Descobertas científicas: tendências emergentes para ficar de olho em 2024

Todos os dias, em todas as disciplinas e indústrias, são feitas descobertas científicas, então como manter-se a par das tendências emergentes em um cenário efervescente? No CAS, temos uma visão única dos avanços científicos recentes, das descobertas históricas sobre as quais foram construídos e a experiência para navegar pelas oportunidades futuras. Identificamos as principais descobertas científicas de 2023, e 2024 promete ainda mais. Dentre as novas tendências a serem observadas estão a expansão acelerada da química verde, a descarbonização da energia, a validação clínica do CRISPR, a ascensão dos biomateriais e o progresso renovado no tratamento das doenças antes incuráveis, como o câncer e as doenças neurodegenerativas.  

A ascensão da IA em P&D

Embora o campo da IA tenha sempre sido uma grande promessa, a revolução esperada na química e na descoberta de medicamentos ainda não se concretizou totalmente. Apesar de alguns contratempos, vários avanços importantes devem ser observados de perto à medida que o campo evolui. O impacto causado pela IA generativa na descoberta de medicamentos, o aprendizado de máquina vem sendo mais utilizado na pesquisa ambiental e grandes modelos de linguagem, como o ChatGPT, vêm sendo testados em aplicações de cuidados com a saúde e em ambientes clínicos.  

Muitos cientistas estão de olho no AlphaFold, o software de predição da estrutura de proteínas da DeepMind que revolucionou a forma como as proteínas são compreendidas. A DeepMind e o Isomorphic Labs anunciaram recentemente seu modelo mais recente, que apresenta maior precisão, pode gerar previsões para quase todas as moléculas no banco de dados de proteínas e expandir a cobertura para ligantes, ácidos nucleicos e modificações pós-traducionais. A descoberta de anticorpos terapêuticos impulsionada pela IA também está cada vez mais popular e plataformas como o mecanismo de descoberta de anticorpos RubrYc Therapeutics ajudarão a avançar as pesquisas na área.

Apesar de muitos verem o desenvolvimento da IA com entusiasmo, preocupações com dados de treinamento precisos e acessíveis, imparcialidade e viés, falta de supervisão regulatória, impacto na academia, nas pesquisas e em publicações científicas, estão na pauta de discussões as alucinações em grandes modelos de linguagem e até preocupações com ameaças infodêmicas à saúde pública. No entanto, a melhoria contínua é inevitável com a IA, por isso espere para ver muitos novos desenvolvimentos e inovações ao longo de 2024.

A química verde ainda mais "verde"

A química verde é um campo em rápida evolução que busca constantemente formas inovadoras de minimizar o impacto ambiental dos processos químicos. Vejamos várias tendências emergentes que apresentam avanços significativos:

• Melhorar as previsões/resultados da química verde: um dos maiores desafios da química verde é prever o impacto ambiental de novos produtos químicos e processos. Os pesquisadores estão desenvolvendo novas ferramentas e modelos computacionais que ajudarão a prever esses impactos com maior precisão. Com isso os químicos poderão projetar produtos químicos mais seguros e ecológicos.
• Redução de plásticos: são geradas mais de 350 milhões de toneladas de resíduos plásticos todos os anos. No cenário que abrange fabricantes, fornecedores e varejistas, é fundamental reduzir o uso de plásticos e microplásticos descartáveis. Novas abordagens orientadas por valor por parte de inovadores como a MiTerro, que reutilizam subprodutos industriais e resíduos de biomassa para substituições de plástico mais ecológicas e mais baratas, serão em breve as expectativas da indústria. A redução dos custos e da pegada plástica será importante para a cadeia de suprimentos como um todo.     
• Química de baterias alternativas: no espaço de baterias e armazenamento de energia, será fundamental encontrar alternativas para a escassez dos “elementos ameaçados”, como o lítio e o cobalto. Embora sejam componentes essenciais de muitas baterias, estão se tornando escassos e caros. Houve expansão em novos investimentos em baterias de fosfato de ferro-lítio (LFP) que não utilizam níquel e cobalto, com projeção de participação de mercado de veículos elétricos de 45% para LFP em 2029. Prevê-se a continuação das pesquisas para um maior desenvolvimento de materiais alternativos como sódio, ferro e magnésio, mais abundantes, menos dispendiosos e mais sustentáveis.
• Catalisadores mais sustentáveis: os catalisadores aceleram uma reação química ou diminuem a energia necessária sem serem consumidos na reação. Os metais nobres são excelentes catalisadores; no entanto, são caros e sua mineração causa danos ambientais. Mesmo os catalisadores de metais não nobres também podem ser tóxicos devido à contaminação e aos desafios com a sua eliminação. Catalisadores sustentáveis são feitos de elementos abundantes no meio-ambiente e que também são de natureza não tóxica. Nos últimos anos, tem aumentado o foco no desenvolvimento de catalisadores sustentáveis que sejam mais ecológicos e menos dependentes de metais preciosos. Novos desenvolvimentos com catalisadores, suas funções e impacto ambiental impulsionarão progressos significativos na redução das pegadas de carbono.  
• Reciclagem de baterias de íons de lítio: a reciclagem de íons de lítio obteve maiores investimentos com mais de 800 patentes já publicadas em 2023. O uso de eletrólitos sólidos ou eletrólitos líquidos não inflamáveis pode melhorar a segurança e a durabilidade dos LIBs e reduzir o uso de materiais. Finalmente, um método para fabricar eletrodos sem solventes poderia reduzir o uso de solventes obsoletos, como a N-metilpirrolidinona, que requerem reciclagem e manuseio cuidadoso para evitar emissões.

A ascensão dos biomateriais

Novos materiais para aplicações biomédicas poderão revolucionar muitos segmentos da saúde em 2024. Um exemplo são os materiais bioeletrônicos, que formam interfaces entre dispositivos eletrônicos e o corpo humano, como o sistema de interface cérebro-computador que está sendo desenvolvido pela Neuralink. Este sistema, que utiliza uma rede de eletrodos biocompatíveis implantados diretamente no cérebro, recebeu aprovação da FDA para iniciar ensaios em humanos em 2023.

• Materiais bioeletrônicos: geralmente, são híbridos ou compósitos, incorporando materiais em nanoescala, polímeros condutores altamente projetados e substâncias bioabsorvíveis. Dispositivos desenvolvidos recentemente podem ser implantados, usados temporariamente e depois reabsorvidos pelo corpo com segurança, sem necessidade de remoção. Isso foi demonstrado por um receptor de energia combinado com sensor e sem fio, totalmente bioabsorvível, feito de zinco e do polímero biodegradável, poli(ácido láctico).
• Biomateriais naturais: que sejam biocompatíveis e derivados naturalmente (como quitosana, nanomateriais de celulose e seda) serão usados para fabricar biomateriais multifuncionais avançados em 2023. Por exemplo, foi projetado um implante cerebral de hidrogel injetável para o tratamento da doença de Parkinson, que se baseia em ligações cruzadas reversíveis formadas entre a quitosana, o ácido tânico e as nanopartículas de ouro.
• Biotintas: são usadas para impressão 3D de órgãos e desenvolvimento de transplantes, o que pode revolucionar o cuidado com os pacientes. Atualmente, esses modelos são usados para estudar a arquitetura de órgãos, como modelos de coração impressos em 3D para distúrbios cardíacos e modelos de pulmão impressos em 3D para testar a eficácia de medicamentos. As biotintas especializadas melhoram a qualidade, a eficácia e a versatilidade de órgãos, estruturas e resultados impressos em 3D. Finalmente, novas abordagens, como a fabricação aditiva volumétrica (VAM) de biotintas puras à base de seda, estão abrindo novas fronteiras de inovação para a impressão 3D.

Até a lua e além

O programa Artemis global é um programa internacional de exploração espacial liderado pela NASA que visa pousar a primeira mulher e a primeira pessoa negra na Lua até 2025, como parte do objetivo de longo prazo de estabelecer uma presença humana sustentável na Lua. Além disso, a missão da NASA chamada Europa Clipper, com lançamento previsto para 2024, orbitará Júpiter e passará por Europa, uma das luas de Júpiter, para estudar sua habitabilidade e presença de água. A missão da China, Chang’e 6, planeja trazer amostras da Lua de volta à Terra para estudos adicionais. A missão Martian Moons Exploration (MMX) da japonesa JAXA planeja trazer amostras de Fobos, uma das luas de Marte. A expectativa é de que a Boeing também faça um voo de teste de sua cápsula espacial reutilizável, a Starliner, que poderá levar pessoas à órbita baixa da Terra.

O impacto da P&D do Artemis vai muito além da engenharia aeroespacial, abrangendo mais campos:

• Robótica: os robôs desempenharão um papel crítico no programa Artemis, realizando muitas tarefas, como coleta de amostras, construção de infraestrutura e condução de pesquisas científicas. Isso impulsionará o desenvolvimento de novas tecnologias robóticas, incluindo sistemas autônomos e manipuladores hábeis.
• Medicina espacial: o programa Artemis exigirá o desenvolvimento de novas tecnologias para proteger os astronautas dos perigos das viagens espaciais, como a exposição à radiação e à microgravidade. Isso incluirá descobertas científicas em diagnósticos médicos, terapêuticas e contramedidas.
• Ciências da Terra: o programa Artemis proporcionará uma oportunidade única para estudar a Lua e seu ambiente. Isso levará a novos insights sobre a história, a geologia e o clima da Terra.
• Ciência dos materiais: o ambiente espacial extremo exigirá novos materiais que sejam leves, duráveis e resistentes à radiação. Isso terá aplicações em muitos setores, incluindo aeroespacial, de construção e de energia.
• Tecnologia da informação: o programa Artemis irá gerar uma enorme quantidade de dados, que deverão ser processados, analisados e compartilhados em tempo real. Isso impulsionará o desenvolvimento de novas tecnologias de TI, como computação em nuvem, inteligência artificial e aprendizado de máquina.

A recompensa do CRISPR

Após anos de pesquisa, contratempos e progresso mínimo, foi realizada a primeira evidência formal do CRISPR como uma tecnologia de plataforma terapêutica na clínica. A Intellia Therapeutics recebeu autorização da FDA para iniciar um ensaio fundamental de fase 3 de um novo medicamento para o tratamento de hATTR e, usando o mesmo mRNA Cas9, obteve um novo medicamento para tratar uma doença diferente, o angioedema. Obtido com a alteração de apenas 20 nucleotídeos do RNA guia, o que sugere que o CRISPR pode ser usado como uma tecnologia de plataforma terapêutica na clínica.

O segundo grande momento para a tecnologia de desenvolvimento de medicamentos CRISPR surgiu quando a Vertex e a CRISPR Therapeutics anunciaram a autorização da primeira terapia editada pelo gene CRISPR/Cas9, a CASGEVY™, pela MHRA do Reino Unido, para o tratamento da doença falciforme beta-talassemia dependente de transfusão. Esta foi a primeira aprovação de uma terapia baseada em CRISPR para uso humano e é um momento marcante na compreensão do potencial do CRISPR para melhorar a saúde humana.

Além da sua notável capacidade de edição do genoma, o sistema CRISPR-Cas provou ser eficaz em muitas aplicações, inclusive o diagnóstico precoce do câncer. A engenharia do genoma e do transcriptoma baseada em CRISPR e o CRISPR-Cas12a e o CRISPR-Cas13a parecem ter as características necessárias para se tornarem ferramentas robustas de detecção para tratamento e diagnóstico do câncer. O sistema de biossensor baseado em CRISPR-Cas dá origem a uma nova era para diagnósticos precisos de cânceres em estágio inicial.

Os engenheiros do MIT também projetaram um novo nanossensor codificado por DNA de nanopartículas para biomarcadores urinários que poderia permitir diagnósticos precoces de câncer com um simples exame de urina. Os sensores, que podem detectar proteínas cancerígenas, também poderão distinguir o tipo do tumor ou como ele responderá ao tratamento.

O fim do câncer

O campo da imuno-oncologia apresentou um enorme crescimento nos últimos anos. Foram aprovados produtos como citocinas, vacinas, anticorpos monoclonais direcionados a tumores e bloqueadores de pontos de controle imunológico, que continuam a ampliar o tamanho do mercado. Novas terapias como a TAC01-HER2 estão atualmente passando por ensaios clínicos. Esta é uma terapia exclusiva, que utiliza células T autólogas geneticamente modificadas para incorporar receptores de acoplador de antígeno de células T (TAC), que reconhecem a presença do receptor 2 do fator de crescimento epidérmico humano (HER2) nas células tumorais para removê-las. Esta poderá ser uma terapia promissora para tumores sólidos metastáticos positivos para HER2.

Outra estratégia promissora visa utilizar as células CAR-T contra tumores sólidos em conjunto com uma vacina que aumenta a resposta imunitária. O reforço imunológico ajuda o corpo a criar mais células T hospedeiras que podem atingir outros antígenos tumorais que as células CAR-T não conseguem matar.

Outra tendência a ser destacada é o desenvolvimento de terapias personalizadas aperfeiçoadas e eficazes. Por exemplo, uma vacina neoantígena de RNA personalizada desenvolvida recentemente, com base em nanopartículas de mRNA-lipoplex de uridina, foi considerada eficaz contra o adenocarcinoma ductal pancreático (PDAC). Os principais desafios na imuno-oncologia são a resistência à terapia, a falta de biomarcadores previsíveis e a heterogenicidade do tumor. Como resultado, a elaboração de estratégias inéditas de tratamento poderá ser um foco de pesquisa futura.

Descarbonização da energia

Estão em curso vários esforços bem financiados para a descarbonização da produção de energia, substituindo fontes de energia baseadas em combustíveis fósseis por fontes que não gerem nenhum (ou muito menos) CO2 em 2024.

Um desses esforços é incorporar dispositivos de armazenamento de energia em grande escala na rede elétrica existente. Trata-se de uma peça importante para permitir a utilização de fontes renováveis, pois proporcionam oferta e demanda adicionais de eletricidade para complementar as fontes renováveis. Estão em desenvolvimento vários tipos de armazenamento em escala de rede que variam na quantidade de energia que podem armazenar e na rapidez com que podem descarregá-la na rede. Alguns são físicos (volantes, hidrelétricas bombeadas e ar comprimido) e alguns são químicos (baterias tradicionais, baterias de fluxo, supercapacitores e hidrogênio), mas todos são objeto de pesquisa ativa em química e desenvolvimento de materiais. O governo dos EUA está incentivando o desenvolvimento nesta área com créditos fiscais como parte da Lei de Redução da Inflação e de um programa de US$ 7 bilhões de dólares para estabelecer centros regionais de hidrogênio.

Entretanto, a energia nuclear ainda continuará sendo uma área ativa da P&D em 2024. Na fissão nuclear, várias empresas estão desenvolvendo pequenos reatores modulares (SMRs) para usar na produção de eletricidade e na fabricação de produtos químicos, incluindo hidrogênio. O desenvolvimento de reatores de fusão nuclear envolve pesquisas fundamentais em física e ciência de materiais. Um dos principais desafios é encontrar um material que possa ser utilizado na parede do reator voltada para o plasma de fusão. Até agora, os materiais candidatos incluíam ligas de alta entropia e até metais fundidos.

Doenças neurodegenerativas

As doenças neurodegenerativas são um grande problema de saúde pública, representando uma das principais causas de morte e invalidez no mundo todo. Embora atualmente não exista cura para nenhuma das doenças neurodegenerativas, novas descobertas científicas e a compreensão desses caminhos podem ser a chave para ajudar nos resultados dos pacientes.

• Doença de Alzheimer: duas imunoterapias receberam aprovação da FDA para reduzir o declínio cognitivo e funcional em indivíduos que vivem com a doença de Alzheimer precoce. O aducanumabe (Aduhelm®) obteve a aprovação acelerada em 2021 e é o primeiro tratamento novo aprovado para a doença de Alzheimer desde 2003 e a primeira terapia direcionada à fisiopatologia da doença, que reduz as placas beta-amiloides no cérebro de pacientes com doença de Alzheimer em estágio inicial. O lecanemabe (Leqembi®) recebeu aprovação tradicional em 2023 e é o primeiro medicamento que visa a fisiopatologia da doença de Alzheimer que apresentou benefícios clínicos, reduzindo a taxa de progressão da doença e retardando o declínio cognitivo e funcional em adultos em estágios iniciais da doença.
• Doença de Parkinson: estão sendo pesquisadas e foram aprovadas pela FDA novas modalidades de tratamento, fora dos produtos farmacêuticos e da estimulação cerebral profunda, para o tratamento dos sintomas da doença de Parkinson. O dispositivo médico não invasivo, Exablate Neuro (aprovado pela FDA em 2021), utiliza ultrassom focado em um lado do cérebro para proporcionar alívio de sintomas graves, como tremores, rigidez dos membros e discinesia. O ano de 2023 trouxe grandes novidades para a pesquisa da doença de Parkinson com a validação do biomarcador alfa-sinucleína. Os pesquisadores desenvolveram uma ferramenta chamada ensaio de amplificação de semeadura de α-sinucleína, que detecta o biomarcador no líquido espinhal de pessoas com diagnóstico de doença de Parkinson e de indivíduos que não apresentaram sintomas clínicos.
• Esclerose lateral amiotrófica (ELA): duas empresas farmacêuticas obtiveram aprovação da FDA nos últimos dois anos para retardar a progressão da doença em indivíduos com ELA. O Relyvrio® foi aprovado em 2022 e atua impedindo ou retardando a morte de células neuronais em pacientes com ELA. O Tofersen (Qalsody®), um oligonucleotídeo antisense, foi aprovado em 2023 pela via de aprovação acelerada. O Tofersen tem como alvo o RNA produzido a partir de genes mutantes do superóxido dismutase 1 (SOD1) para eliminar a produção tóxica da proteína SOD1. A pesquisa genética publicada recentemente sobre como as mutações contribuem para a ELA está em andamento, em que pesquisadores descobriram recentemente como as mutações do gene NEK1 levam à ELA. Esta descoberta sugere uma possível abordagem terapêutica racional para estabilizar microtúbulos em pacientes com ELA.