Engenheiros biomédicos da Duke University criaram um biomaterial injetável que pode ajudar o cérebro a se recuperar de danos causados por acidente vascular cerebral isquêmico. Em experimentos com ratos, o material transformou a cavidade formada pela perda de tecido cerebral em um ambiente mais propício à cura.
O tratamento recrutou as próprias células imunológicas do corpo, encorajou a formação de novos vasos sanguíneos, apoiou alterações no tecido nervoso e melhorou a função motora dos animais.
As descobertas foram publicadas em biomateriais celulares.
O desafio de reparar tecido cerebral após acidente vascular cerebral
Milhões de pessoas sofrem acidente vascular cerebral isquêmico todos os anos. Esses derrames ocorrem quando um coágulo sanguíneo bloqueia o fluxo sanguíneo para uma parte do cérebro.
Tratamentos de emergência, como medicamentos para dissolver coágulos e procedimentos que removem fisicamente o coágulo, podem restaurar a circulação e ajudar a salvar o tecido cerebral que ainda é viável. No entanto, uma vez que o tecido cerebral morre, a restauração do fluxo sanguíneo não pode compensar o que já foi destruído.
AVCs graves podem destruir quantidades substanciais de tecido, deixando um espaço vazio onde antes existia tecido cerebral saudável. Depois que os médicos removem o coágulo, a recuperação depende em grande parte da reabilitação. A reabilitação pode ajudar a adaptar os circuitos cerebrais sobreviventes, mas não reconstrói diretamente a área danificada.
“Uma vez destruído o tecido cerebral, restaurar o fluxo sanguíneo não é suficiente”, disse Tatiana Segura, ilustre professora de engenharia biomédica Robert Ploncy na Duke. “Nosso objetivo é projetar o local lesionado para que os processos de reparo imunológico, vascular e neural possam começar a trabalhar juntos”.
Construindo um andaime para reparo cerebral
Segura e sua equipe tentaram criar um ambiente dentro da cavidade do acidente vascular cerebral que pudesse suportar vários tipos de reparo simultaneamente.
Eles usaram MAPS, ou andaime de partículas recozidas microporosas. Esses andaimes consistem em micropartículas de hidrogel individuais montadas em uma estrutura porosa. Os espaços abertos fornecem às células uma estrutura na qual elas podem entrar e usar durante a reconstrução do tecido nervoso.
Com base em sucessos anteriores com biomateriais, os investigadores queriam determinar se também poderiam usar o sistema imunitário do corpo para orientar e fortalecer o processo de reparação.
Nessa parte da estratégia, eles se concentraram nos astrócitos. Estas células em forma de estrela desempenham um papel importante no funcionamento normal do cérebro e respondem rapidamente quando o cérebro é lesionado.
Os astrócitos se comunicam com as células vizinhas, em parte, liberando vesículas extracelulares ou EVs. Esses pacotes extremamente pequenos contêm proteínas, lipídios e material genético que podem influenciar o comportamento de outras células.
Colocar sinais de reparo onde são necessários
Os investigadores recolheram EVs de astrócitos cultivados em laboratório e testaram-nos com diferentes moléculas de sinalização concebidas para atrair células imunitárias, estimular a reparação dos vasos sanguíneos e melhorar a função.
Em vez de simplesmente injetar os EVs na área danificada, os cientistas os fixaram quimicamente às superfícies das micropartículas de hidrogel. Isso manteve os sinais concentrados dentro da estrutura, dando às células que chegavam uma melhor chance de encontrá-los.
“Não estamos apenas colocando qualquer coisa no cérebro”, disse Segura. “Estamos projetando um ambiente local que pode coordenar múltiplas partes da resposta de reparo”.
Uma combinação de sinalização surgiu. A IL-4 e o C1q foram particularmente eficazes na atração de células imunológicas potencialmente úteis para a área lesionada.
Essas células incluíam macrófagos, bem como uma população surpreendentemente persistente de neutrófilos.
Um papel inesperado para os neutrófilos
Os neutrófilos estão frequentemente associados a inflamação e danos nos tecidos durante os estágios iniciais do acidente vascular cerebral. Os novos resultados sugerem que o seu papel pode ser mais complexo.
Posteriormente, após a lesão, e quando rodeados pelos sinais e ambiente físico corretos, os neutrófilos podem auxiliar na reparação tecidual.
Os investigadores testaram a sua importância esgotando a população de células imunitárias ricas em neutrófilos. Quando o fizeram, a formação de vasos sanguíneos diminuiu significativamente e a estrutura sofreu menos remodelação.
Os resultados indicaram que essas células imunológicas desempenhavam um papel importante na resposta ao tratamento.
“Este resultado muda a forma como pensamos sobre os neutrófilos após o acidente vascular cerebral”, disse Shangjing Xin, principal cientista do estudo e pós-doutorado no laboratório Segura. “Parece que o seu papel depende de quando chegam, onde estão localizados e dos sinais que recebem do seu ambiente. O nosso estudo demonstra uma potencial estratégia de engenharia para recrutar e manter estas células no momento certo.”
novos vasos sanguíneos e crescimento nervoso
À medida que as células imunológicas entram na área tratada, novos vasos sanguíneos também se formam na cavidade do acidente vascular cerebral.
Os pesquisadores encontraram mais fibras axonais dentro e ao redor da área lesionada. Os axônios são estruturas essenciais que permitem que as células cerebrais transmitam sinais.
Junto com as mudanças biológicas, a velocidade também melhorou.
Os ratos tratados com o andaime adaptado tiveram melhor desempenho em um teste de caminhada em grade projetado para medir erros na colocação dos membros anteriores. Às oito semanas, o seu desempenho não pôde ser estatisticamente diferenciado daquele dos ratos de controlo saudáveis. As melhorias continuaram durante o restante do estudo.
foi necessário andaime
Os pesquisadores também testaram se as vesículas extracelulares poderiam produzir o mesmo efeito sem uma estrutura de biomaterial.
eles não podiam.
Os EVs administrados sem a estrutura MAP não produziram reparação comparável dos vasos sanguíneos. Essa descoberta sugere que o biomaterial fazia mais do que apenas transmitir sinais médicos ao cérebro.
A sua arquitetura porosa, combinada com a sua capacidade de concentrar sinais EV na área danificada, parece ser importante para a resposta do reparo.
Tratamento ainda em estágio inicial
Apesar dos resultados promissores, a abordagem permanece pré-clínica.
Até agora, os pesquisadores testaram o tratamento em modelos de camundongos, injetando o material diretamente em uma área danificada do cérebro.
Mais pesquisas serão necessárias para avaliar a segurança, entender exatamente como diferentes populações de células imunológicas afetam a recuperação e determinar se o tratamento funciona em modelos maiores que se assemelham mais ao acidente vascular cerebral humano.
Atualmente, os pesquisadores também obtêm EVs de astrócitos primários de ratos.
Como próximo passo, o laboratório de Segura está investigando EVs produzidos por astrócitos derivados de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos. Essas células podem fornecer uma fonte mais escalável e clinicamente relevante, ao mesmo tempo que dão aos investigadores maior controlo sobre os sinais presentes no interior dos VEs.
“Não é possível restaurar um ecossistema simplesmente interrompendo os danos iniciais”, disse Segura. “É preciso criar condições que permitam o retorno da vida. É assim que pensamos nas cavidades do acidente vascular cerebral. O objetivo do material não é regenerar o cérebro, mas criar um ambiente onde as próprias células do corpo possam entrar, comunicar-se e participar na regeneração do tecido vascular.”
