Por quase uma década, o Programa de Organogênese Cerebral de Stanford vem redefinindo a forma como os cientistas estudam o cérebro humano. Em vez de depender de tecido cerebral intacto de humanos ou animais, os pesquisadores do projeto usam células-tronco para desenvolver estruturas tridimensionais semelhantes a cérebros em laboratório. Esses modelos em miniatura, chamados de organoides e montagens neurais humanas, permitem que os cientistas explorem o desenvolvimento e o funcionamento do cérebro de maneiras inteiramente novas.
O projeto foi lançado em 2018 como parte do Instituto de Neurociências Wu Tsai da Universidade de Stanford, por meio de sua iniciativa Big Ideas in Neuroscience, reunindo especialistas de neurociência, química, engenharia e outras disciplinas. Juntos, eles estudam circuitos neurais associados à dor, genes associados a distúrbios do neurodesenvolvimento e novas formas de estudar as conexões cerebrais.
Ao longo do programa houve um desafio: aumentar a produção. Para obter insights sobre o desenvolvimento do cérebro, estudar distúrbios do desenvolvimento ou testar tratamentos potenciais, os pesquisadores precisam produzir milhares de organoides de tamanho e formato uniformes. No entanto, estas estruturas delicadas tendem a aderir, dificultando a produção de lotes grandes e consistentes.
Uma equipe liderada por Kenneth T. Norris, Jr., afiliado da Wu Tsai Neuro, professor de psiquiatria e ciências comportamentais, e Sarah Heilshorn, professora de engenharia da Rickey/Nielsen, descobriu recentemente uma solução surpreendentemente simples. É relatado Engenharia Biomédica da NaturezaA chave para evitar a aglomeração de organoides é a goma xantana, um aditivo alimentar amplamente utilizado.
“Podemos facilmente produzir 10 mil deles agora”, disse Pascal, Bonnie Uytengsu e diretor familiar do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford. Mantendo o compromisso do programa de tornar a sua tecnologia amplamente disponível, eles compartilharam a sua abordagem para que outros possam tirar proveito dela. “Tal como acontece com todos os nossos métodos, este é aberto e está disponível gratuitamente. Já existem muitos laboratórios que implementaram esta tecnologia.”
Muito raramente você consegue nomeá-los
Esse nível de produtividade já foi inimaginável. Cerca de uma dúzia de anos atrás, Pascal acabara de desenvolver um método para converter células-tronco em tecidos tridimensionais que ficaram conhecidos como organoides neurais regionalizados. Naquela época, ele só conseguia fazer alguns.
“No início, eu tinha oito ou nove e dei-lhes nomes de criaturas míticas”, disse Pascal.
Mas o objectivo de Pascal é muito mais amplo: revelar como o cérebro em desenvolvimento se desequilibra em condições como o autismo ou a síndrome de Timothy, e explorar como os medicamentos afectam este desenvolvimento. “Precisamos produzir milhares de organoides, e todos deveriam ser idênticos”, disse ele.
Ele também reconheceu que o sucesso requer uma equipe diversificada de especialistas. “Pensei: ‘Este é um campo emergente e teremos muitos problemas, e a forma como vamos enfrentá-los e resolvê-los é implementando tecnologias inovadoras'”, disse Pascal.
Para concretizar essa visão, Pascal colaborou com o neurocientista e bioengenheiro Karl Deisseroth, afiliado da Wu Tsai Neuro, para formar um grupo interdisciplinar que lançou formalmente a Stanford Brain Organogenesis Initiative com o apoio do Wu Tsai Neuro Big Ideas in Neuroscience Fund.
Solução antiaderente
Problemas de aderência logo surgiram. Os organoides se fundem, criando um número menor de organoides de diferentes formas e tamanhos.
“As pessoas no laboratório continuavam dizendo: ‘Fiz cem organoides e acabei com apenas vinte’”, disse Pascal.
Isso é uma bênção e uma maldição. Por um lado, mostra que os investigadores podem unir dois tipos diferentes de organoides, como pequenos cerebelos e medulas espinais, para estudar o desenvolvimento de estruturas cerebrais mais complexas. Na verdade, estas combinações são hoje uma parte fundamental do trabalho de Pascal e dos seus colegas.
Por outro lado, a equipe ainda precisa ser capaz de criar um grande número de organoides para que possam coletar dados precisos sobre o desenvolvimento do cérebro, rastrear medicamentos para defeitos de crescimento ou realizar qualquer outro projeto em escala.
Uma possibilidade é cultivar cada organoide em um prato separado, mas isso costuma ser ineficiente. Em vez disso, o laboratório precisava de algo para separar os organoides enquanto os cultivava em lotes, então Pascal se uniu a Heilshorn, colaborador do Stanford Brain Organogenesis Project e engenheiro de materiais, para tentar algumas opções.
A equipe acabou trabalhando em 23 materiais diferentes, com o objetivo de permitir que outras pessoas utilizassem seu método.
“Os materiais que escolhemos já são considerados biocompatíveis e são relativamente económicos e fáceis de usar, pelo que a nossa abordagem pode ser facilmente adoptada por outros cientistas”, disse Hellshorn.
Para testar cada um, eles primeiro cultivaram os organoides em um líquido rico em nutrientes durante seis dias e depois adicionaram um material de teste. Após mais 25 dias, a equipe simplesmente contou o número de organoides restantes.
Mesmo quando usada em pequenas quantidades, a goma xantana evita que os organoides se fundam sem quaisquer efeitos colaterais no desenvolvimento dos organoides. Isso significa que os pesquisadores podem isolar organoides sem afetar os resultados experimentais.
Finalmente expandido
Para demonstrar o potencial da tecnologia, a equipa utilizou-a para resolver um problema do mundo real: os médicos muitas vezes hesitam em prescrever medicamentos potencialmente benéficos a mulheres grávidas e bebés porque não sabem se podem prejudicar o cérebro em desenvolvimento. (Embora os medicamentos aprovados pela FDA sejam extensivamente testados, preocupações éticas significam que normalmente não são testados em mulheres grávidas ou bebés.)
Para demonstrar como os organoides poderiam resolver esse problema, Genta Narazaki, pesquisadora visitante no laboratório de Pascal na época em que o estudo foi concluído, primeiro cultivou 2.400 organoides em lotes. Narazaki então adicionou um dos 298 medicamentos aprovados pela FDA a cada lote para ver se algum deles poderia causar defeitos de crescimento. Trabalhando em estreita colaboração com o co-autor Yuki Miura no laboratório de Pascal, Narasaki descobriu que vários medicamentos, incluindo um usado para tratar o cancro da mama, impediam o crescimento de organoides, sugerindo que poderiam ser prejudiciais ao desenvolvimento do cérebro.
O experimento mostrou que os pesquisadores podem detectar possíveis efeitos colaterais e fazê-lo de forma muito eficaz, disse Pascal: “Um experimentador produziu ele mesmo milhares de organoides corticais e testou quase 300 medicamentos”.
Pascal e seus colegas do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford esperam agora usar sua técnica para fazer avanços em uma série de distúrbios neuropsiquiátricos, como autismo, epilepsia e esquizofrenia. “Combater estas doenças é realmente importante, mas não há forma de progredir a menos que seja intensificado”, disse Pascal. “Esse é o objetivo agora.”
