Cientistas da Northwestern University construíram o laboratório mais sofisticado até agora para estudar lesões na medula espinhal humana.
No novo estudo, a equipe trabalhou com organoides da medula espinhal humana – pequenos órgãos derivados de células-tronco – para recriar diferentes formas de lesão da medula espinhal e avaliar um tratamento regenerativo promissor.
Pela primeira vez, os pesquisadores demonstraram que esses organoides da medula espinhal humana podem reproduzir fielmente as principais consequências biológicas da lesão medular. O modelo demonstrou morte celular, inflamação e cicatriz glial, que é uma formação espessa de tecido cicatricial que cria 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 a reparação de tecidos em estudos anteriores com animais – os resultados foram dramáticos. O tecido lesionado causa um crescimento substancial de neuritos, o que significa que longas extensões que permitem a comunicação dos neurônios começam a crescer novamente. O tecido semelhante a uma cicatriz foi bastante reduzido. Os resultados apoiam a ideia de que esta terapia, que recentemente recebeu a designação de medicamento órfão da Food and Drug Administration (FDA) dos EUA, pode melhorar a recuperação em pessoas com lesão medular.
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. Stoop, da Northwestern, autor sênior do estudo e inventor da molécula de dança. e conseguimos nos tornar detectáveis novamente, e pudemos ver que conseguimos reativar a doença em animais, vimos que nossa terapia é boa para funcionar em humanos.
Stupp é líder em ciência de materiais regenerativos e detém o título de Professor do Conselho de Curadores de Ciência e Engenharia de Materiais, Química, Medicina e Engenharia Biomédica na Northwestern. Ele ocupa cargos na Escola de Engenharia McCormick, na Faculdade de Artes e Ciências Weinberg e na Escola de Medicina Feinberg, e dirige o Centro de Nanomedicina Regenerativa (CRN). O primeiro autor do artigo é Nozomu Takata, professor assistente de pesquisa de medicina da Feinberg e membro do CRN.
Por que os organoides humanos são importantes?
Organóides são cultivados a partir de células-tronco pluripotentes induzidas em laboratório. Embora sejam versões simplificadas de órgãos inteiros, eles se assemelham muito a tecidos reais em estrutura, diversidade celular e função. Por esta razão, os organoides são ferramentas poderosas para estudar doenças, testar tratamentos e explorar como os órgãos se desenvolvem. Eles permitem que os pesquisadores avancem de forma mais rápida e menos dispendiosa do que os testes em animais ou os ensaios clínicos em humanos.
Embora outros grupos tenham desenvolvido organoides da medula espinhal para estudar biologia básica, este modelo representa um grande avanço para a pesquisa de lesões. Os organoides mediam vários milímetros de diâmetro e eram maduros o suficiente para sustentar e modelar danos traumáticos.
Ao longo de vários meses, a equipe direcionou células-tronco para formar tecido complexo da medula espinhal contendo neurônios e astrócitos. Eles também são os primeiros a implicar a microglia – células imunológicas encontradas no sistema nervoso central – para replicar melhor a resposta inflamatória após lesão na medula espinhal.
“É uma espécie de pseudo-órgão”, disse Stoop. “Fomos os primeiros a introduzir microglia em um organoide da medula espinhal humana, o que foi uma grande conquista. Isso significou que nossos organoides continham todos os produtos químicos que o sistema imunológico residente produz em resposta a uma lesão. Isso o tornou um modelo mais realista e preciso de lesão da medula espinhal.”
Qual é a molécula da dança?
Depois que os organoides da medula espinhal foram totalmente desenvolvidos, os pesquisadores voltaram sua atenção para o exame de lesões e tratamentos. Introduzido pela primeira vez em 2021, a Dancing Molecules Therapy usa movimento molecular controlado para reparar tecidos e potencialmente reverter a paralisia após lesão traumática da medula espinhal. Pertence a uma classe maior 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 é usado nos atuais medicamentos GLP-1 para perda de peso e diabetes, uma área que o laboratório de Stoop investigou há cerca de 15 anos.)
A terapia é administrada como uma injeção líquida que cria rapidamente uma teia de nanofibras semelhante à matriz extracelular da coluna vertebral. Ao ajustar a forma como as moléculas se movem dinamicamente dentro dessas estruturas, os pesquisadores melhoraram a eficácia da interação das células transmigradas com os receptores.
“Como as próprias células e os seus receptores estão em constante movimento, pode-se imaginar que as moléculas encontrariam estes receptores a um ritmo ainda mais rápido”, disse Stoop em 2021.
Em testes anteriores em animais, uma única injeção administrada 24 horas após uma lesão grave permitiu que os ratos voltassem a andar em quatro semanas. As formulações com movimento molecular mais rápido tiveram melhor desempenho do que as versões mais lentas, sugerindo que o aumento da agitação melhora a bioatividade e a sinalização celular.
Simulação de trauma medular
Para testar a terapia, os pesquisadores criaram dois tipos comuns de lesão medular em organoides. Alguns foram cortados com bisturi para simular uma ferida semelhante a uma ferida cirúrgica. Outros sofreram uma lesão por contusão compressiva, comparável a um grave acidente de carro ou queda.
Ambos os tipos de lesão levam à morte celular e à formação de cicatriz glial – assim como ocorre em uma lesão real da medula espinhal.
“Podemos distinguir entre astrócitos em uma parte do tecido normal e astrócitos na cicatriz glial, que são grandes e densamente compactados”, disse Stoop. “Também detectamos a produção de proteoglicanos de sulfato de condroitina, que são moléculas do sistema nervoso que respondem a lesões e doenças”.
Após o tratamento com moléculas de dança, a estrutura de nanofibras gelificada reduziu a inflamação, encolheu as cicatrizes gliais, estimulou a extensão de neurites e encorajou os neurônios a crescerem em um padrão organizado.
Neurites incluem axônios, que muitas vezes são cortados por lesão na medula espinhal. Quando os axônios são cortados, a comunicação entre os neurônios é interrompida, causando paralisia e perda de sensibilidade abaixo do local da lesão. A promoção do novo crescimento de neurites pode reconectar essas vias e ajudar a restaurar a função.
Introdução ao movimento molecular
Stoop credita a eficácia da terapia ao movimento supramolecular, ou seja, à capacidade das moléculas de se moverem rapidamente e até mesmo de se separarem brevemente da rede de nanofibras. Experimentos em organoides saudáveis reforçaram essa ideia.
“Antes mesmo de desenvolvermos o modelo de lesão, testamos a terapia em um organoide saudável”, disse ele. “As moléculas dançantes lançaram todas essas longas neurites na superfície do organoide, mas, quando usamos moléculas que tinham pouco ou nenhum movimento, não vimos nada.
Olhando para o futuro, a equipe planeja projetar organoides mais avançados para refinar seus modelos. Eles também querem desenvolver versões que reproduzam lesões crônicas e duradouras, que normalmente envolvem tecido cicatricial mais espesso e permanente. Com um maior desenvolvimento, Stoop diz que estas minúsculas medulas espinhais poderão contribuir para a medicina personalizada, criando tecido implantável a partir das células estaminais do próprio paciente, reduzindo o risco de rejeição imunitária.
A pesquisa, “Lesão e terapia em organoides da medula espinhal humana”, foi apoiada por uma doação da família John Potoksnak ao Centro de Nanomedicina Regenerativa e Pesquisa de Lesões da Medula Espinhal da Northwestern University.
