Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Professor SON Donghee e pelo Professor SHIN Mikyung do Centro de Pesquisa em Imagem em Neurociência (CNIR) do Instituto de Ciências Básicas (IBS), juntamente com o Dr. KIM Hyungmin do Centro de Pesquisa Biônica do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (KIST), desenvolveu um dispositivo cortical macio inovador que pode revolucionar o tratamento da epilepsia e outros distúrbios neurológicos.
Epilepsia, um distúrbio neurológico que afeta mais de 65 milhões de pessoas no mundo todo, é caracterizada por hiperatividade elétrica patológica no cérebro, resultando em convulsões. Notavelmente, aproximadamente 20-30% de todos os pacientes são diagnosticados com epilepsia intratável, que não responde a medicamentos padrão. A ressecção cirúrgica das lesões continua sendo uma opção de tratamento para esses pacientes, mas apresenta desafios devido à complexidade e aos riscos envolvidos no procedimento.
Como um tratamento alternativo menos invasivo, o conceito de neuromodulação foi proposto, o qual envolve estimular diretamente o tecido lesionado com energia mecânica, eletromagnética ou óptica para suprimir a hiperexcitabilidade cerebral. Uma abordagem promissora é a neuroestimulação por ultrassom focalizado transcraniano (tFUS), um método não invasivo que estimula o cérebro com alta precisão sem causar danos permanentes.
Para que o tFUS seja eficaz no tratamento da epilepsia, ele deve ser pareado com um sistema que possa monitorar continuamente a atividade cerebral e ajustar o tratamento em tempo real. No entanto, os dispositivos de interface do córtex existentes enfrentam desafios devido à sua alta rigidez e baixa adaptabilidade de forma, o que dificulta sua adaptação à superfície convoluta do cérebro, resultando em interfaces tecido-dispositivo ruins. Sua baixa adesão à superfície do cérebro também significa que eles lutam para fornecer sinais cerebrais precisos durante a estimulação por ultrassom, devido à interferência causada pelas ondas de pressão mecânica.
Para enfrentar esse desafio, a equipe de pesquisa desenvolveu o sensor Shape-Morphing Cortical-Adhesive (SMCA), um dispositivo macio e flexível que adere firmemente à superfície do cérebro, garantindo um monitoramento estável e preciso da atividade cerebral mesmo durante a estimulação tFUS. O sensor SMCA é composto de uma combinação única de materiais. Ele apresenta uma camada de hidrogel de alginato conjugado com catecol que se liga rapidamente ao tecido cerebral, proporcionando forte adesão e reduzindo o risco de movimento ou descolamento. Além disso, o substrato do dispositivo é feito de um polímero autocurativo que amolece e se adapta à superfície curva do cérebro na temperatura corporal, garantindo um ajuste confortável e minimizando o risco de artefatos de sinal.
A equipe testou o sensor SMCA tanto ex vivo (fora do corpo) quanto in vivo (dentro do corpo), comparando seu desempenho ao de dispositivos existentes sem propriedades adesivas ou de metamorfose. Em experimentos com um modelo de rato de epilepsia, o sensor SMCA registrou com sucesso a atividade cerebral durante o tFUS sem interferência, permitindo o monitoramento em tempo real necessário para um tratamento eficaz.
Usando esse sensor inovador, os pesquisadores implementaram um sistema de controle de convulsões de circuito fechado. Esse sistema usa o sensor SMCA para detectar sinais precoces de uma convulsão e ajusta automaticamente o tratamento tFUS em resposta. O sistema suprimiu convulsões com sucesso em tempo real, demonstrando o potencial para tratamento personalizado e adaptativo de epilepsia.
O professor SON Donghee declarou: “Por meio do nosso estudo sobre a plataforma de bioeletrônica macia adesiva ao cérebro, superamos um grande desafio no campo das interfaces cerebrais ao obter eletrocorticografia de alta qualidade acoplada à estimulação de ultrassom focalizado sem interferência de artefatos.” Ele explicou a importância desta pesquisa e delineou planos futuros ao acrescentar: “Esperamos que nossa tecnologia se torne a pedra angular de uma plataforma biomédica de próxima geração que permita diagnóstico preciso e terapia personalizada para distúrbios neurológicos intratáveis. Após este estudo, avançaremos a plataforma do sensor SMCA ao melhorar as funcionalidades de metamorfose e adesivo ao córtex, desenvolvendo microeletrodos altamente integrados e implementando um algoritmo operacional de malha fechada de alta ordem.”
O Dr. Hyungmin KIM declarou: “Conseguimos a detecção precoce da atividade convulsiva por meio de ECoG, permitindo a prevenção de convulsões. Além disso, implementamos feedback em tempo real sobre os efeitos da estimulação por ultrassom, o que permitiu a aplicação de protocolos de estimulação personalizados. Olhando para o futuro, prevemos que o desenvolvimento de eletrodos com mais canais, bem como transdutores de ultrassom multicanal, facilitarão o mapeamento preciso das fontes de convulsão e a intervenção direcionada, aumentando, em última análise, a eficácia e a segurança dessa abordagem em aplicações clínicas.”
Esta pesquisa foi conduzida em colaboração com colegas da Universidade Sungkyunkwan (SKKU) e do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (KIST). As descobertas foram publicadas em Eletrônica da Natureza em 11 de setembro de 2024.
