As 10 principais inovações biotecnológicas que você deve conhecer

Jennifer Huen, bioquímico freelance sobre Kolabtree, delineia as 10 principais inovações biotecnológicas no mercado atual. Leia sobre os principais produtos e serviços das ciências da vida e as empresas por trás deles.  

As inovações biotecnológicas cresceram constantemente nos últimos 10 anos, não apenas nas arenas médicas, mas também nos setores de agricultura, meio ambiente e energia. Quase todas estas biotecnologia innovations involve genetic engineering, diagnostics, or assays, reflecting on the importance of synthetic biology on current biotechnological developments. Here are the top 10 biotech innovations that are transforming the industry. 

 1. Single Cell Technologies

As tecnologias de célula única fornecem uma visão detalhada dos ambientes celulares e são ferramentas importantes utilizadas na descoberta de medicamentos e na pesquisa clínica. Juntamente com seqüenciamento da próxima geraçãoAs tecnologias de células únicas revelam uma imagem mais realista de uma população celular, o que é especialmente importante para entender a heterogeneidade do ambiente tumoral. Como estas tecnologias são utilizadas principalmente no ambiente de pesquisa, várias empresas de pesquisa contratadas oferecem plataformas de seqüenciamento e análise de células únicas com painéis de DNA específicos. Por exemplo, Missão Bio oferece sua Plataforma Tapestri para os pesquisadores traçarem o perfil genético de cada célula em uma determinada população usando um fluxo de trabalho microfluídico de duas etapas combinado com o seqüenciamento de uma única célula [1]. O perfil específico da doença pode ser obtido usando painéis de DNA específicos, como o painel de leucemia linfoblástica aguda [1]. A análise de células únicas geralmente requer várias máquinas com protocolos separados, mas Berkeley Lights deu um passo adiante ao desenvolver uma única máquina que pode processar e analisar células uma a uma, simultaneamente. O Beacon é capaz de múltiplas manipulações de células únicas em um único chip optofluídico contendo dezenas de milhares de pequenas câmaras de células [2]. Usando a dielectroforese induzida por luz, células específicas são divididas para análise posterior, como a triagem do repertório de anticorpos, como demonstrado pela empresa de descoberta de medicamentos, Aldevron [2, 3]. O Relâmpago também foi lançado recentemente para atender a pesquisas específicas de células T [4].

2. Biossensores Aptamer 

Monitores de glicose, testes de gravidez e sensores de metais pesados são apenas alguns dos detectores baseados em biosensores desenvolvidos e usados desde os anos 60 [5]. Os biossensores consistem de enzimas, anticorpos ou micróbios que permitem uma leitura do composto que é detectado. Novas tecnologias de sensores têm se concentrado em métodos baseados em aptamer ácido nucléico, pois têm o potencial de serem mais sensíveis, estáveis e econômicos do que os métodos anteriores. Biossensores Aptamer are typically developed by systematic evolution of ligands using exponential enrichment (SELEX,[6]), which generate stable DNA or RNA molecules that are highly selective to its target. For environmental testing or medical diagnostics where sample complexity is high, aptamers might just be the right type of molecule and a number of companies have focused on developing aptamers for these purposes. For example, South Korea-based Aptamer Sciences has developed an in vitro diagnostic test called the AptoDetect-Lung that assesses the risk of a patient developing lung cancer by detecting seven lung cancer biomarcadores [7]. The test was shown to improve diagnostic accuracy compared to CT scan examination [8]. AptoDetect-Lung was recently granted diagnostic approval by the Korean Ministry of Food and Drug Safety [7].

3. Current Cell Therapies 

O manejo de doenças crônicas às vezes requer tratamentos medicamentosos repetidos, mas imagine se houvesse uma maneira de as drogas serem entregues onde elas precisam estar, quando é necessário, automaticamente. É aqui que os cientistas estão desenvolvendo terapias celulares para o fornecimento de medicamentos [9]. Em pacientes diabéticos tipo 1, as células do pâncreas prejudicadas β levam à deficiência de insulina e a uma acumulação de glicose no sangue, resultando em sintomas como micção freqüente, sede excessiva e dor de cabeça [10]. Uma possível solução está sendo desenvolvida por SeraxisUm dispositivo implantável composto de células pancreáticas cultivadas em laboratório que respondem diretamente aos níveis de glicose no sangue de um paciente [11]. O dispositivo contém células de ilhotas fabricadas a partir de células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) e se destina a eliminar tratamentos medicamentosos para esses pacientes. Outra empresa atualmente desenvolvendo tratamentos únicos implantáveis é a Auckland Tecnologias de células vivas. Sua terapia NTCell consiste em uma cápsula revestida de alginato contendo células do plexo coróide neonatal que é implantada no cérebro de pacientes com Parkinson [12]. As células do plexo coróide fornecem fluido cerebrospinal, mitógenos e outros fatores que suportam o crescimento e função neuronal [12]. Em 2013, a Living Cell Technologies patrocinou o primeiro ensaio clínico mundial de terapia celular regenerativa para a doença de Parkinson e está atualmente avaliando a NTCell para mais estudos.

4. Stem Cell Applications

Desde o início da década de 1980, os cientistas estudam as condições e controlam a identidade dos quais células-tronco differentiate. The ability to generate the desired cell type by controlled differentiation proved to be industrially important in areas such as desenvolvimento de medicamentos, regenerative medicine, and the manufacture of valuable bio-materials. For example, one Canadian-based company, NovoHeart, developed a solution for researchers looking to conduct drug tests for cardiac diseases. Their MyHeart platform utilizes iPSCs to generate human cardiac tissue or organ models, such as their human ventricular cardiac organoid chamber (or human heart-in-a-jar), which more closely mimics the actual human heart environment than animal models typically used during preclinical development [13, 14]. MyHeart is intended to predict, more accurately, the effects of new drugs before they head to ensaios clínicos. Another company is focused on bringing stem cell technology directly to the point of need. BioGênese PlateletA empresa, com sede em Massachusetts em 2014, está desenvolvendo um biorreator móvel sob demanda para terapia celular em campo, como em postos médicos militares [15, 16]. O biorreator fabrica células semelhantes a plaquetas derivadas de iPSC que estão sendo desenvolvidas atualmente para tratar doenças de coagulação do sangue como a trombocitopenia imune [16].

"Ao integrar @Harvard's com nossa própria tecnologia de biorreator valvulado de coração humano, a Novoheart avançará sua capacidade de modelagem de doenças para um nível sem precedentes de biofidelidade para ensaios cardíacos humanos in vitro" - Kevin Costahttps://t.co/zBwXX48EPL

- Novoheart (@Novoheart) 19 de dezembro de 2019

 As tecnologias de células-tronco certamente não estão limitadas à pesquisa e tratamentos médicos, e isto é demonstrado pelo número de empresas que investem em carnes cultivadas e proteínas alternativas. Usando a agricultura celular, empresas como Campos Futuros, Carnes Memphise Super Carne estão desenvolvendo galinha de laboratório, carne bovina, pato, ovos e leite. A primeira massa de hambúrguer foi produzida em 2013 no laboratório do Mark Post na Universidade de Maastricht, mas pelo preço colossal de cerca de $300.000 USD [17, 18]. Desde então, as empresas têm corrido para reduzir os custos de fabricação com a Super Meat, sediada em Israel, potencialmente liderando a corrida: o lançamento do primeiro cardápio de degustação de frango cultivado em laboratório em outubro deste ano em seu restaurante, The Chicken [19, 20].

5. CRISPR-based Platforms

Desde a descoberta do Streptococcus pyogenes CRISPR-Cas9 adaptive immune response by the groups of Jennifer Doudna and Emmanuelle Charpentier [21], both of whom are this year’s Nobel prize recipients in química, a number of CRISPR-based companies have been established. However, the first commercial application actually began in 2007 when scientists at Danisco (acquired by DuPont in 2011) discovered short repeat sequences in the genome of one of their yogurt bacteria, Streptococcus thermophilus [22, 23]. Eles identificaram que estas eram agrupadas regularmente em repetições palíndromas curtas espaçadas (CRISPR), utilizadas por S. thermophilus para combater as infecções bacteriofágicas [23]. Mais tarde, a Dupont usou sua descoberta para criar cepas resistentes a fagos em seu processo de fabricação de iogurte [22, 23]. Aproximadamente uma década depois, vários sistemas CRISPR-Cas foram caracterizados, até a estrutura atômica, sendo o CRISPR-Cas9 o mais amplamente estudado.

A tendência de desenvolvimento de organismos industrialmente importantes tem continuado até hoje e, utilizando a tecnologia CRISPR-Cas9 , é mais rápida do que nunca. Synthetic Genômicaem parceria com a Exxon Mobile, está desenvolvendo microalgas editadas CRISPR com maior produção de lipídios, o que melhoraria a fabricação de petróleo ao potencialmente reduzir as emissões de CO2 e dependência de combustíveis fósseis [24, 25]. A PLANTeDit e a Toolgen estão usando o CRISPR-Cas9 para engendrar culturas sustentáveis como a soja sem a introdução de DNA estrangeiro [26]. Isto é chamado de edição de genoma sem DNA e, embora suas culturas sejam modificadas geneticamente, elas contornariam os obstáculos regulatórios dos OGM [26].

As primeiras empresas a entrar em ensaios clínicos em humanos com uma terapêutica baseada em CRISPR foram CRISPR Terapêutica e Vertex Farmacêutica em 2018 [27-29]. O CTX001 é um ex vivo terapia em investigação para o tratamento de β-alassemia e anemia falciforme [30]. A terapia envolve a extração de células-tronco do sangue do paciente, modificação do gene usando CRISPR-Cas9, e reintrodução das células de volta ao paciente. Embora a avaliação clínica do CTX001 ainda seja precoce, os resultados preliminares (apresentados em junho deste ano) mostraram benefícios potenciais do tratamento em pacientes com hemoglobinopatias [31].

6. Directed Evolution Platforms

Em 2018, Frances Arnold, George Smith e Gregory Winter receberam o Prêmio Nobel de Química por suas pesquisas na evolução dirigida das enzimas, peptídeos e anticorpos [32]. As plataformas de evolução dirigida normalmente envolvem a geração de grandes bibliotecas genéticas aleatórias que expressam variantes do gene de interesse. Essas bibliotecas são rastreadas selecionando as variantes proteicas que exibem as propriedades desejadas, como o aumento da atividade ligante ou catalítica. Este processo é normalmente repetido pela triagem de bibliotecas adicionais com base nas variantes selecionadas até que um corte de seleção seja alcançado. Uma série de terapêuticas baseadas em proteínas foram desenvolvidas usando este processo: Humira (AbbVie), Lumoxiti (MedImmune), e Gamifant (NovImmune) [33].

Uma empresa se expandiu na tecnologia de evolução dirigida. Terapêutica de Carmot, a drug discovery company based in Berkeley, developed the Chemotype Evolution platform to identify novel drugs. During Chemotype Evolution, a set of small molecules are linked to a proprietary fragment collection to generate a library of candidate drugs. The library is screened against a human target and selected candidate drugs are submitted to further rounds of linkage and selection until the candidate drug has evolved into an high-affinity binding molecule [34]. Using Chemotype Evolution, Carmot identified two candidate compounds that are currently in clinical trials [34]. Other companies are using directed evolution to generate microbial platforms. Primordial Genetics, a San Diego-based biotech, is developing a platform that produces large microbial libraries through combinatorial genetics called the Function Generator [35]. Function Generator allows them to select for specific microbes that can potentially address a range of issues, from identifying stress tolerant yeasts for biofuel production to microbes capable of degrading plastics efficiently [35].

7. Microbiome-based Innovations 

Em 2007, os Institutos Nacionais de Saúde dos Estados Unidos lançaram o Projeto Microbioma Humano (HMP) para fornecer apoio financeiro, bancos de dados de referência e outros recursos para pesquisa microbiológica [36]. Assim, o estabelecimento do HMP promoveu um florescimento na produção de pesquisa juntamente com um aumento significativo na ajuda de financiamento [36]. O que foi produzido ao longo dos anos foram em grande parte ferramentas computacionais e estatísticas de pesquisa (devido aos enormes conjuntos de dados que foram gerados) e uma série de empresas de microbiologia. Muitas dessas empresas se concentraram no tratamento de doenças humanas, tais como soluções tópicas que restauram o microbioma da pele (AOBiome, [37]) ou o fornecimento de medicamentos utilizando bactérias intestinais (Blue Turtle Bio, [38]), enquanto algumas empresas utilizaram tecnologias microbiológicas de outras formas. Aster Bio developed the Environmental Genomics platform to assist their clients in monitoring liquid waste output and prevent contamination of natural water bodies [39]. The platform profiles waste samples by detecting genetic biomarkers that are specific to key microbes, informs on potential operational issues (such as insufficient ammonia removal), and directs waste water treatment [39]. Sunnyvale-based Floragraph também está examinando os resíduos, mas pretende trazer a análise microbiológica diretamente para dentro de casa [40]. Seu dispositivo microbiológico portátil é projetado para clientes que estão interessados em auto-monitoramento de doenças crônicas ou rastrear a saúde de animais de companhia através da análise do microbioma a partir de amostras de fezes [40]. Embora seja incerto quantas pessoas desejariam analisar seu próprio cocô em casa, a Floragraph traz portabilidade, custo-benefício e acessibilidade à análise microbiológica. Para aplicações médicas e de pesquisa em campo, este dispositivo pode apenas preencher a necessidade.

8. DNA Hard Drives

Percorremos um longo caminho desde os primeiros tempos dos sistemas eletrônicos de armazenamento de dados, como o tambor magnético e as disquetes. Os avanços tecnológicos aumentaram nossa capacidade de armazenamento de dados em enormes ordens de magnitude, desde dezenas de kilobytes (tambor magnético) até a faixa de petabytes (servidores de nuvem) [41]. Com este tremendo espaço de armazenamento também vem a necessidade de um tremendo espaço físico para abrigar as fazendas de servidores que suportam a nuvem. Os cientistas analisaram pela primeira vez o uso de moléculas de DNA para armazenamento de dados em 1988, com a inserção de 35 bits de um e zeros codificando uma imagem de 5 por 7 bits quadrados no E. coli genoma [42, 43]. Desde então, várias instituições e corporações investiram seus esforços no desenvolvimento de sistemas de armazenamento de dados baseados em DNA, dado que o custo, o uso de energia e o espaço são significativamente reduzidos em comparação com o da manutenção de fazendas de servidores [42]. Notavelmente, estima-se que o armazenamento de todos os dados do mundo se comprimiria em apenas 1 kg de DNA [42]. Então, como se 'carrega' suas fotos ou músicas no DNA? Os cientistas da Universidade de Washington e Microsoft tentaram abordar isto em seu estudo de prova de conceito para um sistema automatizado de armazenamento de DNA [44]. Eles demonstraram que seu dispositivo era capaz de codificar um "Olá" de 5 bytes em uma seqüência de DNA, sintetizar, armazenar, sequenciar o DNA e recuperar o "Olá" [44]. O processo inteiro levou 21 horas e hoje não seria prático para armazenar uma única foto. Mas dada a velocidade com que tais tecnologias estão sendo desenvolvidas, não será surpresa vê-la disponível em um futuro muito próximo.

9. DNA Origami 

O emparelhamento básico de nucleotídeos no DNA e RNA faz deles um material biomolecular atraente com habilidades de "auto-montagem". Isto foi demonstrado por vários grupos em meados dos anos 2000 [45-47], incluindo Paul Rothemund que apresentou um método de montagem do DNA em quadrados bidimensionais, triângulos, rostos felizes e outras formas [48]. Em 2017, vários laboratórios de pesquisa foram capazes de construir as maiores nanoestruturas de DNA: grandes nanorods, tijolos e telhas que se uniram para formar enormes estruturas com comprimentos na faixa de centenas de nanômetros até mais de um mícron [49-51]. Estes estudos apresentam imagens claras e tridimensionais das nanoestruturas de DNA mostrando que os ácidos nucléicos podem ser projetados para serem montados em qualquer número de estruturas com potencial de aplicação em medicina, eletrônica e biomateriais. Atualmente, o DNA origami está sendo desenvolvido para gerar plataformas de entrega de medicamentos (Genisphere), nanorobôs de diagnóstico (Nanovery), e nanofabricados com enzimas para aplicações como a produção de metabólitos (FabricNano) [52]. Nanovery’s nanorobots are designed using inteligência artificial to detect circulating tumor DNA (ctDNA) [53]. Their diagnostic nanorobot is intended to replace current liquid biopsy tests for ctDNA, which require extensive time and cost. The nanorobot is inserted into a blood sample and if cancerous DNA is detected, lights up within 1-2 hours. As mutations continue to accumulate in cancerous DNA, Nanovery intends to continuously evolve their nanorobots to detect these new mutations [53].

#DNA Origami Cria o Mundo's Mona Lisa mais Pequena: https://t.co/v06eXUt0rU pic.twitter.com/oAR1naVEvW

— Genetic Engineering & Biotecnologia News (@GENbio) 10 de dezembro de 2017

10. Artificial Intelligence in Medicine

Although artificial intelligence and aprendizagem de máquinas are not considered biotechnologies, they deserve a mention due to their impact in the medical field. Research interest in AI-based medical applications has grown significantly over the past decade, as shown by the 20-fold increase in relevant publications from 2010 (596 papers) to 2019 (12422) [54]. At the time of writing, there were a little over 70 market approved AI algorithms for medical applications, according to a study conducted by the University of Groningen and the Medical Futurist Institute [54, 55]. A number of these applications use image-based machine learning algorithms for the analysis, diagnosis, or assessment of disease. QuantX da Qlarity Imaging O software é uma ajuda para que os radiologistas possam identificar com mais rapidez e precisão as manchas anormais nas imagens de ressonância magnética mamária [56]. Em um estudo clínico avaliando a capacidade de um radiologista de identificar corretamente lesões malignas em imagens de RM, os radiologistas tiveram melhor desempenho ao usar o software QuantX [57]. O interesse da pesquisa cresceu especialmente para o desenvolvimento de robôs médicos totalmente autônomos, que atualmente estão sendo treinados para realizar tarefas muito específicas. O dispositivo IDx-DR, desenvolvido pela Diagnóstico digitalA retinopatia diabética, uma causa de cegueira em pacientes diabéticos [58], capta imagens da retina para diagnosticar a retinopatia diabética. As imagens são analisadas pela máquina de IA treinada para detectar biomarcadores, tais como depósitos de proteínas e exsudados, e emite um relatório de diagnóstico dentro de 30 segundos. Atualmente, também estão sendo feitos esforços para desenvolver robôs cirúrgicos totalmente autônomos, assistentes médicos em casa e robôs de apoio à saúde mental.

Referências

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