Cientistas da Universidade Northwestern desenvolveram o modelo mais avançado cultivado em laboratório para o estudo de lesões na medula espinhal humana.
No novo estudo, a equipe utilizou organoides da medula espinhal humana — órgãos em miniatura derivados de células-tronco — para recriar diferentes formas de trauma na medula espinhal e avaliar um tratamento regenerativo promissor.
O mais relevante é que, pela primeira vez, os pesquisadores demonstraram que esses organoides da medula espinhal humana podem reproduzir fielmente as principais consequências biológicas de uma lesão na medula espinhal. O modelo apresentou morte celular, inflamação e cicatrização glial, que é uma espessa acumulação de tecido cicatricial que forma uma barreira física e química, impedindo a reparação dos nervos.
Quando os organoides danificados foram tratados com “moléculas dançantes” — uma terapia que restaurou o movimento e reparou o tecido em um estudo anterior com animais — os resultados foram impressionantes. O tecido lesionado produziu uma considerável extensão de neuritos, significando que as longas extensões que permitem a comunicação entre os neurônios começaram a crescer novamente. O tecido cicatricial foi significativamente reduzido. Os achados reforçam a ideia de que essa terapia, que recentemente recebeu a Designação de Medicamento Órfão da Administração de Alimentos e Medicamentos dos EUA (FDA), poderia melhorar a recuperação de pessoas com lesões na medula espinhal.
O estudo foi publicado em 11 de fevereiro na Nature Biomedical Engineering.
“Um dos aspectos mais empolgantes dos organoides é que podemos usá-los para testar novas terapias em tecido humano,” disse Samuel I. Stupp, autor sênior do estudo e inventor das moléculas dançantes. “A não ser em um ensaio clínico, é a única maneira de alcançar esse objetivo. Decidimos desenvolver dois modelos diferentes de lesão em um organoide da medula espinhal humana e testar nossa terapia para ver se os resultados se assemelhavam ao que vimos previamente no modelo animal. Após a aplicação de nossa terapia, a cicatriz glial desapareceu significativamente, tornando-se quase indetectável, e observamos o crescimento de neuritos, semelhante à regeneração axonal que observamos em animais. Isso valida que nossa terapia tem uma boa chance de funcionar em humanos.”
Stupp é um líder em ciência de materiais regenerativos e é Professor de Ciência e Engenharia de Materiais, Química, Medicina e Engenharia Biomédica na Northwestern. Ele possui cargos na Escola de Engenharia McCormick, no Weinberg College of Arts and Sciences e na Feinberg School of Medicine, além de dirigir o Centro de Nanomedicina Regenerativa (CRN). O primeiro autor do artigo é Nozomu Takata, professor assistente de medicina na Feinberg e membro do CRN.
A Importância dos Organoides Humanos
Os organoides são cultivados a partir de células-tronco pluripotentes induzidas em laboratório. Embora sejam versões simplificadas de órgãos completos, eles se assemelham de perto ao tecido real em estrutura, diversidade celular e função. Por causa disso, os organoides são ferramentas poderosas para o estudo de doenças, testes de tratamentos e exploração de como os órgãos se desenvolvem. Eles também permitem que os pesquisadores avancem mais rapidamente e a um custo menor em comparação com experimentos com animais ou ensaios clínicos humanos.
Embora outros grupos tenham produzido organoides da medula espinhal para estudar biologia básica, este modelo representa um grande avanço na pesquisa sobre lesões. Os organoides medem vários milímetros de diâmetro e eram maduros o suficiente para sustentar e modelar danos traumáticos.
Durante vários meses, a equipe orientou as células-tronco a formar um tecido complexo da medula espinhal contendo neurônios e astrócitos. Eles também foram os primeiros a incorporar microglia — células imunes encontradas no sistema nervoso central — para replicar melhor a resposta inflamatória que segue uma lesão na medula espinhal.
“É uma espécie de pseudo-órgão,” afirmou Stupp. “Fomos os primeiros a introduzir microglia em um organoide da medula espinhal humana, então isso foi uma grande conquista. Isso significa que nosso organoide possui todas as substâncias químicas que o sistema imunológico residente produz em resposta a uma lesão. Isso torna-o um modelo mais realista e preciso de lesão na medula espinhal.”
O Que São as Moléculas Dançantes
Uma vez que os organoides da medula espinhal estavam completamente desenvolvidos, os pesquisadores direcionaram sua atenção para testar lesões e tratamento. Introduzidas em 2021, as moléculas dançantes usam movimento molecular controlado para reparar tecidos e potencialmente reverter paralisia após uma lesão traumática na medula espinhal. Elas pertencem a uma classe mais ampla de peptídeos terapêuticos supramoleculares (STPs), que dependem de conjuntos grandes de 100.000 moléculas ou mais para ativar receptores celulares e estimular os sinais naturais de reparo do corpo. (O conceito de terapias supramoleculares também é utilizado em medicamentos GLP-1 atuais para perda de peso e diabetes, uma área que o laboratório de Stupp investigou há quase 15 anos.)
A terapia é administrada como uma injeção líquida que rapidamente forma uma rede de nanofibras semelhante à matriz extracelular da medula espinhal. Ao ajustar a dinâmica com que as moléculas se movimentam dentro dessa estrutura, os pesquisadores melhoraram a eficácia da interação com receptores celulares em constante mudança.
“Dado que as próprias células e seus receptores estão em constante movimento, você pode imaginar que moléculas que se movem mais rapidamente encontrariam esses receptores com mais frequência,” disse Stupp em 2021. “Se as moléculas são lentas e não tão ‘sociais’, elas podem nunca entrar em contato com as células.”
Em experimentos anteriores com animais, uma única injeção administrada 24 horas após uma lesão grave permitiu que camundongos voltassem a andar em quatro semanas. Fórmulas com movimento molecular mais rápido apresentaram melhor desempenho do que as versões mais lentas, sugerindo que um aumento no movimento melhora a bioatividade e a sinalização celular.
Simulando Trauma na Medula Espinhal
Para testar a terapia, os pesquisadores criaram dois tipos comuns de lesão na medula espinhal nos organoides. Alguns foram cortados com um escalpelo para imitar uma laceração semelhante a uma ferida cirúrgica. Outros foram submetidos a uma lesão contusa compressiva, comparável ao trauma de um acidente de carro grave ou de uma queda.
Ambos os tipos de lesão levaram à morte celular e à formação de cicatrizes gliais — assim como ocorre em uma verdadeira lesão na medula espinhal.
“Pudemos distinguir entre os astrócitos que fazem parte do tecido normal e os astrócitos na cicatriz glial, que são grandes e muito densamente empacotados,” afirmou Stupp. “Também detectamos a produção de proteoglicanos de sulfato de condroitina, que são moléculas do sistema nervoso que respondem a lesões e doenças.”
Após o tratamento com as moléculas dançantes, a rede de nanofibras gelificadas reduziu a inflamação, diminuiu a cicatrização glial, estimulou a extensão dos neuritos e incentivou o crescimento dos neurônios em padrões organizados.
Neuritos incluem axônios, que frequentemente são rompidos em lesões na 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 da lesão. Promover o crescimento de neuritos poderia reconectar esses caminhos e ajudar a restaurar a função.
A Importância do Movimento Molecular
Stupp credita a eficácia da terapia ao movimento supramolecular, que é a capacidade das moléculas de se moverem rapidamente e até se desprenderem brevemente da rede de nanofibras. Experimentos em organoides saudáveis reforçaram essa ideia.
“Antes mesmo de desenvolvermos o modelo de lesão, testamos a terapia em um organoide saudável,” ele disse. “As moléculas dançantes geraram todos esses longos neuritos na superfície do organoide, mas, quando usamos moléculas que tinham menos ou nenhum movimento, não vimos nada. Essa diferença foi muito evidente.”
Olhando para o futuro, a equipe planeja construir organoides ainda mais avançados para aprimorar seus modelos. Eles também pretendem desenvolver versões que repliquem lesões crônicas de longa duração, que geralmente envolvem cicatrizes mais espessas e persistentes. Com o desenvolvimento adicional, Stupp afirma que essas pequenas medulas poderiam contribuir para a medicina personalizada ao gerar tecidos implantáveis a partir das células-tronco de um paciente, reduzindo o risco de rejeição imunológica.
O estudo, “Lesão e terapia em um organoide da medula espinhal humana,” foi apoiado pelo Centro de Nanomedicina Regenerativa da Universidade Northwestern e por um donativo da Família John Potocsnak para pesquisa em lesões na medula espinhal.
