Cientistas da Northwestern University criaram o modelo mais avançado desenvolvido em laboratório para estudar lesões na medula espinhal humana.
No novo estudo, a equipe trabalhou com organoides da medula espinhal humana – órgãos em miniatura derivados de células-tronco – para recriar diferentes formas de lesão da medula espinhal e avaliar um tratamento regenerativo promissor.
Pela primeira vez, os pesquisadores demonstraram que esses organoides da medula espinhal humana podem reproduzir com precisão os efeitos biológicos básicos da lesão medular. O modelo revelou morte celular, inflamação e cicatrizes gliais, que são acúmulos espessos de tecido cicatricial que formam uma barreira física e química que impede a regeneração nervosa.
Quando organoides danificados foram tratados com “moléculas dançantes” – uma terapia que restaurou o movimento e regenerou o tecido em um estudo anterior com animais – os resultados foram dramáticos. O tecido danificado produziu um crescimento significativo de neuritos, o que significa que as longas extensões que permitem a comunicação dos neurônios começaram a crescer novamente. O tecido semelhante a uma cicatriz foi bastante reduzido. As descobertas apoiam a ideia de que esta terapia, que recentemente recebeu aprovação da Food and Drug Administration (FDA) dos EUA, poderia melhorar a recuperação de pessoas com lesões na medula espinhal.
O estudo foi publicado em 11 de fevereiro em Engenharia biomédica da natureza.
“Um dos aspectos mais interessantes dos organoides é que podemos usá-los para testar novas terapias em tecidos humanos”, disse Samuel I. Stapp, da Northwestern, autor sênior do estudo e inventor das moléculas dançantes. “Esta é a única maneira de atingir esse objetivo, além dos ensaios clínicos. Decidimos desenvolver dois modelos de lesão diferentes em um organoide da medula espinhal humana e testar nossa terapia para ver se os resultados eram semelhantes aos que havíamos visto anteriormente em um modelo animal. Depois de aplicar nossa terapia, a cicatriz glial desapareceu significativamente e tornou-se quase invisível, e vimos neurites crescendo, lembrando a regeneração axonal que observamos em animais. Esta é a confirmação de que nossa terapia tem uma boa chance de funcionar em humanos.”
Stoop é líder no campo da ciência de materiais regenerativos e detém o título de Professor de Ciência e Engenharia de Materiais, Química, Medicina e Engenharia Biomédica da Northwestern University. Ele ocupa cargos na Escola de Engenharia McCormick, na Faculdade de Artes e Ciências Weinberg e na Escola de Medicina Feinberg, e dirige o Centro de Nanomedicina Regenerativa (CRN). O primeiro autor do artigo é Nozomu Takata, Professor Associado de Medicina da Feinberg e bolsista do CRN.
Por que os organoides humanos são importantes
Organóides são cultivados a partir de células-tronco pluripotentes induzidas em laboratório. Embora sejam versões simplificadas de órgãos completos, eles se assemelham muito ao tecido real em estrutura, diversidade celular e função. Isso torna os organoides uma ferramenta poderosa para estudar doenças, testar tratamentos e aprender como os órgãos se desenvolvem. Eles também permitem que os pesquisadores avancem mais rapidamente e com custos mais baixos em comparação com experimentos em animais ou ensaios clínicos em humanos.
Embora outros grupos tenham produzido organoides da medula espinhal para estudar biologia básica, este modelo representa um grande avanço na pesquisa de traumas. Os organoides têm alguns milímetros de diâmetro e são maduros o suficiente para resistir e simular lesões traumáticas.
Durante vários meses, a equipe manipulou as células-tronco para formar o complexo tecido da medula espinhal, que contém neurônios e astrócitos. Eles também foram os primeiros a incluir microglia – células imunológicas encontradas no sistema nervoso central – para replicar melhor a resposta inflamatória que ocorre após uma lesão na medula espinhal.
“É uma espécie de pseudo-órgão”, disse Stoop. “Fomos os primeiros a introduzir microglia em um organoide da medula espinhal humana, o que foi uma grande conquista. Isso significa que nossa organela contém todos os produtos químicos que o sistema imunológico residente produz em resposta a uma lesão. Isso o torna um modelo mais realista e preciso de lesão na medula espinhal.”
O que são moléculas dançantes
Depois que os organoides da medula espinhal foram totalmente desenvolvidos, os pesquisadores voltaram sua atenção para testar os danos e o tratamento. A terapia molecular dançante, revelada pela primeira vez em 2021, usa movimento molecular controlado para reparar tecidos e possivelmente reverter a paralisia após lesão traumática da medula espinhal. Pertence a uma classe mais ampla de peptídeos terapêuticos supramoleculares (STPs), que dependem de grandes conjuntos de 100.000 ou mais moléculas para ativar receptores celulares e estimular os sinais naturais de reparo do corpo. (O conceito de terapia supramolecular também é usado nos atuais medicamentos GLP-1 para perda de peso e diabetes, uma área que o laboratório de Stapp explorou há quase 15 anos.)
A terapia é administrada como uma injeção líquida que forma rapidamente uma rede de nanofibras que se assemelha à matriz extracelular da medula espinhal. Ao ajustar a dinâmica com que as moléculas nesta estrutura se movem, os investigadores melhoraram a eficácia com que interagem com os receptores celulares que estão em constante mudança.
“Dado que as próprias células e os seus receptores estão em constante movimento, pode-se imaginar que as moléculas que se movem mais rapidamente colidiriam com esses receptores com mais frequência”, disse Stapp em 2021. “Se as moléculas forem lentas e não tão ‘sociais’, podem nunca entrar em contacto com as células.”
Em experimentos anteriores com animais, uma única injeção administrada 24 horas após uma lesão grave permitiu que os ratos voltassem a andar em quatro semanas. As formulações com movimento molecular mais rápido têm melhor desempenho do que as versões mais lentas, sugerindo que o aumento do movimento melhora a bioatividade e a sinalização celular.
Simulação de lesão medular
Para testar a terapia, os pesquisadores criaram dois tipos comuns de lesões na medula espinhal em organoides. Alguns foram cortados com bisturi para simular uma ferida lacerada semelhante a uma ferida cirúrgica. Outros sofreram uma contusão por compressão comparável ao trauma de um grave acidente de carro ou queda.
Ambos os tipos de lesão resultaram em morte celular e cicatrizes gliais – assim como ocorre em lesões reais da medula espinhal.
“Podemos distinguir entre astrócitos que fazem parte do tecido normal e astrócitos na cicatriz glial, que são grandes e muito compactados”, disse Stapp. “Também descobrimos a produção de proteoglicanos de sulfato de condroitina, que são moléculas do sistema nervoso que respondem a lesões e doenças”.
Depois de ser tratado com as moléculas dançantes, a estrutura de nanofibra semelhante a um gel reduziu a inflamação, reduziu as cicatrizes gliais, estimulou a extensão de neurites e encorajou os neurônios a crescerem em padrões organizados.
Neurites incluem axônios, que são frequentemente cortados em lesões da medula espinhal. Quando os axônios são cortados, a comunicação entre os neurônios é interrompida, levando à paralisia e à perda de sensibilidade abaixo do local do dano. A promoção do novo crescimento de neurites pode reconectar essas vias e ajudar a restaurar a função.
O papel do movimento molecular
Stapp atribui a eficácia da terapia ao movimento supramolecular, ou seja, a capacidade das moléculas de se moverem rapidamente e até mesmo se separarem brevemente da malha de nanofibras. Experimentos em organoides saudáveis confirmaram essa ideia.
“Antes mesmo de desenvolvermos um modelo de lesão, testamos a terapia em um organoide saudável”, disse ele. “As moléculas dançantes liberaram todas essas longas neurites na superfície do organoide, mas quando usamos moléculas que tinham menos ou nenhum movimento, não vimos nada. Essa diferença foi muito impressionante.”
Olhando para o futuro, a equipe planeja desenvolver organoides ainda mais avançados para refinar seus modelos. Eles também pretendem desenvolver versões que reproduzam lesões crônicas e duradouras, que normalmente envolvem tecido cicatricial mais espesso e persistente. Com um maior desenvolvimento, disse Stoop, essas medulas espinhais em miniatura poderiam contribuir para a medicina personalizada, criando tecido implantável a partir das células-tronco do próprio paciente, reduzindo o risco de rejeição imunológica.
O estudo, intitulado “Lesão e Terapia no Organoide da Medula Espinhal Humana”, foi apoiado pelo Centro de Nanomedicina Regenerativa da Universidade Northwestern e uma doação da Família John Potochnak para Pesquisa de Lesões da Medula Espinhal.
