Por que algumas crianças têm cérebros anormalmente pequenos (microcefalia)? Um grupo global de cientistas do Centro Alemão de Primatas – Instituto Leibniz de Pesquisa de Primatas (DPZ), da Escola Médica de Hannover (MHH) e do Instituto Max Planck de Biologia Celular Molecular e Genética decidiu responder a esta 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 em Relatórios EMBOmostra que mutações nos genes da actina interrompem a divisão das células progenitoras cerebrais iniciais. Quando essas células não conseguem se dividir adequadamente, seu número diminui, limitando o crescimento geral do cérebro e fazendo com que o cérebro diminua de tamanho. “Nossas descobertas fornecem a primeira explicação celular para a microcefalia em pessoas com a rara síndrome de Barreitzer-Winter”, diz Indra Niehaus, primeira autora do estudo e pesquisadora 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 Barreitzer-Winter, a mutação afeta um dos dois genes mais importantes da actina. Para compreender as implicações, os investigadores reprogramaram células da pele de pacientes afetados em células estaminais 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 surpreendentes. 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 das organelas, onde as células progenitoras se reúnem e começam a formar as primeiras células nervosas, também eram muito menores.
Uma mudança nas populações críticas de células cerebrais
Quando os cientistas examinaram os tipos de células dentro das organelas, encontraram um aparente desequilíbrio. O número de células progenitoras apicais necessárias para construir o córtex cerebral era muito menor. Ao mesmo tempo, houve um aumento nas células progenitoras basais, que geralmente aparecem mais tarde no desenvolvimento.
Esta mudança sugere que o momento e o resultado da divisão celular foram alterados, explicando potencialmente por que o tecido cerebral não conseguia se expandir normalmente.
Quando a orientação da divisão celular está incorreta
Usando microscopia de alta resolução, a equipe monitorou de perto como as células progenitoras apicais se dividiam. Em condições normais, essas células se dividem principalmente em ângulo reto com a superfície dos ventrículos. Esta orientação garante a distribuição uniforme dos componentes celulares e a formação de duas novas células progenitoras apicais.
Em organoides portadores de uma mutação de actina, esse padrão é dramaticamente alterado. As divisões verticais tornaram-se muito mais raras e as horizontais e angulares dominaram. Como resultado, as células progenitoras apicais eram menos capazes de auto-renovação. Eles eram mais propensos a se separar da zona ventricular e mais propensos a se tornarem células progenitoras basais.
“Nossas análises mostram muito claramente que a mudança na orientação da divisão das células progenitoras é um fator decisivo na redução do tamanho do cérebro”, diz Michael Heide, líder do grupo no Centro Alemão de Primatas e último autor do estudo. “Uma única mudança no citoesqueleto é suficiente para perturbar o desenvolvimento inicial do cérebro”.
Pequenas mudanças estruturais com efeitos duradouros
A microscopia eletrônica revelou defeitos sutis adicionais na superfície dos ventrículos. A forma das células parecia irregular e formaram-se saliências adicionais entre células adjacentes. 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.
Embora a estrutura geral das células permaneça intacta, estes pequenos desvios podem ser suficientes para alterar permanentemente a forma como as células se orientam durante a divisão.
Prova de que a mutação é a causa
Para confirmar que as diferenças observadas foram de facto causadas pela mutação da actina e não por outras variações genéticas, os investigadores conduziram uma importante experiência de controlo. Eles usaram CRISPR/Cas9 para introduzir exatamente a mesma mutação em uma linhagem de células-tronco saudáveis. Os organoides cerebrais cultivados a partir dessas células editadas desenvolveram os mesmos defeitos que os organoides obtidos de pacientes – prova de que a própria mutação é o fator determinante.
O que esta descoberta significa para a medicina
As descobertas 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”, diz Michael Heide.
“O potencial terapêutico deste estudo reside no diagnóstico, pois os nossos dados ajudam a classificar melhor os achados genéticos nos pacientes. Como a doença afeta os processos iniciais do desenvolvimento fetal, a intervenção em humanos será difícil. No entanto, novos medicamentos que afetam a interação entre a actina e os microtúbulos podem abrir novas abordagens a longo prazo”, diz Natalia Di Donata, diretora do Instituto de Genética Humana de Hannover. faculdade de medicina.
