Por que algumas crianças têm cérebros anormalmente pequenos (microcefalia)? Uma equipe global de cientistas do Centro Alemão de Primatas, do Instituto Leibniz de Pesquisa de Primatas (DPZ), da Faculdade de Medicina de Hannover (MHH) e do Instituto Max Planck de Biologia Celular Molecular e Genética decidiu responder a essa questão usando organoides do cérebro humano. Esses modelos desenvolvidos em laboratório permitem que os pesquisadores observem mais de perto como as mudanças nas principais proteínas estruturais das células interferem no desenvolvimento inicial do cérebro.
Seu trabalho está documentado em relatório da organização molecular europeiamostraram que mutações no gene da actina perturbaram a divisão precoce das células progenitoras do cérebro. Quando essas células não conseguem se dividir corretamente, seu número diminui, limitando o crescimento geral do cérebro e fazendo com que ele fique menor. “Nossos resultados fornecem a primeira explicação celular para a microcefalia observada em pacientes com a rara síndrome de Baraitser-Winter”, disse Indra Niehaus, pesquisadora associada da Escola Médica de Hannover e primeira autora do estudo.
Como a estrutura interna de uma célula molda o desenvolvimento do cérebro
A actina desempenha um papel central no citoesqueleto, a estrutura interna que dá estrutura às células e ajuda a mover os materiais dentro delas. Em pessoas com síndrome de Baraitser-Winter, as mutações afetam um dos dois principais genes da actina. Para compreender as consequências, os investigadores reprogramaram células da pele de pacientes afetados em células estaminais pluripotentes induzidas. Essas células-tronco foram então usadas para cultivar organoides cerebrais tridimensionais que imitam os estágios iniciais da formação do cérebro humano.
Após trinta dias de desenvolvimento, a diferença era impressionante. Os organoides cultivados a partir de células de pacientes eram cerca de 25% menores do que aqueles cultivados a partir de células de doadores saudáveis. As regiões semelhantes a ventrículos dentro dos organoides – onde as células progenitoras se reúnem e começam a formar as primeiras células nervosas – também são muito menores.
Mudanças nas principais populações de células cerebrais
Quando os cientistas examinaram os tipos de células dentro dos organoides, encontraram um claro desequilíbrio. O número de células progenitoras apicais críticas para a construção do córtex cerebral foi significativamente reduzido. Ao mesmo tempo, há um aumento nas células progenitoras basais, que normalmente aparecem mais tarde à medida que o desenvolvimento avança.
Esta mudança sugere que o momento e o resultado da divisão celular mudaram, o que pode explicar por que o tecido cerebral não consegue se expandir normalmente.
Quando as células se dividem na direção errada
A equipe usou microscopia de alta resolução para acompanhar de perto as divisões das células progenitoras apicais. Em condições normais, essas células se dividem principalmente em ângulo reto com a superfície ventricular. Esta orientação garante um compartilhamento uniforme de componentes celulares e a geração de duas novas células progenitoras apicais.
Esse padrão mudou drasticamente em organoides portadores de mutações de actina. As divisões verticais tornaram-se menos comuns, enquanto as divisões horizontais e angulares dominaram. Como resultado, as células progenitoras apicais são menos capazes de auto-renovação. Eles se desprendem da zona ventricular com mais frequência e têm maior probabilidade de se tornarem progenitores basais.
“A nossa análise mostra muito claramente que uma mudança na direção da divisão das células progenitoras é um gatilho decisivo para a redução do tamanho do cérebro”, disse Michael Heide, líder do grupo no Centro Alemão de Primatas e autor final do estudo. “Uma única mudança no citoesqueleto é suficiente para interromper o processo de desenvolvimento inicial do cérebro”.
Pequenas mudanças estruturais têm efeitos duradouros
A microscopia eletrônica revelou defeitos sutis adicionais na superfície ventricular. O formato das células parece irregular, com formação de saliências adicionais entre células adjacentes. Os pesquisadores também observaram níveis anormalmente elevados de tubulina nas junções celulares. A tubulina é outra proteína do citoesqueleto que desempenha um papel fundamental na divisão celular.
Embora a estrutura global da célula permaneça intacta, estas pequenas anomalias podem ser suficientes para alterar permanentemente a forma como a célula é orientada durante a divisão.
Prove que as mutações são a causa
Para confirmar que as diferenças observadas foram de facto causadas por mutações de actina e não por outras variantes genéticas, os investigadores conduziram uma experiência de controlo chave. Eles usaram CRISPR/Cas9 para introduzir exatamente as mesmas mutações em linhas de células-tronco saudáveis. Os organoides cerebrais cultivados a partir dessas células editadas desenvolveram os mesmos defeitos que os organoides derivados do paciente – provando que a própria mutação foi a causa.
O que esta descoberta significa para a medicina
As descobertas revelam como mutações genéticas raras podem levar a malformações cerebrais complexas e demonstram o valor dos organoides cerebrais na pesquisa biomédica. “Nossas descobertas nos ajudam a entender como doenças genéticas raras levam a malformações cerebrais complexas e destacam o potencial dos organoides cerebrais na pesquisa biomédica”, disse Michael Hyde.
Nataliya Di Donato, Diretora do Instituto de Genética Humana da Escola Médica de Hannover, disse: “O potencial terapêutico deste estudo reside no diagnóstico, pois nossos dados ajudam a classificar melhor os achados genéticos nos pacientes. Como esta doença afeta os processos iniciais de desenvolvimento fetal, a intervenção em humanos será complexa. No entanto, novos medicamentos que afetam a interação entre a actina e os microtúbulos podem abrir novas abordagens a longo prazo”.
