Cientista vietnamita Nguyen Duc Thanh desenvolve dispositivos médicos biodegradáveis com 25 milhões de dólares de financiamento para investigação

Um calendário de vacinação integrado num pequeno penso

Um penso testado em ratos administrou doses de Prevnar-13, uma vacina contra bactérias pneumocócicas, em intervalos programados que variaram entre alguns dias e mais de um mês. Os animais desenvolveram respostas imunitárias semelhantes às dos que receberam várias injeções e sobreviveram a uma exposição a uma dose letal da bactéria. Por detrás deste trabalho está Nguyen Duc Thanh, um cientista vietnamita cuja investigação na Universidade de Connecticut atraiu milhões de dólares para dispositivos médicos concebidos para desaparecerem depois de cumprirem a sua função.

Conhecido nas publicações científicas como Thanh D. Nguyen, o professor associado trabalha nas áreas da engenharia mecânica, engenharia biomédica e ciência dos materiais. Os seus projetos incluem pensos com vacinas, estruturas concebidas para ajudar a reparar ossos danificados e dispositivos biodegradáveis de ultrassons destinados a ajudar os medicamentos de quimioterapia a chegar a tumores cerebrais.

A Universidade de Connecticut afirma que, desde que ingressou na instituição, em 2016, obteve 25 milhões de dólares em financiamento para investigação. Os valores divulgados até outubro de 2024 incluíam mais de 9,5 milhões de dólares provenientes de quatro bolsas R01 dos National Institutes of Health e 6,6 milhões de dólares de duas bolsas aprovadas pela Fundação Bill & Melinda Gates.

A ideia central liga vários problemas médicos aparentemente distintos: criar um material que transporte medicamentos, gere um sinal elétrico ou produza ultrassons e, depois, permitir que se degrade no organismo. Para os doentes, os benefícios pretendidos vão desde a redução do número de consultas para vacinação até à possibilidade de evitar uma operação para retirar um implante.

As provas publicadas mais detalhadas dizem respeito ao penso com vacina. Nguyen foi o autor correspondente do estudo sobre a vacina com microagulhas, publicado online a 23 de novembro de 2020 na Nature Biomedical Engineering e incluído no volume de 2021. A investigação testou a tecnologia em ratos; a sua utilização na vacinação de rotina em pessoas continua a ser um objetivo de desenvolvimento.

De Da Nang a um laboratório em Connecticut

Nguyen nasceu em 1984, em Da Nang, no centro do Vietname. Estudou Física no Liceu Le Quy Don para Alunos Talentosos antes de ingressar no programa de engenharia para alunos talentosos em Física da Engenharia, na Universidade de Ciência e Tecnologia de Hanói.

Depois de se licenciar em 2007, recebeu, em 2008, uma bolsa da Vietnam Education Foundation para prosseguir os estudos de doutoramento na Universidade de Princeton. Concluiu o doutoramento em 2013 e continuou como investigador de pós-doutoramento no Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

O seu percurso académico passou da mecânica e da engenharia aeroespacial para a tecnologia biomédica. Em Connecticut, onde ingressou nos departamentos de engenharia mecânica e biomédica em 2016, criou um laboratório dedicado a biomateriais, medicamentos, vacinas, medicina regenerativa e dispositivos médicos em miniatura. Tornou-se professor associado em 2022.

Várias datas assinalam o desenvolvimento deste trabalho:

• 2017: Nguyen recebeu o prémio NIH Trailblazer, atribuído a jovens investigadores.
• 2018: O seu laboratório apresentou uma tecnologia de polímero piezoelétrico biodegradável para aplicações médicas.
• 23 de novembro de 2020: O estudo sobre o penso programável com vacina foi publicado online.
• 30 de agosto de 2022: Foi concedida uma patente para uma microagulha de núcleo e revestimento que identifica Nguyen e Khanh Tran.
• 2024: Nguyen foi eleito membro sénior da National Academy of Inventors.

Como um penso pode substituir várias deslocações

O penso com vacina de Nguyen tem aproximadamente o tamanho da ponta de um polegar e contém centenas de agulhas minúsculas. Em vez de usar uma seringa convencional para administrar cada dose separadamente, deposita pequenas doses da vacina na pele numa única aplicação.

Cada microagulha tem um núcleo que contém a vacina e um revestimento exterior feito de um polímero biodegradável chamado poli(ácido láctico-co-glicólico), ou PLGA. Os investigadores fabricam e alinham estas peças em miniatura de modo a que revestimentos com diferentes velocidades de degradação libertem o seu conteúdo em momentos distintos.

O objetivo é obter uma série de libertações programadas, semelhantes a injeções separadas. Uma dose pode ser libertada após um curto intervalo, enquanto outra permanece encapsulada até mais tarde. A alteração do desenho do revestimento e das propriedades do material modifica o calendário de libertação.

Nguyen, então professor auxiliar de engenharia em Connecticut, explicou o benefício pretendido para os doentes:

O doente não teria de se lembrar do calendário de vacinação», afirma Nguyen. «Não teria de receber outro penso para voltar a receber as vacinas.

O estudo em ratos utilizou a Prevnar-13 contra o Streptococcus pneumoniae. A comparação com injeções repetidas é útil porque o objetivo prático é manter a proteção, reduzindo ao mesmo tempo o número de vezes que uma pessoa tem de regressar para receber tratamento.

O que podem significar menos consultas

As famílias que vivem longe de uma clínica poderão ter de organizar o transporte, faltar ao trabalho e regressar em várias datas diferentes para completar um ciclo de vacinação. Um penso que inclua o seu próprio calendário de doses poderá reduzir essas deslocações e o risco de falhar uma dose posterior.

A abordagem de Nguyen insere-se num campo mais vasto de investigação sobre microagulhas. Mark Prausnitz, diretor do Center for Drug Design, Development and Delivery do Georgia Tech, tem trabalhado em pensos contra a gripe e o sarampo. Explica que as agulhas curtas conseguem atravessar a fina barreira exterior da pele sem precisarem do comprimento de uma agulha de injeção convencional.

Algumas formulações com microagulhas poderão também facilitar a distribuição de vacinas, reduzindo a dependência da refrigeração. A capacidade de conservação depende da vacina e da formulação do penso, pelo que cada produto proposto tem de ser testado individualmente. No caso do penso programável de Nguyen, a fiabilidade do calendário e a preservação da vacina durante o armazenamento são essenciais para a utilização pretendida.

Darin Zehrung, responsável pelo programa de dispositivos médicos e tecnologias de saúde da PATH, apontou o compromisso da indústria, a capacidade de produção em escala e um custo razoável como desafios práticos para os pensos com vacinas. O trabalho publicado por Nguyen apresenta provas, obtidas em animais, da administração programada; transformar esse desenho num produto médico amplamente distribuído exige também desenvolvimento clínico e industrial.

Patentes alargam a plataforma de administração

Nguyen e o coinventor Khanh Tran apresentaram o pedido de patente para a microagulha de núcleo e revestimento em 5 de março de 2019. A patente norte-americana 11,426,570 foi concedida em 30 de agosto de 2022, tendo a Universidade de Connecticut como titular.

A invenção descreve agulhas biodegradáveis que podem ficar inseridas na pele e libertar quantidades controladas de medicamentos ou vacinas em picos acentuados e em momentos previsíveis. Um pedido relacionado, que identifica os mesmos inventores, foi apresentado em 22 de julho de 2022.

Outro pedido, apresentado em 28 de setembro de 2021, identifica Nguyen e Nicholas Farrell e diz respeito à administração prolongada de medicamentos para o tratamento da dor. Descreve um sistema biodegradável de microagulhas concebido para libertar o medicamento a uma velocidade quase constante durante pelo menos 30 dias.

As duas abordagens destinam-se a calendários de tratamento diferentes. A vacinação poderá exigir doses distintas, separadas por dias ou semanas, enquanto o tratamento da dor poderá exigir um fornecimento contínuo. Ambas recorrem à estrutura e à degradação de um material para controlar o momento em que o medicamento fica disponível.

Materiais que ajudam a reparar ossos e cartilagem

O laboratório de Nguyen também estuda estruturas biodegradáveis que geram sinais elétricos. A propriedade em causa é a piezoeletricidade: um material produz uma pequena carga elétrica quando é comprimido, dobrado ou sujeito a outro tipo de esforço mecânico.

Para lesões graves em ossos longos, como o fémur e a tíbia, a equipa está a desenvolver um suporte biológico, uma estrutura temporária destinada a apoiar a reparação. O material pode produzir impulsos elétricos concebidos para estimular a cicatrização em zonas onde o processo natural de reparação do organismo poderá ter dificuldades.

Um projeto dos NIH atribuiu 2,1 milhões de dólares à investigação destinada a melhorar a cicatrização de lesões graves em ossos longos. O suporte combina apoio físico com estimulação elétrica, em vez de funcionar apenas como uma estrutura passiva.

Um trabalho relacionado, divulgado em 2022, utilizou nanofibras de poli(ácido L-láctico), ou PLLA, para apoiar a regeneração da cartilagem em articulações danificadas. O movimento, como caminhar, exerce força sobre o material e produz sinais elétricos fracos que se destinam a incentivar as células envolvidas na reparação dos tecidos.

A cartilagem e o osso exigem estratégias de reparação diferentes. A abordagem de engenharia comum consiste em conferir uma função biológica útil a um material temporário e, depois, permitir que este se degrade à medida que o tecido recupera.

Ultrassons concebidos para ajudar os medicamentos a chegar ao cérebro

A investigação de Nguyen sobre cancro cerebral aplica materiais biodegradáveis a outro problema difícil de administração de medicamentos. Muitos medicamentos têm dificuldade em chegar ao tecido cerebral porque a barreira hematoencefálica, uma fronteira altamente seletiva em torno dos vasos sanguíneos, limita o que consegue atravessá-la.

A equipa desenvolveu pequenos chips flexíveis de ultrassons, concebidos para serem implantados junto do tecido cerebral. Os dispositivos produzem ondas sonoras destinadas a ajudar os medicamentos de quimioterapia a entrar no cérebro e a chegar às células cancerígenas. A abordagem proposta permitiria realizar sessões de tratamento repetidas antes de o implante se degradar.

Uma bolsa dos NIH de 2,16 milhões de dólares apoia a investigação destinada a melhorar a quimioterapia através de tecnologia biodegradável de ultrassons. Um dispositivo que desapareça depois do tratamento poderá poupar ao doente outro procedimento para o retirar.

O trabalho com ultrassons dá continuidade ao interesse anterior do laboratório pela eletrónica temporária. Em 2018, Nguyen e os seus colegas desenvolveram um sensor com um material biodegradável associado a fios cirúrgicos reabsorvíveis. O dispositivo foi concebido para transmitir informação sem fios e depois degradar-se, integrando a monitorização e a remoção futura no desenho do mesmo material.

Um projeto da pandemia para além dos implantes

Durante a pandemia de COVID-19, a equipa de Nguyen explorou a possibilidade de utilizar também as suas membranas poliméricas biodegradáveis como filtros para máscaras. Em janeiro de 2021, o grupo apresentou um protótipo concebido para se aproximar do desempenho de filtragem dos filtros N95, permitindo a esterilização e a reutilização.

O filtro proposto utilizava uma membrana piezoelétrica capaz de gerar uma pequena tensão elétrica quando o ar passava por ela. Os investigadores analisaram se esse efeito elétrico poderia ajudar a capturar partículas, além da ação de filtragem física da membrana.

Nguyen afirmou que o laboratório estava a medir a capacidade de filtragem, a ajustar as condições de fabrico e a comparar o material com máscaras médicas convencionais e respiradores N95. A equipa descreveu também testes de esterilização com calor e pressão ou ultrassons, procurando preservar as propriedades piezoelétricas da membrana.

Em janeiro de 2021, o projeto encontrava-se na fase de investigação e desenvolvimento do produto, estando a comercialização em análise. No mesmo período, o laboratório explorava pensos com vacinas contra a COVID-19. A experiência publicada com o penso programável utilizou a vacina pneumocócica Prevnar-13.

O que abrangem o financiamento e os reconhecimentos

Os valores de financiamento dizem respeito a várias vertentes do programa de investigação de Nguyen. Até outubro de 2024, quatro bolsas R01 dos NIH totalizavam mais de 9,5 milhões de dólares. Uma bolsa R01 é um importante mecanismo dos NIH para financiar um projeto de investigação definido.

Três das bolsas especificadas incluíam 2,1 milhões de dólares para a reparação de ossos longos, 1,5 milhões de dólares para tecnologia de microagulhas e 2,16 milhões de dólares para ultrassons biodegradáveis destinados ao tratamento do cancro cerebral. A Fundação Gates aprovou duas bolsas, no valor total de 6,6 milhões de dólares, para desenvolver pensos capazes de administrar várias doses de vacinas.

O financiamento referido dos NIH e da Fundação Gates totalizava cerca de 16,1 milhões de dólares, aproximadamente 64% dos 25 milhões de dólares que, segundo a Universidade de Connecticut, Nguyen obteve desde que ingressou na instituição. O valor de 25 milhões de dólares abrange o conjunto mais vasto do financiamento que obteve na universidade.

A sua eleição como membro sénior da National Academy of Inventors, em 2024, integrou-o num grupo de 124 pessoas de 60 instituições. No conjunto, os membros deste grupo detinham mais de mil patentes norte-americanas e tinham mais de 340 tecnologias licenciadas ou comercializadas.

A distinção de membro sénior reconhece a atividade de invenção e patenteamento, a transferência de tecnologia e a formação de futuros inventores. Entre as outras distinções de Nguyen contam-se o prémio SME Outstanding Young Manufacturing Engineer de 2018, o reconhecimento entre jovens inovadores da região Ásia-Pacífico e a seleção entre os jovens de destaque do Vietname em 2019.

Em todos os projetos, a ambição prática é a mesma: reduzir o número de consultas, ajudar os medicamentos a chegar a alvos difíceis e fazer desaparecer implantes temporários depois de cumprirem a sua função. O estudo da vacina apresenta um exemplo concreto dessa ambição em animais, enquanto o programa mais amplo aplica as mesmas ideias de engenharia de materiais à reparação, à monitorização e ao tratamento.

Pontos principais

• Nguyen Duc Thanh ingressou na Universidade de Connecticut em 2016 e tornou-se professor associado em 2022.
• O seu penso programável com vacina administrou doses programadas de Prevnar-13 em ratos, produzindo respostas imunitárias semelhantes às obtidas com injeções repetidas.
• O seu laboratório estuda também materiais biodegradáveis para a reparação de ossos e cartilagem, sensores temporários e dispositivos de ultrassons para a administração de medicamentos no cérebro.
• Até outubro de 2024, o financiamento referido dos NIH e da Fundação Gates totalizava cerca de 16,1 milhões de dólares; a Universidade de Connecticut estimou em 25 milhões de dólares o financiamento mais amplo da sua investigação.
• Nguyen foi eleito membro sénior da National Academy of Inventors em 2024.
• A utilização de rotina do seu penso programável com vacina em pessoas continua a ser um objetivo de desenvolvimento.