Por quase dez anos, 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 programa usam células-tronco para criar estruturas tridimensionais semelhantes a cérebros em laboratório. Esses modelos em miniatura, conhecidos como organoides neurais humanos e assemblóides, permitem aos cientistas explorar o desenvolvimento e o funcionamento do cérebro de maneiras inteiramente novas.
Lançado em 2018 por meio da iniciativa Big Ideas in Neuroscience como parte do Wu Tsai Neurosciences Institute de Stanford, o programa reúne especialistas de neurociência, química, engenharia e outras disciplinas. Juntos, eles investigam novos métodos para estudar circuitos neurais relacionados à dor, genes associados a distúrbios do neurodesenvolvimento e conectividade cerebral.
Um desafio permaneceu ao longo do andamento do programa: aumentar a produção. Para compreender profundamente o desenvolvimento do cérebro, estudar distúrbios do desenvolvimento ou testar terapias potenciais, os pesquisadores precisam criar milhares de organoides idênticos em tamanho e forma. No entanto, estas estruturas finas tendem a aderir, dificultando o cultivo de lotes grandes e consistentes.
Wu Tsai Neuro Affiliates Sergiu Pasca, Kenneth T. Uma equipe liderada por Norris, Jr. Professor de Psiquiatria e Ciências do Comportamento, e Sarah Heilshorn, Rickey/Nielsen Professora de Engenharia, encontrou recentemente uma solução inesperadamente simples. conforme relatado Engenharia Biomédica da NaturezaGoma xantana, que era um aditivo alimentar amplamente utilizado.
“Podemos facilmente produzir 10 mil deles agora”, disseram Bonnie Uetengsu e Pasca, diretor familiar do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford. Mantendo o compromisso do programa de tornar as suas técnicas amplamente disponíveis, eles já partilharam o seu método para que outros possam tirar partido dele. “Ele, como todos os nossos métodos, é aberto e de livre acesso. Já existem vários laboratórios que aplicaram esta técnica.”
Dificilmente você pode nomeá-los
Esse nível de produtividade já foi inimaginável. Cerca de doze anos atrás, Paska desenvolveu uma maneira de transformar células-tronco em tecidos tridimensionais que mais tarde seriam conhecidos como organoides neurais regionais. Naquela época, ele só conseguia fazer alguns deles.
“Nos primeiros dias, eu tinha oito ou nove deles e dei a cada um o nome de uma criatura mítica”, disse Pasca.
Mas o objectivo de Paska era muito maior: descobrir como o cérebro em desenvolvimento pode falhar em condições como o autismo ou a síndrome de Timothy, e explorar como os medicamentos podem afectar esse desenvolvimento. “Temos que fazer milhares de organoides, e todos deveriam ser iguais”, disse ele.
Ele também reconheceu que o sucesso exigiria uma equipe diversificada de especialistas. “Pensei: ‘Este é um campo emergente e há muitos problemas que vamos resolver, e a forma como vamos enfrentá-los e resolvê-los é através da implementação de tecnologias inovadoras'”, disse Pasca.
Para alcançar essa visão, Paska colaborou com Carl Dyserth, afiliado da Wu Tsai Neuro, neurocientista e bioengenheiro, para montar um grupo interdisciplinar que lançou formalmente o Programa Stanford Brain Organogenesis em apoio à bolsa Wu Tsai Neuro Big Ideas in Neuroscience.
Solução antiaderente
O problema do adesivo logo surgiu. Os organoides estavam se misturando, resultando em menos organoides de diferentes formas e tamanhos.
“As pessoas no laboratório diziam: ‘Fiz cem organoides, mas dei vinte’”, disse Paska.
Foi uma bênção e uma maldição. Por um lado, sugeriu que os pesquisadores poderiam unir dois tipos diferentes de organoides para estudar o desenvolvimento de estruturas cerebrais mais complexas – digamos, um pequeno cerebelo e uma medula espinhal. Na verdade, estes assemblóides são agora uma parte fundamental do trabalho de Pasca e dos seus colegas.
Por outro lado, a equipe ainda precisa ser capaz de produzir grandes quantidades de organoides para que possam coletar dados precisos sobre o desenvolvimento do cérebro, examinar medicamentos para detectar defeitos de crescimento ou conduzir vários outros projetos em escala.
Uma possibilidade seria cultivar cada organoide num prato separado, mas fazê-lo é muitas vezes ineficaz. Em vez disso, era necessário algo para manter os organoides separados enquanto os cultivava em lotes no laboratório, então Paska trabalhou com Heilshorn, membro do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford e engenheiro de materiais, para tentar algumas alternativas.
A equipe finalmente analisou 23 materiais diferentes para tornar seus métodos acessíveis a outras pessoas.
“Selecionamos materiais que já eram considerados biocompatíveis e seriam relativamente econômicos e fáceis de usar, para que nossos métodos pudessem ser facilmente adotados por outros cientistas”, disse Heilshorn.
Para conduzir cada experimento, eles primeiro cultivaram os organoides em um líquido rico em nutrientes por seis dias e depois adicionaram um material de teste. Depois de mais 25 dias, a equipe simplesmente contou quantos organoides restavam.
Mesmo em pequenas quantidades, a goma xantana impediu a agregação dos organoides, e o fez sem quaisquer efeitos colaterais no desenvolvimento dos organoides. Isso significa que os pesquisadores podem isolar organoides sem distorcer seus resultados experimentais.
Finalmente aumentando
Para demonstrar a viabilidade da técnica, a equipa utilizou-a para resolver um problema do mundo real: os médicos muitas vezes hesitam em prescrever medicamentos potencialmente benéficos a grávidas e crianças porque não sabem se esses medicamentos podem prejudicar o cérebro em desenvolvimento. (Embora os medicamentos aprovados pela FDA sejam submetidos a testes extensivos, preocupações éticas significam que geralmente não são testados em grávidas ou crianças.)
Para mostrar como os organoides resolvem esse problema, o coautor principal Genta Narazaki, pesquisador visitante no laboratório de Paskar durante o estudo, primeiro cultivou 2.400 organoides em lotes. Então, Narazaki 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 Pasca, Narazaki mostrou que vários medicamentos, incluindo um usado para tratar o cancro da mama, inibem o crescimento organoide, sugerindo que podem ser prejudiciais ao desenvolvimento do cérebro.
Esse experimento mostrou que os pesquisadores poderiam descobrir possíveis efeitos colaterais – e fazê-lo de forma muito eficiente, disse Paska: “Um único experimentador criou milhares de organoides corticais e testou cerca de 300 medicamentos”.
Paska e seus colegas do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford agora esperam usar sua técnica para fazer avanços em distúrbios neuropsiquiátricos, como autismo, epilepsia e esquizofrenia. “Combater estas doenças é realmente importante, mas a menos que se aumente a escala, não há forma de fazer a diferença”, disse Pasca. “Esse é o objetivo agora.”
