Por que alguns bebês desenvolvem cérebros anormalmente pequenos (microcefalia)? Uma equipe global de cientistas do Centro Alemão de Primatas – o Instituto Leibniz de Pesquisa de Primatas (DPZ), a Escola Médica de Hannover (MHH) e o Instituto Max Planck de Biologia Celular Molecular e Genética decidiu responder a essa questão usando organoides do cérebro humano. Esses modelos desenvolvidos em laboratório permitiram aos pesquisadores examinar de perto como as mudanças nas principais proteínas estruturais dentro das células podem interferir no desenvolvimento inicial do cérebro.
Seu trabalho, documentado Relatório EMBOmostra que mutações no gene da actina perturbam a forma como as células progenitoras do cérebro se dividem. Quando estas células não se dividem adequadamente, o seu número diminui, limitando o crescimento global do cérebro e resultando em cérebros mais pequenos. “Nossos resultados fornecem a primeira explicação celular da microcefalia em indivíduos com a rara síndrome de Barytser-Winter”, disse Indra Niehaus, primeira autora do estudo e pesquisadora associada da Escola Médica de Hannover.
Como a estrutura interna da 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 Barytser-Winter, uma mutação afeta um dos dois importantes genes da actina. Para compreender os resultados, os pesquisadores reprogramaram células da pele de pacientes afetados em células-tronco 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, as diferenças eram perceptíveis. 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 do organoide, onde as células progenitoras convergem e começam a formar células nervosas primárias, também eram muito menores.
Uma mudança em importantes populações de células cerebrais
Quando os cientistas examinaram os tipos de células dentro das organelas, encontraram um claro desequilíbrio. O número de células progenitoras apicais necessárias para formar o córtex cerebral foi significativamente menor. Ao mesmo tempo, houve um aumento nas células progenitoras basais, que geralmente aparecem mais tarde à medida que o desenvolvimento avança.
Esta mudança sugeriu que o momento e o resultado da divisão celular foram alterados, explicando potencialmente porque o tecido cerebral não conseguiu proliferar normalmente.
Quando a orientação da divisão celular fica incorreta
Usando microscopia de alta resolução, a equipe acompanhou de perto como as células progenitoras apicais se dividem. Em condições normais, essas células se dividem predominantemente em ângulo reto com a superfície ventricular. Esta adaptação garante que os componentes celulares sejam divididos igualmente e que duas novas células progenitoras apicais sejam produzidas.
Em organoides portadores de mutações de actina, esse padrão é dramaticamente alterado. As divisões verticais tornaram-se muito menos comuns, enquanto as divisões horizontais e angulares predominaram. Como resultado, as células progenitoras apicais foram menos capazes de se renovar. Freqüentemente, eles se dissociavam da zona ventricular e tinham maior probabilidade de se tornarem células progenitoras basais.
“As nossas análises mostram muito claramente que uma mudança na orientação da divisão das células progenitoras é o gatilho decisivo para a redução do tamanho do cérebro”, disse Michael Heide, líder do grupo no Centro Alemão de Primatas e último autor do estudo. “Uma única mudança no citoesqueleto é suficiente para perturbar as vias iniciais de desenvolvimento do cérebro”.
Pequenas mudanças estruturais com efeitos duradouros
A microscopia eletrônica revelou defeitos sutis adicionais na superfície ventricular. As formas das células parecem irregulares e formam-se saliências excessivas entre as células vizinhas. 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.
Mesmo que a estrutura geral das células esteja intacta, estas pequenas anomalias podem ser suficientes para alterar permanentemente a forma como as células se orientam durante a divisão.
Mutação é a causa comprovada
Para confirmar que as diferenças observadas foram de fato causadas por mutações na actina e não por outras variações genéticas, os pesquisadores realizaram um importante teste de controle. Eles introduziram exatamente a mesma mutação em uma linhagem de células-tronco saudáveis usando CRISPR/Cas9. Os organoides cerebrais cultivados a partir dessas células editadas desenvolvem defeitos semelhantes aos observados nos organoides derivados de pacientes – evidência de que a própria mutação é o fator determinante.
O que esta descoberta significa para a medicina
Os resultados esclarecem 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 para pesquisas biomédicas”, disse Michael Heide.
“O potencial terapêutico desta investigação reside no diagnóstico, porque os nossos dados ajudam a classificar melhor os resultados genéticos dos pacientes.
