Cientistas da Northwestern University criaram o modelo mais sofisticado desenvolvido em laboratório para estudar lesões na medula espinhal humana.
No novo estudo, a equipe usou organoides da medula espinhal humana – órgãos em miniatura derivados de células-tronco – para recriar diferentes formas de trauma medular e avaliar um tratamento regenerativo promissor.
Os pesquisadores demonstraram pela primeira vez que esses organoides da medula espinhal humana podem reproduzir fielmente as principais consequências biológicas da lesão medular. O modelo mostrou morte celular, inflamação e cicatrizes gliais, um espesso acúmulo de tecido cicatricial que forma uma barreira física e química que impede o reparo nervoso.
Quando organoides danificados foram tratados com “moléculas dançantes”, uma terapia que restaurou o movimento e reparou tecidos em estudos anteriores com animais, os resultados foram dramáticos. O tecido lesionado produz enormes crescimentos de neuritos, o que significa que os longos trechos que permitem a comunicação dos neurônios começam a crescer novamente. O tecido semelhante a uma cicatriz é bastante reduzido. As descobertas apoiam ainda mais a ideia de que esta terapia, que recentemente recebeu a designação de medicamento órfão da Food and Drug Administration (FDA) dos EUA, poderia melhorar a recuperação em pessoas com lesões na medula espinhal.
O estudo foi publicado em 11 de fevereiro Engenharia Biomédica da Natureza.
“Um dos aspectos mais interessantes dos organoides é que podemos usá-los para testar novas terapias em tecidos humanos”, disse Samuel I. Stupp, da Northwestern University, autor sênior do estudo e inventor da molécula da dança. “Sem ensaios clínicos, esta é a única maneira de atingir esse objetivo. Decidimos desenvolver dois modelos de lesão diferentes em organoides da medula espinhal humana e testar nossa terapia para ver se os resultados eram semelhantes aos que vimos anteriormente em modelos animais. Depois de aplicar nossa terapia, as cicatrizes gliais desapareceram significativamente e ficaram quase indetectáveis, e vimos o crescimento de neuritos, semelhante aos axônios que vemos em animais.”
Stupp é líder no campo da ciência de materiais regenerativos e detém o título de Professor do Conselho de Ciência e Engenharia de Materiais, Química, Medicina e Engenharia Biomédica na Northwestern University. Ele ocupou cargos na Escola de Engenharia McCormick, na Faculdade de Artes e Ciências Weinberg e na Escola de Medicina Feinberg, onde dirigiu o Centro de Nanomedicina Regenerativa (CRN). O primeiro autor do artigo é Nozomu Takata, professor assistente de medicina da Feinberg Research e membro do CRN.
Por que os organoides humanos são importantes
Organóides são cultivados em laboratório a partir de células-tronco pluripotentes induzidas. Embora sejam versões simplificadas de órgãos completos, eles se assemelham muito aos tecidos reais em termos de estrutura, diversidade celular e função. Por causa disso, os organoides são ferramentas poderosas para estudar doenças, testar tratamentos e explorar o desenvolvimento de órgãos. Eles também permitem que os pesquisadores conduzam estudos com mais rapidez e custo menor do que experimentos em animais ou ensaios clínicos em humanos.
Embora outros grupos tenham produzido organoides da medula espinhal para estudar biologia básica, este modelo representa um grande avanço na pesquisa de lesões. Esses organoides têm vários milímetros de diâmetro e são maduros o suficiente para resistir e simular lesões traumáticas.
Ao longo de vários meses, a equipe orientou as células-tronco para formar um tecido complexo da medula espinhal contendo neurônios e células estreladas. Eles também se tornaram os primeiros a integrar microglia, células imunológicas encontradas no sistema nervoso central, para replicar melhor a resposta inflamatória após lesão na medula espinhal.
“É um pseudo-órgão”, disse Stapp. “Somos os primeiros a introduzir microglia em organoides da medula espinhal humana, então esta é uma grande conquista. Isso significa que nossos organoides possuem todos os produtos químicos que o sistema imunológico residente produz em resposta a uma lesão. Isso o torna um modelo mais realista e preciso de lesão da medula espinhal.”
O que é uma dançarina
Depois que os organoides da medula espinhal foram totalmente desenvolvidos, os pesquisadores voltaram sua atenção para testar lesões e tratamentos. A terapia molecular de dança, lançada pela primeira vez em 2021, usa movimento molecular controlado para reparar tecidos e potencialmente reverter a paralisia após trauma na medula espinhal. Pertence à classe mais ampla de peptídeos terapêuticos supramoleculares (STPs), que dependem de grandes conjuntos de 100.000 ou mais moléculas para ativar receptores celulares e estimular os sinais naturais de reparo do corpo. (O conceito de terapia supramolecular também é usado nos atuais medicamentos GLP-1 para perda de peso e diabetes, e o laboratório Stupp estudou esta área há quase 15 anos.)
Esta terapia é administrada como uma injeção líquida que forma rapidamente uma rede de nanofibras semelhante à matriz extracelular da medula espinhal. Ao ajustar a forma como as moléculas se movem dinamicamente dentro da estrutura, os pesquisadores melhoram a eficiência com que interagem com os receptores celulares em mudança.
“Dado que a própria célula e os seus receptores estão num estado de movimento constante, pode-se imaginar que as moléculas que se movem mais rapidamente encontrariam estes receptores com mais frequência”, disse Stupp em 2021. “Se as moléculas forem lentas e menos ‘sociais’, podem nunca entrar em contacto com a célula”.
Em experimentos anteriores com animais, os ratos conseguiram andar novamente 4 semanas após uma injeção, 24 horas após uma lesão grave. As formulações com movimento molecular mais rápido tiveram melhor desempenho do que aquelas com movimento molecular mais lento, sugerindo que o aumento do movimento molecular pode melhorar a atividade biológica e a sinalização celular.
lesão simulada da medula espinhal
Para testar esta terapia, os pesquisadores criaram organoides com dois tipos comuns de lesões na medula espinhal. Alguns são cortados com bisturi, imitando lacerações semelhantes a feridas cirúrgicas. Outros sofreram contusões por compressão, equivalentes a traumas decorrentes de um grave acidente de carro ou queda.
Ambos os tipos de lesão levam à morte celular e à formação de cicatrizes gliais – exatamente como acontece em uma verdadeira lesão medular.
“Podemos diferenciar entre células estreladas em tecidos normais e células estreladas em cicatrizes gliais, que são grandes e muito densas”, disse Stump. “Também detectamos a produção de proteoglicanos de sulfato de condroitina, moléculas do sistema nervoso que respondem a lesões e doenças”.
Depois de serem tratados com moléculas dançantes, os andaimes de nanofibras em gel reduziram a inflamação, encolheram as cicatrizes gliais, estimularam a extensão de neuritos e estimularam o crescimento neuronal em um padrão organizado.
Neurites incluem axônios, que muitas vezes são cortados durante lesões na medula espinhal. Quando um axônio é cortado, a comunicação entre os neurônios é interrompida, levando à paralisia e à perda sensorial abaixo do local da lesão. Promover a regeneração de neuritos pode reconectar essas vias e ajudar a restaurar a função.
O papel do movimento molecular
Stupp atribui a eficácia da terapia ao movimento supramolecular, o que significa que as moléculas são capazes de se mover rapidamente e até mesmo se separar brevemente da rede de nanofibras. Experimentos em organoides saudáveis reforçam essa ideia.
“Antes de desenvolvermos o modelo de lesão, testamos esta terapia em organoides saudáveis”, disse ele. “As moléculas dançantes giram todas essas longas neurites na superfície do organoide, mas quando usamos moléculas com menos ou nenhum movimento, não vimos nada. A diferença foi muito vívida.”
No futuro, a equipe planeja projetar organoides mais avançados para refinar seu modelo. Eles também pretendem desenvolver versões que possam replicar lesões crônicas e de longo prazo que geralmente envolvem tecidos cicatriciais mais espessos e permanentes. Stupp disse que com um maior desenvolvimento, estas mini-medulas espinhais poderiam contribuir para a medicina personalizada, utilizando as células estaminais do próprio paciente para gerar tecido implantável, reduzindo assim o risco de rejeição imunológica.
O estudo, “Lesão e Tratamento de Organoides da Medula Espinhal Humana”, foi apoiado pelo Centro de Nanomedicina Regenerativa da Northwestern University e uma doação da família John Potocsnak para pesquisas sobre lesões na medula espinhal.
