Pesquisadores imprimem tecido cerebral humano funcional em 3D

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.