Por Dentro do Laboratório Inovador Cultivando Tecido Mamífero Usando Plantas como Andaimes | Ciência

0
66


Cientista cultivando tecido em forma de orelha usando andaime de maçã

Andrew Pelling adiciona células a uma estrutura em forma de orelha feita de polpa de maçã.
SAXX Roupa Interior

Quando a estudante de química Jessica Holmes se juntou ao Laboratório de Biologia Aumentada do biofísico Andrew Pelling na Universidade de Ottawa, ela foi encarregada de uma tarefa incomum: coagir as células de mamíferos a se multiplicar e prosperar com macarrão. Em nome da medicina regenerativa, Pelling dirige seu laboratório como uma cozinha experimental. Lá, pesquisadores como Holmes estão sondando itens de mercearia comuns para determinar quais contêm estruturas microscópicas que podem transformar células nascentes em tecidos funcionais.

As placas de Petri planas que os cientistas têm usado desde 1800 não imitam o ambiente complexo do corpo, então o laboratório de Pelling e outros têm trabalhado arduamente no desenvolvimento de “suportes” 3D mais realistas para apoiar o crescimento celular. A abordagem do laboratório de Pelling, entretanto, não é convencional. Eles identificaram alimentos do dia-a-dia contendo estruturas naturais que, com um pequeno ajuste, podem fornecer a base física para as células dos mamíferos se dividirem, se unirem, se comunicarem e assumirem funções especializadas.

Com a escalada da pandemia Covid-19 durante o primeiro ano de Holmes, a universidade fechou temporariamente suas instalações de pesquisa para alunos de graduação. Em vez disso, a cozinha de Holmes tornou-se seu laboratório. Ela abandonou seu projeto de macarrão depois de esgotar a lista de macarrão potencialmente poroso (de Ramen a massas à base de ervilha) que poderiam ser bons andaimes. Como muitos durante o bloqueio da primavera, ela começou a experimentar receitas de pão. Ao fazer isso, ela fez uma descoberta surpreendente: a estrutura porosa do pão de soda irlandês fornecia um excelente suporte. Holmes e seus colegas de laboratório de Pelling esterilizaram as migalhas, embebidas em nutrientes e permitiram que as células jovens aderissem às migalhas e infiltrassem os poros. Dentro um estudo publicado em novembro em Biomateriais, Holmes e seus colegas de laboratório mostram que esta receita simples e rápida contendo pouco mais do que ingredientes de despensa pode promover células precursoras para músculos, tecido conjuntivo e ossos de camundongos em um prato por até quatro semanas. Embora possa parecer um empreendimento bizarro, com um trabalho adicional, o viveiro de células carbaciosas de Holmes tem o potencial de ajudar os pesquisadores a reparar tecidos danificados ou regenerar órgãos.

Embora outros grupos de pesquisa tenham brincado com estruturas celulares feitas de proteínas derivadas do trigo, como o glúten, esses materiais costumam exigir muita mão-de-obra e recursos para serem criados. Uma técnica existente, por exemplo, leva mais de uma semana e requer equipamento especializado para transformar proteínas de trigo em fibras ultrafinas, criando um filme no qual as células podem crescer. Até onde Pelling sabe, seu grupo é o primeiro a empregar migalhas de pão inteiras para fazer crescer células precursoras de músculos e ossos.

O pão é apenas um dos muitos materiais que poderiam cumprir sua missão de formular biomateriais simples e baratos que sustentam células de mamíferos. Nos treze anos desde que começou seu laboratório, Pelling levou as células de mamíferos ao seu limite, desafiando-as a crescer em ambientes peculiares. Pelling começou com Legos e, desde então, mudou-se para o aipo, maçãs, aspargos e outros andaimes derivados de plantas. (O pão contém trigo, por isso Pelling também o considera à base de plantas.) “Eu me convenci de que as células crescem em praticamente qualquer coisa”, diz ele.

Andrew Pelling com aspargos

Andrew Pelling guarda aspargos, um vegetal que ele e seu laboratório usaram para criar estruturas para tecidos de mamíferos.

Andrew Pelling

O laboratório de Pelling está na vanguarda de uma prática que remonta a 3.000 aC, quando os antigos egípcios usavam madeira para substituir dentes e cascas de coco para remendar crânios. As plantas são bem adequadas para essas aplicações porque têm celulose, um carboidrato embutido nas paredes celulares que fornece força e flexibilidade. A celulose não apenas dá às células vegetais uma estrutura para crescer, mas também forma uma rede porosa que transporta fluidos e nutrientes, semelhante a uma rede de vasos sanguíneos. Agora, os pesquisadores estão percebendo que este material pode fornecer benefícios semelhantes às células de mamíferos.

Embora os esforços modernos na medicina regenerativa tenham empregado celulose sintética ou produzida por bactérias, o laboratório de Pelling não vê razão para reimaginar milhões de anos de evolução das plantas. Eles usam uma técnica comum de “descelularização” envolvendo água e sabão para remover as células de frutas e vegetais. O que é deixado para trás é uma estrutura de celulose naturalmente vascularizada que pode então ser repovoada com muitos tipos de células de mamíferos em cultura.

A ideia para um dos primeiros esforços de descelularização de plantas do laboratório veio ao ex-pesquisador Daniel Modulevsky durante o almoço. O interior carnudo da maçã parcialmente comida de seu colega parecia que poderia fornecer uma estrutura grande e moldável para sustentar as células de mamíferos. As receitas online sugeriram que as maçãs McIntosh eram particularmente saudáveis, e então Modulevsky começou a descascá-las, descelularizá-las e cobri-las com células. Depois de prometer resultados preliminares, ele concretizou sua premonição da hora do almoço e permaneceu no laboratório de Pelling para concluir seu doutorado em biologia. Os pesquisadores, desde então, esculpiram sua polpa de maçã descelularizada em uma estrutura em formato de orelha para células humanas. Mais recentemente, eles até implantou os andaimes de maçã em ratos vivos para promover o tecido conjuntivo, colágeno e redes de vasos sanguíneos.

Embora as ideias incomuns do laboratório de Pelling tenham encontrado resistência da comunidade científica, Modulevsky está satisfeito em ver que seus andaimes de maçã semearam muitos novos projetos de pesquisa – desde o cultivo de tecido semelhante a ossos em ratos até a criação de habitats para lombrigas, que são populares temas de pesquisa para biólogos. “É muito legal ver como um pequeno projeto realmente decolou ao redor do mundo”, diz ele.

Estrutura do Espargo

O laboratório de Pelling implantou andaimes de aspargos em ratos para ajudar a regenerar a medula espinhal ferida. Um close-up da estrutura do vegetal é retratado aqui.

Daniel Modulevsky

No Boston College, o engenheiro biomédico Glenn Gaudette está usando técnicas de descelularização semelhantes em folhas de espinafre, revestindo-as em células do coração humano para gerar tecidos cardiovasculares. Ele foi atraído pelo espinafre em particular porque sua estrutura venosa é ideal para fornecer oxigênio e nutrientes às células do coração, bem como para eliminar resíduos metabólicos. Ele planeja costurar a veia central do espinafre descelularizado na artéria principal do coração, a aorta, para facilitar o fluxo sanguíneo para os músculos cardíacos danificados. O resto da folha cobriria a área geral, expandindo e contraindo a cada batimento cardíaco. Eventualmente, ele também imagina dobrar folhas de espinafre na forma de um coração humano e germinar um órgão inteiro.

Gaudette prevê que provavelmente ainda restem menos de cinco anos de pesquisa em bancada antes que os andaimes baseados em plantas possam ser usados ​​em testes clínicos envolvendo tecidos relativamente simples, como a pele. Antes disso, questões simples precisam ser resolvidas, como garantir que os detergentes com sabão usados ​​para descelularizar as plantas sejam totalmente removidos antes da implantação. E também existem preocupações mais sérias. Por exemplo, os pesquisadores precisam determinar como o sistema imunológico de um paciente pode responder à celulose (embora o trabalho não publicado de Gaudette, bem como os estudos preliminares de Pelling em camundongos e ratos, tenham mostrado resultados promissores). Gaudette acha que uma estratégia em humanos pode envolver reverter as células do próprio paciente em células-tronco e cultivá-las na estrutura do espinafre antes da implantação. Isso pode ajudar o sistema imunológico a aceitar o novo tecido como parte do corpo.

Segundo Gaudette, ainda há trabalho a ser feito, mas os pesquisadores estão se aproximando. “É divertido sonhar, certo?” ele diz. “Acho que temos a oportunidade de iniciar uma nova indústria.”

Como o laboratório de Pelling, a equipe de Gaudette tem começou a projetar andaimes comestíveis à base de plantas capaz de produzir carne cultivada em laboratório que não agride o meio ambiente. Enquanto os andaimes de migalhas de pão seriam bem adequados para o que Gaudette chama de “carne de papa” moída, os andaimes de espinafre podem fornecer a matriz rígida necessária para cortes mais estruturados, como bife.

Conforme os pesquisadores continuam a vasculhar os corredores do supermercado em busca da próxima inovação de andaime, fica claro que algumas plantas são mais adequadas a certas aplicações do que outras. Por exemplo, os colegas de Gaudette estão usando bambu para regenerar dentes porque é resistente e tem um diâmetro pequeno. Os pêssegos, por outro lado, são moles demais para suportar estruturas de trituração e mastigação de alimentos.

O trabalho de Gaudette sobre andaimes de espinafre tornou-se leitura recomendada para alunos na aula de biomateriais do bioengenheiro Grissel Trujillo de Santiago no Tecnológico de Monterrey, no México. No laboratório que ela dirige com um colega, Trujillo de Santiago está encontrando maneiras de imprimir tecidos vivos em 3D. Como Gaudette e Pelling, ela visa desenvolver maneiras elegantes de fabricar sistemas vasculares que imitam os vasos sanguíneos humanos. Ao contrário de Gaudette e Pelling, porém, sua equipe está usando redes cheias de água chamadas hidrogéis em vez de celulose.

Ela está intrigada com a possibilidade de empregar estruturas derivadas de plantas para cultivar tecidos humanos e carnes comestíveis. A última aplicação, em particular, exigiria que os andaimes fossem econômicos e escalonáveis, diz ela, para atender às demandas dos carnívoros em todo o mundo.

Em termos de usos médicos, Trujillo de Santiago diz que o sucesso anterior do laboratório Pelling em implantar ratos com andaimes de maçã é promissor. Além de testar os andaimes em humanos e garantir que nosso sistema imunológico responda bem ao material vegetal, ela diz que os pesquisadores precisarão demonstrar que seus implantes funcionarão como os tecidos que devem aumentar ou substituir.

Embora Trujillo de Santiago ainda não tenha feito experiências com andaimes derivados de plantas, ela está começando a usar vírus de plantas para criar estruturas para células de mamíferos. Os vírus são inofensivos para mamíferos, como ratos e humanos, e se unem para formar um material semelhante a uma malha que ajuda a ancorar as células. Como ela diz: “Temos esse portfólio de biomateriais na natureza que podemos usar para a saúde humana”.

De volta à Universidade de Ottawa, Pelling, Modulevsky e seu colega Charles Cuerrier fundaram uma empresa baseada em suas frutas e vegetais descelularizados mais promissores. Uma de suas técnicas, que usa suportes de aspargos para regenerar a medula espinhal em ratos, foi recentemente designada como um dispositivo inovador pela Food and Drug Administration dos EUA. Ao contrário de muitos andaimes existentes que são projetados para degradar com o tempo, as inserções de aspargos do laboratório de Pelling são menos propensas a serem quebradas por enzimas no corpo humano e liberar subprodutos tóxicos. Embora demore alguns anos até que seus aspargos descelularizados sejam testados em humanos, os pesquisadores estão otimistas.

Nem todo vegetal levará a um dispositivo inovador, mas Pelling diz que cada nova ideia tem valor. “Seus alunos – aqueles que desejam trabalhar em um laboratório como este – estão passando pelo exercício da descoberta”, diz ele. “E quando você tropeça na descoberta aleatória que é realmente importante, toda a sua equipe está treinada e pronta para executar.”

Após o levantamento das estritas restrições à pandemia, Holmes voltou ao campus com seus colegas. Lá, ela continuou a preparar várias receitas de pão de soda e assá-las no forno de esterilização do laboratório. Ela agora está se aproximando da formatura e pretende aplicar a abordagem de mente aberta que aprendeu no laboratório de Pelling a uma carreira em patologia da fala. Seu principal take away? “Não existe ideia ruim ou ideia exagerada.”



Fonte original deste artigo

DEIXE UMA RESPOSTA

Please enter your comment!
Please enter your name here