Por quase uma década, o Programa de Organogênese do Cérebro de Stanford tem redefinido a forma como os cientistas estudam o cérebro humano. Em vez de depender de tecidos cerebrais intactos de humanos ou animais, os pesquisadores do programa cultivam estruturas tridimensionais semelhantes ao cérebro em laboratório utilizando células-tronco. Esses pequenos modelos, conhecidos como organoides neurais humanos e assembloides, permitem que os cientistas explorem o desenvolvimento e a função do cérebro de maneiras totalmente novas.
Iniciado em 2018 como parte do Instituto de Neurociências Wu Tsai da Stanford, através da iniciativa Grandes Ideias em Neurociências, o programa reúne especialistas de neurociência, química, engenharia e outras disciplinas. Juntos, eles investigam circuitos neurais relacionados à dor, genes associados a transtornos do neurodesenvolvimento e novas metodologias para estudar a conectividade cerebral.
Um desafio tem persistido ao longo do progresso do programa: a necessidade de escalar a produção. Para entender profundamente o desenvolvimento cerebral, investigar distúrbios de desenvolvimento ou testar terapias potenciais, os pesquisadores precisam produzir milhares de organoides que sejam uniformes em tamanho e forma. No entanto, essas estruturas delicadas tendem a grudar umas nas outras, dificultando o crescimento de lotes grandes e consistentes.
Uma equipe liderada pelos afiliados do Wu Tsai Neuro, Sergiu Pasca, o professor Kenneth T. Norris, Jr. de Psiquiatria e Ciências Comportamentais, e Sarah Heilshorn, a professora Rickey/Nielsen de Engenharia, recentemente encontrou uma solução surpreendentemente simples. Conforme relatado na Nature Biomedical Engineering, o segredo para impedir que os organoides se aglomerassem era a goma xantana, um aditivo alimentar amplamente utilizado.
“Agora conseguimos facilmente produzir 10.000 deles,” disse Pasca, o diretor Bonnie Uytengsu e da Família do Programa de Organogênese do Cérebro de Stanford. Em linha com o compromisso do programa de tornar suas técnicas amplamente disponíveis, eles já compartilharam sua abordagem para que outros possam se beneficiar disso. “Isso, assim como todos os nossos métodos, é aberto e acessível de forma gratuita. Já há numerosos laboratórios que implementaram essa técnica.”
Um número tão pequeno que você poderia nomeá-los
Esse nível de produtividade era antes inimaginável. Há cerca de doze anos, Pasca havia desenvolvido apenas uma forma de transformar células-tronco em tecidos tridimensionais que mais tarde seriam conhecidos como organoides neurais regionalizados. Naquela época, ele conseguia produzir apenas um punhado deles.
“Nos primeiros dias, eu tinha oito ou nove, e dei a cada um deles o nome de criaturas mitológicas,” disse Pasca.
Mas o objetivo de Pasca era muito mais ambicioso: descobrir como o cérebro em desenvolvimento pode falhar em condições como autismo ou síndrome de Timothy, e explorar como os medicamentos poderiam afetar esse desenvolvimento. “Precisávamos produzir milhares de organoides, e todos deveriam ser iguais,” afirmou.
Ele também reconheceu que o sucesso exigiria uma equipe diversificada de especialistas. “Eu pensei: ‘Este é um campo emergente e há muitos problemas que enfrentaremos. A maneira como vamos lidar com eles e resolvê-los é implementando tecnologias inovadoras,'” disse Pasca.
Para alcançar essa visão, Pasca colaborou com o afiliado do Wu Tsai Neuro, Karl Deisseroth, um neurocientista e bioengenheiro, montando um grupo interdisciplinar que lançou oficialmente o Programa de Organogênese do Cérebro de Stanford, com o apoio da concessão Grandes Ideias em Neurociências do Wu Tsai Neuro.
A solução antiaderente
O problema da adesão surgiu logo em seguida. Os organoides estavam se fundindo, resultando em um número menor de organoides de diferentes formas e tamanhos.
“As pessoas no laboratório costumavam dizer: ‘Eu fiz cem organoides, mas acabei com vinte,'” lembrou Pasca.
Isso foi tanto uma bênção quanto uma maldição. Por um lado, sugeriu que os pesquisadores poderiam unir dois tipos diferentes de organoides — digamos, um minúsculo cerebelo e uma medula espinhal — para estudar o desenvolvimento de estruturas cerebrais mais complexas. De fato, esses assembloides agora são uma parte essencial do trabalho de Pasca e seus colegas.
Por outro lado, a equipe ainda precisava ser capaz de criar grandes quantidades de organoides para coletar dados precisos sobre o desenvolvimento cerebral, rastrear medicamentos em busca de defeitos de crescimento ou realizar qualquer número de outros projetos em larga escala.
Uma opção seria cultivar cada organoide em um prato separado, mas isso é frequentemente ineficiente. Em vez disso, o laboratório precisava de algo que mantivesse os organoides separados enquanto eles cresciam em lotes, então Pasca trabalhou com Heilshorn, uma colaboradora do Programa de Organogênese do Cérebro de Stanford e engenheira de materiais, para experimentar algumas opções.
A equipe acabou examinando 23 materiais diferentes com o objetivo de tornar seus métodos acessíveis a outros.
“Selecionamos materiais que já eram considerados biocompatíveis e que seriam relativamente econômicos e simples de usar, para que nossos métodos pudessem ser adotados facilmente por outros cientistas,” disse Heilshorn.
Para testar cada um, eles primeiro cultivaram organoides em um líquido rico em nutrientes por seis dias, depois adicionaram um dos materiais testados. Após mais 25 dias, a equipe simplesmente contou quantos organoides permaneceram.
Mesmo em pequenas quantidades, a goma xantana impediu que os organoides se fundissem, e fez isso sem efeitos colaterais no desenvolvimento do organoide. Isso significava que os pesquisadores poderiam manter os organoides separados sem alterar os resultados experimentais.
Finalmente escalando
Para demonstrar o potencial da técnica, a equipe a utilizou para abordar um problema do mundo real: médicos geralmente hesitam em prescrever medicamentos potencialmente benéficos para gestantes e bebês, pois não sabem se esses medicamentos podem prejudicar cérebros em desenvolvimento. (Embora os medicamentos aprovados pelo FDA passem por testes extensivos, preocupações éticas geralmente significam que não são testados em gestantes ou bebês.)
Para mostrar como os organoides podem ajudar a resolver esse problema, o co-autor principal Genta Narazaki, um pesquisador visitante no laboratório de Pasca na época em que a pesquisa foi realizada, primeiro cultivou 2.400 organoides em lotes. Em seguida, Narazaki adicionou um dos 298 medicamentos aprovados pelo FDA a cada lote para verificar se algum deles poderia causar defeitos de crescimento. Trabalhando de perto com o co-autor principal Yuki Miura no laboratório de Pasca, Narazaki mostrou que vários medicamentos, incluindo um usado para tratar câncer de mama, inibiram o crescimento dos organoides, sugerindo que esses medicamentos poderiam ser prejudiciais ao desenvolvimento cerebral.
Esse experimento demonstra que os pesquisadores poderiam descobrir potenciais efeitos colaterais — e de forma muito eficiente, disse Pasca: “Um único experimentador produziu milhares de organoides corticais por conta própria e testou quase 300 medicamentos.”
Pasca e seus colegas do Programa de Organogênese do Cérebro de Stanford agora esperam usar sua técnica para fazer progresso em vários distúrbios neuropsiquiátricos, como autismo, epilepsia e esquizofrenia. “Abordar essas doenças é realmente importante, mas a menos que você escale, não há como fazer uma diferença,” afirmou Pasca. “Esse é o objetivo no momento.”
