Revista >> Noiembrie 2023 [Nr. 259] >> Cover Story

Evoluția INCDFM pe noile direcții strategice de cercetare în domeniul bio-medical

Dr. Victor Diculescu, dr. Teodor Enache, dr. Mihaela Beregoi, dr. Madalina Barsan

16 Noiembrie 2023

Din 2016, Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM) s-a implicat în noi domenii de cercetare, care cuprind interfațarea diverselor materiale conductoare și semiconductoare cu macromolecule de interes biologic (proteine, acizi nucleici), ce conduc la obținerea de diverse dispozitive electronice cu aplicații valoroase în domeniul Sănătății și al Medicinei. Aceste abordări recente ale institutului, ce extind frontierele cercetării în domeniul materialelor noi și avansate, au fost inițiate odată cu implementarea proiectului „NANOBIOSURF - Biosenzori electrochimici nanostructurați pentru diagnoză medicală și screening de compuși cu proprietăți farmaceutice: dezvoltare, caracterizarea suprafețelor și aplicații” din cadrul Programului Operațional Competitivitate 2014-2020. La șapte ani distanță descoperim cum avansează INCDFM pe trei direcții majore de cercetare a interfețelor de tip sintetic/biologic - senzoristica, actuatori/mușchi artificiali și biologia celulară -, care promit să aibă un impact crescut pe plan medical, atât pe parte de prevenție și diagnostic, cât și la nivel de tratamente și terapii cu grad mai ridicat de eficacitate.

Proiectul transformațional NANOBIOSURF a adus în timp pentru institut trei mari avantaje. În primul rând, formarea unei echipe de cercetare multidisciplinare, care la acel moment a inclus cercetători din institut, dar a permis și atragerea de personal din străinătate (post-doctoranzi și doctoranzi), capitalul uman competent fiind factorul cheie în dezvoltarea INCDFM. În al doilea rând, dezvoltarea infrastructurii de cercetare, cu un laborator de cercetări biologice, a fost esențială atât pentru multidisciplinaritate, cât și pentru noile direcții. În al treilea rând, componenta puternică de cercetare fundamentală a marcat cel mai pregnant activitatea și evoluția științifică a institutului. Aceasta a dus la testarea, dezvoltarea și mai ales implementarea de idei noi de cercetare aplicativă, care au stat la baza unor proiecte ulterioare, naționale și internaționale, deschizând de asemenea posibilitatea unor noi colaborări cu cercetători din țară și din străinătate. Asupra acestui ultim aspect vom insista în articolul prezent, având în vedere că actualele cercetări asupra interfețelor de tip sintetic/biologic prezintă un potențial mare de impact socio-economic.
Situate la interfața dintre Fizică, Chimie și Biologie, noile cercetări ale INCDFM se împart în trei mari direcții. Una este cea a senzoristicii, unde tematica principală este dedicată dispozitivelor de tip point-of care (PoC), printre care se regăsesc (bio)senzorii purtabili sau așa-numitele wearables și dispozitivele (bio)analitice pentru detecția de acizi nucleici și proteine. A doua mare direcție de cercetare are în vedere obținerea de actuatori electrochimici cu aplicații în dezvoltarea de micro-manipulatoare, mușchi artificiali care răspund la diverși stimuli (bio)chimici și (bio)fizici și sisteme de eliberare controlată de compuși cu proprietăți farmaceutice. Nu în ultimul rând, o altă direcție de cercetare este îndreptată atât către biologia celulară, prin testarea bio-compatibilității materialelor fabricate în INCDFM, cât și către aplicații cu o complexitate mai ridicată, cum ar fi măsurători de biomarkeri ai celulelor folosind senzori sau biosenzori dezvoltați în institut sau utilizarea materialelor avansate pentru stimularea procesului de diferențiere celulară pentru dezvoltarea de pansamente inteligente.

Senzoristica
Testarea de tip PoC este o procedură care utilizează dispozitive analitice „în apropierea pacientului, mai degrabă decât în mediul tradițional al unui laborator clinic”, cu scopul de a furniza informații despre starea de sănătate a unui individ. Acest tip de instrumente analitice ar trebui să fie portabile, ușor de utilizat și, de preferință, ieftine, dar și capabile de a fi integrate cu circuite electronice pentru transmiterea și gestionarea datelor către dispozitive mobile.
Cel mai înalt obiectiv al testării PoC este de a oferi un mijloc de procesare completă a probelor și detecție a unor analiți cu înaltă relevanță biologică. Astfel, dispozitivele PoC reprezintă un factor cheie în medicina preventivă, permițând detectarea/diagnoza timpurie a posibilelor afecțiuni medicale prin recunoașterea riscurilor primare.
În cadrul INCDFM sunt implementate proiecte pentru dezvoltarea de astfel de dispozitive. Acestea sunt construite pe substraturi poroase precum hârtia sau hidrogelurile în tandem cu tehnici de imprimare 3D. Aceste dispozitive cuprind de obicei mai multe regiuni care permit atât transportul fluidelor, cât și stocarea reactivilor, pe care se definesc bariere hidrofobe pentru a confina mișcarea fluidului într-o anumită regiune și transportul analiților către sistemul de detecție care conține electrozi din fibre polimerice sub-micrometrice. Din această descriere este evidentă multidisciplinaritate acestor proiecte, echipa de cercetare fiind formată din fizicieni, chimiști și ingineri, aflați în diverse grade ale carierei profesionale, de la doctoranzi, cercetători post-doctorat până la cercetători științifici gradul I. Tot acest personal duce o muncă intensă care printre altele implică prepararea de materiale, încapsularea și imobilizarea unor reactivi în diverse medii poroase și eliberarea controlată a acestora în diverse condiții, dar și partea de proiectare și design de dispozitiv. Se încearcă dezvoltarea unei platforme, cu elemente interschimbabile, care să sporească aplicabilitatea acesteia la detecția unei game largi de agenți patogeni, infecții sau chiar boli genetice. În momentul de față este în curs de implementare proiectul național „NAQUANTA – Dispozitiv electrochimic pentru cuantificarea acizilor nucleici”, care este testat pentru identificarea leucemiei mieloide cronice. Acest tip de dispozitiv reprezintă o alternativă rapidă și ieftină la testele actuale bazate pe tehnicile Polymerase Chain Reaction (PCR) sau, mai recent, Loop-Mediated Isothermal Amplification (LAMP), care utilizează termociclatoare și sisteme de transducție mai complicate și mai costisitoare.

Tot în clasa dispozitivelor de tip PoC se regăsesc și așa-numitele wearables, dispozitive ce permit măsurători în timp real ale unor parametri precum pulsul, temperatura, presiunea parțială a oxigenului în sânge sau tensiunea arterială, monitorizarea numărului de pași sau a caloriilor consumate în urma exercițiilor fizice. Rezultatul decodificării acestor parametri este transmis într-o forma accesibilă oricărei persoane, în cele mai multe cazuri sub forma unui număr, prin intermediul display-ul dispozitivului sau al unui smartphone. Inițial concepute a fi folosite la încheietura mâinii sub formă de smartwatch sau brățară fitness, evoluția tehnologica din ultimii ani a permis miniaturizarea și integrarea acestora în alte tipuri de accesorii precum inele sau ochelari și, nu în ultimul rând, dezvoltarea de noi materiale textile inteligente ce pot fi integrate în haine.
Dar informațiile obținute cu aceste tipuri de dispozitive se rezumă încă în mare parte la identificarea unor parametri fizici. Nu la fel de dezvoltată este însă tehnologia pentru identificarea unor parametri chimici sau biologici ce pot fi direct relaționați cu starea fiziologică a unui organism. Monitorizarea continuă, în timp real a stării de sănătate, este un deziderat ce se vrea a fi îndeplinit prin intermediul dispozitivelor purtabile. Un exemplu rezultat în urma unui exercițiu de imaginație este un dispozitiv minim-invaziv ce ar putea să monitorizeze în timp real glicemia, dar în același timp să și administreze într-o formă automatizată insulina atunci când nivelul glicemiei se află în afara parametrilor optimi. Toate acestea fără înțepături, fără intervenție umană, ci doar prin intermediul unui dispozitiv inteligent de tip plasture (patch) ce poate fi cu ușurință atașat pe piele. Iar exemplul de mai sus poate fi adaptat într-o formă ideală multor altor tipuri de anomalii medicale.
Un factor comun tuturor dispozitivelor mai sus menționate este utilizarea acestora la nivelul epidermei, în contact cu pielea. Acest fapt deschide posibilitatea extragerii unor valori ai parametrilor chimici și biologici din transpirație, probabil cel mai accesibil fluid biologic. Transpirația conține electroliți (ioni) a căror variație este relaționată cu procesele de deshidratare, molecule biologice precum glucoza relaționată cu glicemia sau biomacromolecule precum citokinele coordonate cu procese de natură imunologică, printre altele. Din acest punct de vedere, transpirația reprezintă un mediu accesibil pentru măsurători non-invazive și monitorizarea continuă a sănătății. Prin intermediul proiectului „EPIDERSENS - Biosenzori flexibili contactați prin hidrogeluri la nivelul epidermei pentru analiza cantitativă de biomarker-i în transpirație”, au fost efectuate cercetări științifice pentru obținerea unor dispozitive inteligente și patch-uri pentru interpretarea unor parametri fiziologici în transpirație (ioni de Ca, H, Cl, Na, glucoza, lactat sau acid uric) sau pentru administrarea controlată de medicamente.

Actuatori/mușchi artificiali
Actuatorii sunt structuri inteligente capabile să înregistreze o deplasare la aplicarea unor stimuli externi ca lumină, curent electric, temperatură, câmp magnetic, umiditate, modificarea unor parametri chimici și așa mai departe. Inspirate din natură, aceste dispozitive își găsesc aplicabilitate în numeroase domenii, cel mai vizat fiind domeniul roboticii de precizie. Domeniul roboților de precizie este versatil și interdisciplinar și își găsește aplicații în aproape orice direcție, cel mai complex fiind domeniul medical, unde diverse proteze, organe artificiale, dispozitive purtabile de susținere și reabilitare, dispozitive pentru eliberare controlată de medicamente sau operații trebuie adaptate cerințelor actuale. Una dintre cele mai provocatoare activități este de a asigura suport muscular pacienților cu afecțiuni congenitale sau dobândite pe parcursul vieții, deoarece tehnologia curentă nu poate să asigure reconstrucția mușchilor și țesuturilor moi. Așadar, mușchii artificiali sunt o ramură a roboticii de precizie care își dorește să reproducă forma și funcționalitatea mușchilor naturali. De-a lungul timpului s-au investigat numeroase tipuri de materiale sub diverse morfologii/geometrii/design-uri pentru dezvoltarea de mușchi artificiali, cum ar fi aliaje metalice cu memorie, ceramici electroactive sau polimeri care răspund la stimuli externi. Însă, reproducerea îndeaproape a mușchilor naturali, astfel încât să avem atât componenta de actuare/mișcare, cât și cea senzorială, este un proces complex, care încă nu a fost soluționat. Cele mai eficiente proteze folosite în mod curent sunt dezvoltate pe baza unor materiale pneumatice (produc mișcarea la modificarea presiunii în sistem), însă acestea sunt rigide, greu de manipulat, în unele cazuri ușor invazive, cu precizie scăzută și prețuri ridicate, ceea ce le face greu accesibile pacienților.
În ultimii ani, o atenție sporită a fost acordată dezvoltării de mușchi artificiali folosind materiale fibrilare (https://news.mit.edu/2019/artificial-fiber-muscles-0711), eventual fibre electrofilate organizate pe o direcție, cu morfologie, dimensiuni și aproape aceeași funcționalitate ca a miofibrilelor. Miofibrilele sunt fibre formate din filamente de proteine contractile, cu dimensiuni de aproximativ 1μm, care sunt grupate în mănunchiuri pentru a forma fibrele musculare. Utilizarea acestor materiale fibrilare conferă dispozitivului final proprietăți superioare în ceea ce privește proprietățile mecanice (elasticitate și rezistență mecanică ridicate), ușurința în manipulare și utilizare, controlul mai precis al mișcării, greutatea redusă, ușurința fabricării folosind materiale ieftine și la îndemână, reducând astfel costul suportat de pacient.
În cadrul INCDFM a fost implementat un proiect de cercetare pentru dezvoltarea de dispozitive care să se apropie cât mai mult atât de morfologia, cât și de funcționalitatea mușchilor naturali. Aceste dispozitive au fost prevăzute să aibă două funcții: să înregistreze o deplasare la aplicarea unor stimuli externi și să aibă și o componentă senzorială, și anume să detecteze modificarea acestor stimuli. Acestea dispoizitive duale au fost fabricate folosind ca suport plase de fibre electrofilate obținute din polimeri cu rezistență mecanică ridicată, care au fost apoi acoperite cu metale pentru a le face conductoare. Aceste fibre conductoare cu dimensiuni similare miofibrilelor au fost acoperite cu polimeri conductori capabili să reacționeze la aplicarea unui curent electric. Este interesant că această abordare presupune folosirea unor tehnici de preparare care se pot transpune la nivel industrial și anume electrofilarea, depunerea prin pulverizare și sinteza electrochimică. În final, dispozitivele obținute produc o deplasare la modificarea curentului electric aplicat, dar funcționează și ca senzori chimici sau mecanici (înregistrează modificarea masei greutăților susținute de mușchiul artificial) în timpul deplasării. Deși rezultatele obținute sunt îmbucurătoare iar obiectivele proiectului au fost atinse, până la obținerea unor dispozitive care să mimeze îndeaproape funcționalitatea mușchilor naturali, dar și să asigurare o interfață adecvată unei interacții prietenoase om-robot, mai sunt multe dificultăți ce trebuie depășite.
Pe această tematică INCDFM a colaborat și cu cercetători cu renume internațional în domeniul structurilor electroactive folosite ca mușchi artificiali, având loc un schimb de experiență benefic pentru îmbunătățirea performanțelor dispozitivelor dezvoltate în cadrul institutului.

Biologie celulară
Din dorința de a se extinde frontierele cercetării în domeniul materialelor noi și avansate, începând cu anul 2018 INCDFM a inițiat procesul de dezvoltare a unui laborator de biologie celulară. Dorința era mai veche, însă 2018 este anul în care au fost începute demersurile. Locația aleasă a fost interiorul unei camere curate ce era folosită pentru nano/micro fabricație și care prezintă două zone conforme ISO 6 si ISO 5. La sfârșitul anului 2020, acest laborator a fost complet echipat și a devenit operațional, fapt ce a permis elaborarea de proiecte de cercetare cu un grad ridicat de complexitate și a condus la atragerea de noi parteneri.
Direcțiile generale de cercetare sunt îndreptate atât către testarea bio-compatibilității materialelor fabricate, cât și către aplicații cu o complexitate mai ridicată, cum ar fi măsurători de biomarkeri ai celulelor folosind (bio)senzori dezvoltați în institut sau utilizarea materialelor avansate pentru stimularea procesului de diferențiere celulară. Aici se poate menționa integrarea în culturi celulare a unui biosenzor pentru măsurarea radicalului superoxid, un indicator al stresului oxidativ. Pentru această metodă de detecție a radicalului superoxid au fost depuse doua cereri de brevet la OSIM. Un alt exemplu este fabricarea unui suport pentru culturi celulare care permite atașarea acestora pe suprafața oricărui tip de biosenzor, în funcție de aplicația dorită. Acest suport a fost testat în cultura celulară de melanom unde, folosind un sistem de trei electrozi planari, a fost măsurată cantitatea de melanină eliberată de celule în urma iradierii cu lumină ultravioletă. Pentru acest suport, cât și pentru metoda de a măsura controlat secreția de melanină, INCDFM a depus anul acesta două cereri la OSIM în vederea brevetării. O aplicație directă a acestei metodologii poate fi screening-ul, în timp real, de molecule active cu potențial de distrugere a celulelor cancerigene de melanom. Eficacitatea acestor molecule poate fi corelată cu secreția de melanină; cu cât celula secretă mai multă melanină, cu atât efectul citotoxic este mai pronunțat. Acesta ar fi primul pas în selecția de compuși chimici pentru dezvoltarea de noi terapii și tratamente.
O altă direcție dezvoltată în ultimii doi ani este acea de obținere a diferențierii celulare, și anume fibroblaste în miofibroblaste, proces esențial în vindecarea rănilor cronice. Până acum, în cadrul INCDFM acest proces a fost realizat folosind două tipuri diferite de materiale: o rețea de nanofire electrofilate și modificate cu un polimer conductor și grafena multistrat sintetizată prin evaporare chimică. Evidențierea procesului a fost realizată prin imunofluorescență folosind anticorpi specifici. Pe această tematică a și fost depus un proiect european în parteneriat cu un grup din Franța și altul din Lituania, însă, din cauza epuizării fondurilor, nu a fost finanțat.
În privința atragerii de fonduri prin proiecte de cercetare la nivel de institut, rata de succes a proiectelor depuse, care au și activități de cercetare în domeniul biologiei, este destul de ridicată. La competițiile TE, PD si PCE din 2020 au fost depuse 4 proiecte TE, un PD și un PCE, dintre care doar două proiecte TE nu au fost finanțate. Proiectul PCE „ExAlzBiomark - Explorarea biomarkerilor bolii Alzheimer: fabricarea de noi biomateriale funcționale și dezvoltarea de biosenzori pentru diagnosticul timpuriu” cuprinde două tematici de cercetare, una aplicativă și alta pur fundamentală. Prima presupune dezvoltarea unui biosenzor pentru evaluarea activității enzimatice a MsrA, enzima implicată în patologia maladiei Alzheimer, și care ar putea reprezenta un punct de plecare pentru diagnosticul timpuriu, cu cel puțin 10 ani înainte de apariția primelor simptome clinice. Cea de-a doua tematică este dedicată studiului interacției dintre celulele neuronale și diverse suprafețe modificate cu fibrile alcătuite din peptide amiloid, peptide asociate cu neurodegenerarea. Există o teorie, apărută pe la începutul anilor 90, care postulează că fibrilele și plăcile formate din peptidele amiloide beta reprezintă cauza directă a neurodegenerării în maladia Alzheimer. Cu toate acestea, studii recente sugerează că efectul neurotoxic se datorează unor structuri oligomerice ce apar în timpul procesului de fibrilare. Acest lucru indică și rezultatele obținute în cadrul acestui proiect, unde s-a demonstrat că nu există diferențe între culturile celulare crescute pe suprafețe modificate cu fibrile amiloide și experimentele control.

Concluzii, provocări actuale și perspective
Aceste cercetări din cadrul INCDFM reprezintă un răspuns la cerințele Comisiei Europene detaliate atât în Programul EU4Health, cât și în Strategia de Dezvoltare Sustenabilă a UE, care își propun îmbunătățirea sănătății și a calității vieții prin promovarea de produse și instrumente de prevenție și tratament al bolilor. De asemenea se remarcă corespondența cu Strategia Națională de Cercetare, Inovare și Specializare inteligentă 2021-2027 (SNCISI) prin aceea că cercetările dezvoltate în cadrul INCDFM corespund domeniilor de provocări societale „Digitalizare, industrie și spațiu” și „Sănătate”, încadrându-se în următoarele domenii de specializare inteligentă: 5.3 Materiale reciclabile și tehnologii pentru reciclarea materialelor; 5.5 Materiale biocompatibile; 6.1 Tehnologii pentru gestionarea, monitorizarea și depoluarea mediului; 7.4 Diagnosticare precoce; 7.5 Tehnologii pentru o viață autonomă; 7.8 Tehnologiile pentru sisteme purtabile.
Desigur că implementarea acestor proiecte de cercetare nu este ferită de provocări. Una dintre acestea este atragerea de personal competent și înclinat spre activitatea de cercetare. Mulți dintre tinerii absolvenți ai facultăților românești se îndreaptă către mediul privat, pentru salarii mai ridicate decât cele din institutele de cercetare. Nu în ultimul rând, trebuie luat în calcul și faptul că munca de cercetare științifică necesită sacrificii, uneori chiar de natură personală, ceea ce pentru mulți este inacceptabil. Dar capitalul uman a fost întotdeauna un factor cheie în evoluția INCDFM. Astfel, au fost angajați doctoranzi, absolvenți ai facultăților de Fizică, Chimie și Biologie, ale căror cunoștințe au fost valorificate, completate și îmbunătățite prin intermediul testelor și aplicațiilor de cercetare din domeniul dispozitivelor bio-analitice. În acest context, trebuie evidențiată munca acestora, mai ales că sunt implicați în majoritatea activităților experimentale, de rutină și care necesită teste succesive și optimizări pentru stabilirea unor protocoale de bază eficiente. Au avut posibilitatea deprinderii unor tehnici experimentale, dar mai ales a fenomenelor fizice care stau la baza acestora, un lucru esențial pentru interpretarea corecta a rezultatelor. De asemenea, având în vedere multidisciplinaritatea proiectelor, doctoranzii au beneficiat de informații din diverse domenii. O altă provocare este legată de finanțarea cercetării. Deși au fost făcute progrese în ultima perioadă, fondurile alocate unui proiect permit finanțarea unui număr maxim de 3 norme de cercetare, iar timpul alocat implementării unui proiect este 3 ani. O creștere substanțială atât a fondurilor cât și a timpului alocat per proiect este necesară pentru a compensa complexitatea ideilor ce stau la baza proiectelor propuse și a dispozitivelor ce urmează a fi dezvoltate. Competitivitatea pe plan internațional este fundamentală pentru atragerea finanțării externe, iar INCDFM a reusit și atragerea de fonduri europene prin proiecte internaționale, unele cu parteneri externi, prin programe precum ERA-NET sau Marie Curie Individual Fellowship.
Prin toate aceste cercetări, INCDFM îșidorește conectarea la cele mai noi tendințe din cercetarea internațională și consolidarea poziției de centru de cercetare de elită la nivelul Regiunii de Sud-Est aEuropei, transformarea într-un centru de elită pentru pregătirea și formarea profesională a tinerilor cercetători din țarăși străinătate, dar și o creștere a capacitații de transfer tehnologic către industrie. Deasemenea, este de așteptat ca aceste abordări de cercetare multidisciplinară să ducă la sporirea participării INCDFM laprograme și proiectefinanțate din fonduri internaționale, la atragerea de personal competent la nivel internațional și la colaborări cu instituții private sau publice, atât naționale cât și internaționale.