O dispositivo Evolution-ona-chip ajuda a revelar mutações que levam a superbactérias

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O dispositivo “Evolution-on’a-chip” ajuda a revelar
mutações que levam a superbactérias
Um dispositivo microfluídico bem baseado permite que os pesquisadores gerem dados importantes que
são necessários para entender melhor os parâmetros que influenciam a evolução das bactérias para
combater a resistência aos antibióticos.
Crédito da imagem: Kersten Rabe et al.
Os antibióticos estão se tornando cada vez mais ineficazes à medida que a resistência aos
medicamentos se espalha pelo mundo, tornando cada vez mais difícil tratar infecções evitáveis. Além da
descoberta de novos agentes antibióticos capazes de matar bactérias resistentes (embora, de acordo
com a OMS, “esta tubulação esteja seca”, entendendo como as bactérias desenvolvem resistência e o
que leva à criação de “superbactérias” são igualmente importantes em nossos esforços para evitar esta
crise global.
Em um estudo recente publicado na Small, uma equipe de pesquisadores liderada pelo Dr. Kersten
Rabe, do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), desenvolveu um dispositivo microfluídico que lhes
permite monitorar a evolução bacteriana de superbactérias resistentes a antibióticos como resultado da
exposição a níveis variados de antibióticos.
“Queríamos desenvolver e testar um chip microfluídico no qual as células podem ser cultivadas sob
condições químicas e físicas, quase estáticas definidas por longos períodos de tempo, e estudar a
influência dessas condições na ocorrência e seleção de mutações”, disse Rabe.
https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/antimicrobial-resistance
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A pesquisa em dispositivos microfluídicos e sua capacidade de imitar sistemas biológicos vem
explodindo nos últimos anos, oferecendo plataformas baratas e robustas com capacidades marcantes,
como a capacidade de imitar órgãos, modelos de doenças e testar os efeitos de novos medicamentos, o
que pode ser uma estratégia mais eficaz do que a modelagem animal.
“Dispositivos microfluídicos usam estruturas de microescala nas quais líquidos e gases são movidos sob
fluxo definido”, explicou Rabe. “Isso permite, por exemplo, uma mistura muito definida. Além disso, os
parâmetros de reação, como a temperatura, podem ser ajustados com precisão graças às pequenas
dimensões e, portanto, pequenos volumes.
Em seu artigo, os autores dizem que, embora os sistemas de chip fluídico miniaturizado estejam
ganhando força na análise de sistemas microbianos, a capacidade de gerar gradientes de estressores
espacialmente definidos, como antibióticos, ainda é limitada e, na maior parte, não permite que os
pesquisadores realizem experimentos de longo prazo sobre as bactérias. Como resultado, eles podem
não ser capazes de descobrir adaptações que muitas vezes se manifestam apenas após o cultivo
prolongado.
Em dispositivos microfluídicos, os gradientes do estressor são geralmente orientados
perpendicularmente à direção do fluxo de fluidos do sistema (Figura a, b) e o movimento das células de
áreas de baixo estresse para alto estresse devem ser manipulados, por exemplo, através de um arranjo
de nutrientes: baixos nutrientes em áreas de baixo estresse e altos nutrientes em áreas de alto estresse
para atrair células para triagem. As células adaptadas ou resistentes se movem para áreas de alto
estresse, permitindo que os pesquisadores as analisem. Mas isso é problemático, pois as células
adaptadas podem potencialmente nunca atingir as áreas de alto estresse do chip onde a seleção pode
ocorrer.
Isso é o que Rabe e sua equipe procuraram superar com uma nova configuração que usa uma série de
micropovas e estabelece um gradiente de estresse ao longo da direção do fluxo (Figura c). As forças de
fluxo carregam as células em direção às regiões que contêm altas concentrações do estressor e
neutralize uma possível evasão das áreas de alto estresse.
“Quando as bactérias são expostas ao estresse, por exemplo, quando crescem na presença de
antibióticos tóxicos, muitas células morrem”, disse Rabe. “No entanto, uma vez que a informação
genética das células está mudando constantemente como resultado de mutações, as células também
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podem ser criadas que não são mais severamente afetadas pelos antibióticos e sobrevivem. O chip que
desenvolvemos torna possível selecionar e cultivar essas células preferencialmente.
“Além disso, nosso chip permite que as bactérias não apenas cresçam em solução [e não estejam
ligadas à superfície], mas também usem pequenos poços no chip para permitir que as bactérias cresçam
em grandes comunidades”, acrescentou. “Tais biofilmes” são muito comuns na natureza e podem
desempenhar um papel importante no desenvolvimento de bactérias resistentes.
O chip bem-baseado permitiu que a equipe imitasse melhor os microambientes naturais, como os
encontrados em sistemas de águas residuais, expondo as bactérias a estressores definidos que
promovem mudanças complexas nas bactérias, que agora podem ser estudadas com mais detalhes.
“Nosso dispositivo microfluídico permite o estudo de biofilmes e culturas semelhantes a biofilmes com
gradientes de concentração de estressor definidos e, portanto, levará a uma melhor compreensão dos
mecanismos de resistência aos antibióticos”, disse Rabe. “Desta forma, mutações anteriormente
desconhecidas podem ser descobertas, como foi visto [nesta obra], onde identificamos mutações
específicas no gene envolvido na resistência de E. coli ao ácido nalidídico do antibiótico”.
Rabe também diz que o chip pode ser estendido além dos mecanismos de resistência microbiana à
evolução da resistência aos medicamentos contra o câncer e pode até permitir que os cientistas
melhorem as cepas microbianas industrialmente relevantes, como a levedura. Em qualquer caso, este
dispositivo microfluídico permitirá que os pesquisadores gerem dados importantes que são necessários
para entender melhor os parâmetros que influenciam a evolução das bactérias e como elas podem ser
superadas para combater a resistência aos antibióticos.
Referência: Ahmed E. Zoheir, et al., Evolução Microfluídica On-A-Chip revela novas mutações que
causam resistência aos antibióticos, pequeno (2021). DOI: 10.1002/smll.202007166
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202007166