resultado, reduzir a ansiedade em relação a ela), preguiça ou esquecimento banal, medo dos efeitos colaterais dos medicamentos etc. Então, como você pode garantir que os comprimidos sejam tomados estritamente de acordo com o horário – fora do hospital?

Os biossensores digitais também estão prontos para ajudar aqui – sendo combinados com um dispositivo médico tão conhecido como uma pílula eletrônica. O primeiro uso de um dispositivo que pode ser engolido, medindo a temperatura e a pressão dentro do corpo e transmitindo os dados para o exterior por meio de um canal de rádio, data de 1957, e o uso generalizado de pílulas com câmeras de vídeo embutidas para diagnósticos não invasivos do trato gastrointestinal ocorreu no início do século XXI. E, no entanto, uma coisa é controlar certos parâmetros fisiológicos por dentro por meio de pílulas inteligentes, e outra é garantir a regularidade de tomar os medicamentos de que o paciente precisa.

A pílula de vídeo digital é um verdadeiro alívio para quem se submete a uma enteroscopia (fonte: PillCam)

Geralmente, existem duas abordagens aqui. A primeira é passiva: a pílula inteligente é equipada com um biossensor digital capaz de detectar (permanecendo, naturalmente, no estômago do paciente) o próprio fato de uma substância ativa do medicamento prescrito para essa pessoa entrar no corpo. E se tal fato não for registrado em tempo hábil, dê o alarme enviando, por exemplo, primeiro um lembrete para o smartphone do paciente e, se ele não se apressar para tomar o comprimido prescrito, informando o médico que o está observando. A Food and Drug Administration dos EUA aprovou esse tipo de dispositivo pessoal em 2017 para rastrear a regularidade de medicamentos para pessoas que sofrem de uma série de doenças mentais, incluindo esquizofrenia e transtorno bipolar.

Outra abordagem para agilizar a entrega de medicamentos a um organismo sofredor por meio de pílulas inteligentes pode ser chamada de ativa: nesse caso, a substância ativa já está colocada no gadget para ser engolida e, como tudo se dissolve gradualmente no mesmo estômago, ela é excretada – e em doses rigorosamente medidas. Propõe-se que o controle de dosagem, neste caso, seja fornecido não por alguns métodos tecnológicos complexos (como colocar uma bomba em miniatura dentro da pílula que ejeta regularmente porções da droga), mas simplesmente formando o invólucro do próprio dispositivo a partir da substância ativa da droga – misturada com uma composição tampão que é inofensiva ao corpo e se dissolve sob a influência do suco gástrico a uma certa velocidade. É muito conveniente personalizar essas pílulas inteligentes (depois de selecionar a dosagem necessária para um determinado paciente),

Essas pílulas com sensor de drogas aprovadas pela FDA em 2017, além de um aplicativo de smartphone para elas (fonte: Otsuka America Pharmaceutical, Inc.)

Para pacientes que sofrem de câncer, as pílulas inteligentes de primeiro ou segundo tipo não ajudarão, mas os biossensores digitais estão prontos para melhorar a qualidade de suas vidas. Estão sendo desenvolvidos sensores compactos e baratos que podem determinar rapidamente a concentração de drogas quimioterápicas no sangue ou na saliva do paciente, dando assim um feedback imediato ao médico que prescreveu o tratamento. Nesse caso, é extremamente importante a velocidade: se a dose selecionada for muito pequena, não haverá efeito da terapia; muito grande – o remédio em si será pior que a doença. Isso é apenas para verificar continuamente o nível ideal da substância ativa no corpo do paciente, esses sensores são os mais adequados.

Especialistas no campo da medicina de alta tecnologia estão confiantes de que o futuro está em vários biossensores digitais que monitoram continuamente uma ampla variedade de indicadores fisiológicos – a saturação de vários tecidos do corpo com oxigênio, níveis de glicose no sangue e muito mais – e todos esses dados devem fluir para um único centro de processamento, formando um mapa dinâmico de saúde pessoal de uma pessoa digitalizada dessa maneira. Do ponto de vista puramente aplicado, a perspectiva é brilhante: o monitoramento contínuo por meio de uma variedade de sensores, operando em parte por dentro do corpo, em parte desgastados por fora, melhorará significativamente a qualidade de vida de muitas pessoas, especialmente aquelas que sofrem de doenças graves e/ou crônicas.

O adesivo elétrico ativo inteligente para cicatrização de feridas complexas possui um eletrodo central que é biodegradável. (Fonte: Northwestern University)

No entanto, também há motivos para preocupação. Os especialistas observam que, com várias doenças mentais, o simples fato de o paciente estar continuamente sob controle digital vigilante (não importa aqui se um médico vivo analisará os dados coletados ou uma IA certificada) não ajudará de forma alguma a fortalecer o equilíbrio mental do paciente e a recuperação rápida. Sim, e os problemas de segurança cibernética não podem ser descartados: a interceptação ou comprometimento por invasores de tais fluxos de dados confidenciais coloca a saúde e a vida das pessoas sob uma ameaça particularmente séria.

No entanto, é encorajador que dispositivos digitais com biossensores sejam capazes não apenas de registrar o estado de saúde do paciente, mas também de corrigi-lo. Assim, um patch eletrônico biodegradável, cujo protótipo está sendo desenvolvido no Reino Unido, contém eletrodos externos e internos, um sensor de resistência (determina o grau de cicatrização da ferida pela dinâmica desse indicador), além de um chip NFC para transmissão de dados e um circuito indutivo para geração de energia. Estudos em camundongos mostraram que tal dispositivo, que cria uma voltagem de cerca de 1 V na superfície da pele próxima à ferida, estimula a regeneração celular e proporciona uma cicatrização 30% mais rápida do que no grupo controle de animais cujas feridas foram seladas com emplastros convencionais.

O biossensor de grafeno capta compostos com grupos carboxila nas concentrações mais baixas, que são extremamente difíceis de detectar por métodos de química clássica, mas já são significativos para sistemas biológicos (fonte: Nanomedical Diagnostics)

À medida que novas células crescem, o eletrodo interno feito de molibdênio fica sob a camada superior da pele, após o que é desconectado do restante do aparelho e gradualmente se dissolve dentro do corpo, com a concentração de molibdênio nos tecidos voltando ao normal após 22 semanas. Claro, tal patch eletrônico deve tratar não arranhões acidentais, mas feridas graves que não cicatrizam por meses, são afetadas por infecções e, na pior das hipóteses, levando à amputação.

De acordo com pesquisadores da Infineon, os biossensores digitais e outros eletrônicos vestíveis para fins médicos geralmente estão sendo desenvolvidos sob o lema “saúde é autocuidado”. Enfatiza a consciência pessoal e a responsabilidade do paciente por tudo o que lhe acontece, incluindo o diagnóstico oportuno de possíveis problemas de saúde, sua prevenção controlada, bem como a adesão cuidadosa aos protocolos de tratamento prescritos por especialistas. Em outras palavras, é bem possível digitalizar uma pessoa para melhorar (no sentido médico) a qualidade de sua vida, mas somente se ela própria adotar uma abordagem responsável para a formação de seu próprio gêmeo digital.

Por mais inteligentes que sejam os elementos da Internet das Coisas médica, por mais extensa que seja a base para treinamento de IA, pronta para analisar fluxos de dados densos de biossensores e fazer diagnósticos adequados, tudo isso é inútil se a própria pessoa não estiver pronta para cuidar de sua própria saúde em suas próprias mãos. E a tecnologia, por mais high-tech que seja, é apenas uma ajuda nisso.