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Pesquisadores imprimem tecido cerebral humano funcional em 3D

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A impressão 3D de modelos de tecidos humanos derivados de células-tronco1 fornece uma estratégia de engenharia de tecidos cada vez mais popular para investigar questões biológicas.

Em um novo estudo, publicado na revista Cell Stem Cell, pesquisadores demonstram como esta tecnologia pode ser usada para modelar tecidos neurais humanos maduros com redes neurais funcionais em estados saudável e de doença.

A equipe de cientistas da Universidade de Wisconsin-Madison desenvolveu o primeiro tecido2 cerebral impresso em 3D que pode crescer e funcionar como um tecido2 cerebral típico.

É uma conquista com implicações importantes para os cientistas que estudam o cérebro3 e trabalham em tratamentos para uma ampla gama de distúrbios neurológicos e do neurodesenvolvimento, como a doença de Alzheimer4 e a doença de Parkinson5.

“Este poderia ser um modelo extremamente poderoso para nos ajudar a entender como as células6 cerebrais e partes do cérebro3 se comunicam nos humanos”, diz Su-Chun Zhang, professor de neurociência e neurologia no Waisman Center da UW-Madison. “Isso poderia mudar a forma como olhamos para a biologia das células-tronco1, a neurociência e a patogênese7 de muitos distúrbios neurológicos e psiquiátricos”.

Leia sobre "Células-tronco1", "Doenças nervosas degenerativas8" e "Desenvolvimento infantil".

Os métodos de impressão limitaram o sucesso de tentativas anteriores de imprimir tecido2 cerebral, segundo Zhang e Yuanwei Yan, cientista do laboratório de Zhang.

Em vez de usar a abordagem tradicional de impressão 3D, empilhando camadas verticalmente, os pesquisadores optaram pela direção horizontal. Eles situaram células6 cerebrais, neurônios9 cultivados a partir de células-tronco1 pluripotentes induzidas, em um gel de “biotinta” mais macio do que as tentativas anteriores haviam empregado.

“O tecido2 ainda tem estrutura suficiente para se manter unido, mas é macio o suficiente para permitir que os neurônios9 cresçam uns nos outros e comecem a conversar entre si”, diz Zhang.

As células6 são colocadas uma ao lado da outra, como lápis colocados um ao lado do outro sobre uma mesa.

“Nosso tecido2 permanece relativamente fino e isso torna mais fácil para os neurônios9 obterem oxigênio e nutrientes suficientes do meio de crescimento”, diz Yan.

Os resultados falam por si – ou seja, as células6 podem falar umas com as outras. As células6 impressas atravessam o meio para formar conexões dentro de cada camada impressa, bem como entre camadas, formando redes comparáveis às de cérebros humanos. Os neurônios9 se comunicam, enviam sinais10, interagem entre si por meio de neurotransmissores e até formam redes próprias com células6 de suporte que foram adicionadas ao tecido2 impresso.

“Imprimimos o córtex cerebral e o corpo estriado e o que descobrimos foi bastante impressionante”, diz Zhang. “Mesmo quando imprimimos diferentes células6 pertencentes a diferentes partes do cérebro3, elas ainda eram capazes de comunicar entre si de uma forma muito especial e específica”.

A técnica de impressão oferece precisão – controle sobre os tipos e disposição das células6 – não encontrada em organoides cerebrais, órgãos em miniatura usados para estudar cérebros. Os organoides crescem com menos organização e controle.

“Nosso laboratório é muito especial porque somos capazes de produzir praticamente qualquer tipo de neurônios9 a qualquer momento. Depois, podemos juntá-los quase a qualquer momento e da maneira que quisermos”, diz Zhang. “Como podemos imprimir o tecido2 por design, podemos ter um sistema definido para observar como funciona a rede do nosso cérebro3 humano. Podemos observar muito especificamente como as células nervosas11 se comunicam entre si sob certas condições, porque podemos imprimir exatamente o que queremos.”

Essa especificidade proporciona flexibilidade. O tecido2 cerebral impresso poderia ser usado para estudar a sinalização entre células6 na síndrome de Down12, interações entre tecidos saudáveis e tecidos vizinhos afetados pela doença de Alzheimer4, testar novos candidatos a medicamentos ou até mesmo observar o crescimento do cérebro3.

“No passado, muitas vezes observávamos uma coisa de cada vez, o que significa que muitas vezes perdemos alguns componentes críticos. Nosso cérebro3 opera em redes. Queremos imprimir o tecido2 cerebral desta forma porque as células6 não funcionam por si mesmas. Elas conversam umas com as outras. É assim que nosso cérebro3 funciona e tem que ser estudado em conjunto para realmente entendê-lo”, diz Zhang. “Nosso tecido2 cerebral poderia ser usado para estudar quase todos os aspectos principais daquilo em que muitas pessoas do Waisman Center estão trabalhando. Ele pode ser usado para observar os mecanismos moleculares subjacentes ao desenvolvimento do cérebro3, ao desenvolvimento humano, às deficiências do desenvolvimento, aos distúrbios neurodegenerativos e muito mais.”

A nova técnica de impressão também deverá estar acessível a muitos laboratórios. Não requer equipamento especial de bioimpressão ou métodos de cultura para manter o tecido2 saudável e pode ser estudado em profundidade com microscópios, técnicas de imagem padrão e eletrodos já comuns na área.

Os pesquisadores gostariam, no entanto, de explorar o potencial da especialização, melhorando ainda mais a sua biotinta e refinando o seu equipamento para permitir orientações específicas das células6 no tecido2 impresso.

“No momento, nossa impressora é uma de bancada comercializada”, diz Yan. “Podemos fazer algumas melhorias especializadas para nos ajudar a imprimir tipos específicos de tecido2 cerebral sob demanda”.

Veja também sobre "O papel dos neurotransmissores no organismo" e "Atrasos do desenvolvimento".

Confira a seguir o resumo do artigo publicado.

Bioimpressão 3D de tecidos neurais humanos com conectividade funcional

Destaques

  • Tecidos neurais humanos funcionais foram montados por bioimpressão 3D
  • Circuitos neurais se formaram entre subtipos neurais definidos
  • Conexões funcionais foram estabelecidas entre tecidos cortical-estriatal
  • Tecidos podem ser impressos para modelagem de comprometimento da rede neural

Resumo

Investigar como as redes neurais humanas operam é dificultado pela falta de tecidos neurais humanos confiáveis, passíveis de avaliação funcional dinâmica dos circuitos neurais. Neste estudo, desenvolveu-se uma plataforma de bioimpressão 3D para montar tecidos com tipos definidos de células6 neurais humanas em uma dimensão desejada usando uma bioimpressora comercial.

Os progenitores neuronais impressos diferenciam-se em neurônios9 e formam circuitos neurais funcionais dentro e entre as camadas de tecido2 com especificidade dentro de semanas, evidenciado pela projeção cortical-para-estriatal, correntes sinápticas espontâneas e resposta sináptica à excitação neuronal.

Os progenitores de astrócitos13 impressos desenvolvem-se em astrócitos13 maduros com processos elaborados e formam redes funcionais de neurônios9-astrócitos13, indicadas pelo fluxo de cálcio e absorção de glutamato em resposta à excitação neuronal sob condições fisiológicas14 e patológicas.

Esses tecidos neurais humanos projetados provavelmente serão úteis para compreender a conexão das redes neurais humanas, modelar processos patológicos e servir como plataformas para testes de medicamentos.

 

Fontes:
Cell Stem Cell, Vol. 31, Nº 2, em 01 de fevereiro de 2024.
Science Daily, notúcua publicada em 01 de fevereiro de 2024.

 

NEWS.MED.BR, 2024. Pesquisadores imprimem tecido cerebral humano funcional em 3D. Disponível em: <https://www.news.med.br/p/medical-journal/1467507/pesquisadores-imprimem-tecido-cerebral-humano-funcional-em-3d.htm>. Acesso em: 21 abr. 2024.

Complementos

1 Células-tronco: São células primárias encontradas em todos os organismos multicelulares que retêm a habilidade de se renovar por meio da divisão celular mitótica e podem se diferenciar em uma vasta gama de tipos de células especializadas.
2 Tecido: Conjunto de células de características semelhantes, organizadas em estruturas complexas para cumprir uma determinada função. Exemplo de tecido: o tecido ósseo encontra-se formado por osteócitos dispostos em uma matriz mineral para cumprir funções de sustentação.
3 Cérebro: Derivado do TELENCÉFALO, o cérebro é composto dos hemisférios direito e esquerdo. Cada hemisfério contém um córtex cerebral exterior e gânglios basais subcorticais. O cérebro inclui todas as partes dentro do crânio exceto MEDULA OBLONGA, PONTE e CEREBELO. As funções cerebrais incluem as atividades sensório-motora, emocional e intelectual.
4 Doença de Alzheimer: É uma doença progressiva, de causa e tratamentos ainda desconhecidos que acomete preferencialmente as pessoas idosas. É uma forma de demência. No início há pequenos esquecimentos, vistos pelos familiares como parte do processo normal de envelhecimento, que se vão agravando gradualmente. Os pacientes tornam-se confusos e por vezes agressivos, passando a apresentar alterações da personalidade, com distúrbios de conduta e acabam por não reconhecer os próprios familiares e até a si mesmos quando colocados frente a um espelho. Tornam-se cada vez mais dependentes de terceiros, iniciam-se as dificuldades de locomoção, a comunicação inviabiliza-se e passam a necessitar de cuidados e supervisão integral, até mesmo para as atividades elementares como alimentação, higiene, vestuário, etc..
5 Doença de Parkinson: Doença degenerativa que afeta uma região específica do cérebro (gânglios da base), e caracteriza-se por tremores em repouso, rigidez ao realizar movimentos, falta de expressão facial e, em casos avançados, demência. Os sintomas podem ser aliviados por medicamentos adequados, mas ainda não se conhece, até o momento, uma cura definitiva.
6 Células: Unidades (ou subunidades) funcionais e estruturais fundamentais dos organismos vivos. São compostas de CITOPLASMA (com várias ORGANELAS) e limitadas por uma MEMBRANA CELULAR.
7 Patogênese: Modo de origem ou de evolução de qualquer processo mórbido; nosogenia, patogênese, patogenesia.
8 Degenerativas: Relativas a ou que provocam degeneração.
9 Neurônios: Unidades celulares básicas do tecido nervoso. Cada neurônio é formado por corpo, axônio e dendritos. Sua função é receber, conduzir e transmitir impulsos no SISTEMA NERVOSO. Sinônimos: Células Nervosas
10 Sinais: São alterações percebidas ou medidas por outra pessoa, geralmente um profissional de saúde, sem o relato ou comunicação do paciente. Por exemplo, uma ferida.
11 Células Nervosas: Unidades celulares básicas do tecido nervoso. Cada neurônio é formado por corpo, axônio e dendritos. Sua função é receber, conduzir e transmitir impulsos no SISTEMA NERVOSO.
12 Síndrome de Down: Distúrbio genético causado pela presença de um cromossomo 21 a mais, por isso é também conhecida como “trissomia do 21”. Os portadores desta condição podem apresentar retardo mental, alterações físicas como prega palmar transversa (uma única prega na palma da mão, em vez de duas), pregas nas pálpebras, membros pequenos, tônus muscular pobre e língua protrusa.
13 Astrócitos: Classe de grandes células da neuroglia (macrogliais) no sistema nervoso central (as maiores e mais numerosas células da neuroglia localizadas no cérebro e na medula espinhal). Os astrócitos (células “estrela“) têm forma irregular, com vários processos longos, incluindo aqueles com “pés terminais“; estes formam a membrana glial (limitante) e, direta ou indiretamente, contribuem para a BARREIRA HEMATO-ENCEFÁLICA. Regulam o meio extracelular químico e iônico e os “astrócitos reativos“ (junto com a MICROGLIA) respondem a lesão. Barreira Hematoencefálica;
14 Fisiológicas: Relativo à fisiologia. A fisiologia é estudo das funções e do funcionamento normal dos seres vivos, especialmente dos processos físico-químicos que ocorrem nas células, tecidos, órgãos e sistemas dos seres vivos sadios.
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