Estudos revelam alterações célula por célula causadas quando corações e rins de porcos são transplantados para humanos

As equipes cirúrgicas da NYU Langone Health realizaram os primeiros transplantes de rim de porco geneticamente modificado do mundo em um corpo humano em setembro e novembro de 2021 e, em seguida, transplantaram dois corações de porco no verão de 2022. Esses procedimentos foram realizados em pacientes declarados mortos com base em critérios neurológicos (falecidos) e mantidos em ventiladores com o consentimento de suas famílias. Demonstrando o progresso da área, a NYU Langone, em abril de 2024, transplantou um rim de porco em um paciente vivo.

Agora, duas novas análises, uma publicada online na revista Nature Medicine e a outra na revista Med, revelam alterações no nível de célula única nos órgãos e nos corpos dos receptores antes, durante e logo após as cirurgias de xenotransplante nos falecidos. Equipes de cientistas trabalharam ao lado dos cirurgiões, coletando amostras de sangue e tecidos para analisar alterações em dezenas de milhares de células coletadas.

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Liderado por pesquisadores da NYU Grossman School of Medicine e do Broad Institute de MIT e Harvard, o artigo da Med rastreou a atividade genética e celular nos dois rins de porco transplantados para humanos e os comparou com amostras de rim de porco que não haviam sido traduzidas. Para isso, a equipe de pesquisa utilizou diversas técnicas, incluindo o sequenciamento de RNA de célula única, que determinou a ordem (sequência) das letras moleculares que compõem os genes suínos e humanos ativos em vários tipos de células durante os procedimentos.

O estudo mostrou que os rins de porco transplantados, embora não tenham sido totalmente rejeitados pelos organismos dos receptores (sem insuficiência renal imediata), causaram uma forte reação nas células mononucleares do sangue periférico humano (CMSPs). Este conjunto de células imunológicas pode atacar órgãos transplantados (estranhos) da mesma forma que atacam invasores estrangeiros (por exemplo, vírus). Embora a rejeição imediata não tenha sido observada, em parte devido ao tratamento com medicamentos que a suprimiam, o novo estudo encontrou evidências de reações mais sutis que poderiam causar o fracasso dos xenotransplantes ao longo do tempo.

Especificamente, observou-se que os rins de porco desencadeiam “rejeição mediada por anticorpos” em nível molecular. À medida que o corpo desenvolve proteínas imunológicas, chamadas anticorpos, específicas para um órgão transplantado, elas recrutam células exterminadoras naturais (natural killer [NK]), macrófagos e células T que podem danificá-lo. A equipe também observou um aumento nos mecanismos de reparo de tecidos nos rins de porcos, onde certas células se multiplicam como parte do crescimento envolvido na cura. As células normais que se transformam em células cancerígenas também crescem agressivamente, por isso vale a pena observar o mecanismo.

“Detalhamos os mecanismos celulares que determinam como as células imunológicas humanas reagem a um xenotransplante no curto prazo”, disse Jef Boeke, PhD, co-autor sênior de ambos os estudos e diretor do Instituto de Genética de Sistemas da NYU Grossman School of Medicine. “Esses resultados nos dão novos insights sobre como podemos desenvolver órgãos suínos para transplante ou adaptar tratamentos de imunossupressão para melhorar a tolerância a um órgão estranho”.

Ao rastrear a interação entre os rins e o sistema humano várias vezes ao dia, os pesquisadores descobriram que as células imunológicas dos rins dos porcos provocaram reações logo após o transplante, mas que as células imunológicas humanas infiltraram-se nos órgãos dos suínos em 48 horas para dominar a sinalização. Medir o grau em que as células imunológicas dos porcos desencadeiam a primeira onda de ataque imunológico aos xenotransplantes irá moldar os esforços para prevenir danos celulares irreversíveis aos mesmos, dizem os autores do estudo.

O outro novo artigo, publicado na Nature Medicine, apresentou uma análise “multiômica” de corações de porcos e células humanas circundantes em falecidos. Isso incluiu análises a cada seis horas após o transplante da atividade genética (transcriptômica), bem como de proteínas (proteômica), lipídios e metabólitos (intermediários nas vias biológicas) presentes nas células.

Aumentos rápidos e massivos no número de certos tipos de células também foram observados em falecidos que receberam corações de porco. Em um dos falecidos, mas não no outro, as populações ativadas de células T e células NK dentro do grupo de CMSP aumentaram de cerca de 1% 30 horas após o transplante para mais de 20% de toda a população de CMSP em 66 horas após o procedimento. Essa dramática reação imunológica ao órgão, uma complicação chamada disfunção perioperatória do xenoenxerto cardíaco (PCXD), veio com um influxo prejudicial de células imunológicas (inflamação) e tentativas de cura equivocadas (remodelação do tecido) que engrossam o tecido e podem prejudicar a função.

Os piores resultados experimentados por esse falecido podem ser em parte porque este coração era menor do que o previsto para o tamanho do receptor e exigiu um procedimento extra para compensar isso, disseram os pesquisadores. Esses fatores podem ter interrompido o fluxo sanguíneo e o suprimento de oxigênio ao coração por mais tempo, o que é conhecido por causar lesão de isquemia-reperfusão quando o suprimento é restaurado. A equipe de pesquisa observou que as reações imunológicas relacionadas à PCXD ao órgão do porco pioraram na presença da lesão de reperfusão deste receptor.

“Este estudo demonstrou que a multiômica pode ser usada para revelar um quadro amplo do que está acontecendo no receptor de um xenoenxerto”, disse Brendan Keating, PhD, co-autor sênior de ambos os estudos e docente do Departamento de Cirurgia da NYU Grossman School of Medicine. “A equipe que fez o xenotransplante tinha várias teorias sobre por que o primeiro falecido estava tendo mais problemas, mas a multiômica ajudou a definir as complicações e pode ser usada para combatê-las no futuro”.

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Confira a seguir os resumos dos artigos publicados.

Dinâmica celular no xenotransplante renal de porco para humano

Destaques

• Células imunológicas humanas infiltradas nos xenoenxertos renais suínos já às 12 h pós-xenotransplante (pXTx).
• Sequenciamento de RNA de célula única (ScRNA-seq) longitudinal de CMSPs humanas revelou duas fases de resposta imune.
• Os xenoenxertos sofrem expressão gênica global associada a danos teciduais inflamatórios.
• Rins suínos ativaram rapidamente a proliferação celular pXTx.

Resumo

O xenotransplante de órgãos suínos geneticamente modificados tem o potencial de enfrentar o desafio da escassez de doadores de órgãos. Foram realizados dois casos de xenotransplante de rim suíno para humano, mas os efeitos fisiológicos nos xenoenxertos e nas respostas imunológicas dos receptores permanecem em grande parte descaracterizados.

Realizou-se sequenciamento de RNA de célula única (scRNA-seq) e análises longitudinais de RNA-seq dos rins suínos para dissecar a dinâmica celular associada ao xenotransplante e as interações receptor-xenoenxerto. Além disso, realizou-se scRNA-seq longitudinal das células mononucleares do sangue periférico (CMSPs) para detectar respostas imunes do receptor ao longo do tempo.

Embora não tenham sido detectados sinais de rejeição hiperaguda, as análises do scRNA-seq dos xenoenxertos encontraram evidências de células endoteliais e ativação da resposta imune, indicando sinais precoces de rejeição mediada por anticorpos. Rastreando a origem das espécies das células, encontrou-se infiltração de células imunes humanas em ambos os xenoenxertos.

Os transcritos humanos no RNA-seq longitudinal revelaram que a infiltração de células imunes humanas e a ativação da expressão de quimiocinas induzida por interferon gama ocorreram 12 e 48 horas após o xenotransplante, respectivamente. De acordo com esse achado, o scRNA-seq longitudinal de CMSPs também revelou duas fases das respostas imunes dos receptores às 12 e 48-53 horas.

Por último, observou-se assinaturas de expressão global de danos no tecido renal associados ao xenotransplante nos xenoenxertos. Surpreendentemente, detectou-se um rápido aumento de células proliferativas em ambos os xenoenxertos, indicando a ativação do programa de reparação de tecidos suíno.

O estudo concluiu que análises transcriptômicas longitudinais e de célula única de rins suínos e CMSPs do receptor revelaram dinâmica celular resolvida no tempo das interações xenoenxerto-receptor durante o xenotransplante. Essas dicas podem ser aproveitadas para projetar edições genéticas e regimes de imunossupressão para otimizar os resultados do xenotransplante.

Perfil multiômico integrativo em falecidos humanos que receberam xenoenxertos de coração de porco

Em um estudo anterior, xenoenxertos cardíacos de porcos editados com 10 genes e transplantados em dois falecidos humanos não mostraram evidência de rejeição de início agudo mediada por células ou anticorpos. Neste estudo, para entender melhor o cenário molecular detalhado após o xenotransplante, realizou-se transcriptômica, lipidômica, proteômica e metabolômica em massa e de célula única em amostras de sangue obtidas dos falecidos transplantados a cada 6 horas, bem como perfil histológico e transcriptômico do tecido.

Observou-se respostas imunes iniciais substanciais em células mononucleares do sangue periférico e tecido xenoenxertado obtido do falecido 1 (homem), associadas à atividade de células T a jusante e de células exterminadoras naturais. Análises longitudinais indicaram a presença de lesão de isquemia-reperfusão, exacerbada pela imunossupressão inadequada de células T, consistente com achados anteriores de disfunção perioperatória de xenoenxerto cardíaco em estudos de porcos com primatas não humanos.

Além disso, 42 horas após o transplante, ocorreram alterações substanciais no metabolismo celular e nas vias de dano hepático, correlacionando-se com profunda disfunção fisiológica em todo o órgão.

Em contraste, alterações relativamente pequenas nos perfis de RNA, proteína, lipídios e metabolismo foram observadas no falecido 2 (feminino) em comparação com o falecido 1.

No geral, essas análises multiômicas delineiam respostas distintas ao xenotransplante cardíaco nos dois falecidos humanos e revelam novos insights sobre as respostas moleculares e imunológicas precoces após o xenotransplante.

Essas descobertas podem auxiliar no desenvolvimento de abordagens terapêuticas direcionadas para limitar os fenótipos relacionados à lesão de isquemia-reperfusão e melhorar os resultados.

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Fontes:
Med, publicação em 21 de maio de 2024.
Nature Medicine, publicação em 17 de maio de 2024.
Science Daily, notícia publicada em 21 de maio de 2024.