Com uma técnica que supera os comportamentos sociais inatos das células, os pesquisadores deram um passo importante para direcionar as células da pele a migrar em massa para fechar feridas – “literalmente fazendo a pele arrepiar”, disse o investigador principal Daniel Cohen.
Em um novo estudo, os pesquisadores superaram a inércia típica do tecido cutâneo maduro, quebrando as conexões moleculares entre as células, aplicando um campo elétrico para direcionar sua migração e reconstruindo as conexões. Esta nova abordagem melhora a controlabilidade dos tecidos e pode um dia ajudar a otimizar a cicatrização de feridas por meio da estimulação elétrica.
O médico alemão Emil du Bois-Reymond descreveu pela primeira vez uma corrente elétrica fluindo de um corte em seu dedo em 1848. Pesquisas posteriores mostraram que as células do corpo podem sentir e seguir um campo elétrico, um processo chamado eletrotaxia. Os campos elétricos gerados no corpo promovem a cura ao direcionar as células para se moverem em direção à ferida e também são vitais para o crescimento e o desenvolvimento.
“Há muitos motivos pelos quais as pessoas pensam que a estimulação elétrica pode ajudar na cicatrização de feridas”, disse Gawoon Shim, o principal autor do estudo e aluno de pós-graduação no laboratório de Cohen. Mas apesar das evidências clínicas promissoras de décadas de uso em pacientes, os cientistas ainda precisam descobrir como as células detectam e respondem a campos elétricos ou como a estimulação elétrica pode ser melhor aplicada terapeuticamente. “É uma espécie de caixa preta”, disse Shim.
“Descobrimos esse fenômeno básico 175 anos atrás e ainda não temos band-aids elétricos comerciais”, disse Daniel J. Cohen, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial e autor sênior do estudo, publicado online na edição de 20 de julho dos Procedimentos da Academia Nacional de Ciências. “Ninguém realmente conhece as regras para projetar essas coisas.”
Em seu trabalho anterior, o grupo de Cohen usou campos elétricos para programar milhares de células individuais para se moverem em círculos e ao redor dos cantos. Seu novo estudo usou um modelo de pele mais madura – uma única camada de células de pele de camundongo unidas – que é mais difícil de controlar. Em vez de se moverem com a velocidade e precisão de uma banda em resposta a uma corrente elétrica, as células maduras da pele avançaram como uma multidão de pessoas de mãos dadas com seus vizinhos.
A pele madura também apresentava outro problema: quando a borda dianteira das células avançava, ela se desprendia da placa de Petri e morria. ?Se você aplicar um comando diferente do que as células naturalmente ‘querem’ fazer, você terá um cabo de guerra?, disse Cohen. “O resultado foi que os tecidos se rasgaram.”
Cohen e Shim suspeitaram que os “apertos de mão” entre as células impediam o tecido de seguir com fluidez os comandos elétricos. Esses apertos de mão são proteínas chamadas caderinas, que ancoram as células vizinhas. Eles tornam os tecidos coesos para que possam se mover juntos, mas também podem criar congestionamentos quando as células não têm espaço para se mover.
As caderinas precisam de íons de cálcio para completar suas conexões, então Shim cultivou as células com diferentes quantidades de cálcio e mediu sua resposta à estimulação elétrica. Ela viu que quanto menos cálcio as células tinham, mais fluidas elas se tornavam e mais rápido se moviam. “Foi muito rápido – fiquei muito surpreso”, disse Shim.
O cálcio tem muitos efeitos nos tecidos vivos, entretanto, Shim teve que confirmar que os apertos de mão eram os culpados pelo movimento lento. Ela cultivou células com um anticorpo que se liga às caderinas. Com os apertos de mão bloqueados, essas células se moviam mais rapidamente.
Depois de descobrir as regras básicas da adesividade celular, os pesquisadores desenvolveram uma solução para seu problema de células pegajosas. Shim desenvolveu uma camada de células da pele em uma solução de alto teor de cálcio para que elas fizessem suas conexões normais. Em seguida, ela tratou as células com uma substância química que agarra os íons de cálcio para interromper os apertos de mão celulares. Quando Shim baixou o nível de cálcio e aplicou o campo elétrico, as células se moveram sob comando. Finalmente, ela restaurou o alto nível de cálcio para restabelecer os apertos de mão, resultando em uma camada saudável e coesa de células da pele.
Para demonstrar que essa abordagem tem o potencial de acelerar a cura, Shim realizou o experimento acima usando um eletrobiorreator desenvolvido no laboratório de Cohen que simula o fechamento de uma ferida. Ao contrário de outros modelos de eletrotaxia em que o campo elétrico move as células em uma direção, seu novo sistema expõe as células a um campo elétrico focado no centro da lesão. Shim mostrou que os tecidos estimulados se uniram com sucesso, enquanto os não estimulados permaneceram amplamente separados. O grupo de Cohen descreveu seu eletrobiorreator em um novo artigo na Biosensors and Bioelectronics.
“Este estudo conciso e empolgante do laboratório de Cohen resulta em uma lição intuitiva, embora até então desconhecida: células que migram coletivamente seguem pistas direcionais mais prontamente se sua coesão mútua for mais fraca”, disse Alex Mogilner, professor de Matemática e Biologia da Universidade de Nova York que estuda a biofísica dos comportamentos coletivos e não esteve envolvida na pesquisa. “Este artigo não é apenas ciência básica, mas também tem implicações biomédicas de longo alcance … [Cohen] pergunta não apenas como as células fazem isso, mas também como podemos manipular as células e fazê-las funcionar melhor.”
Em seguida, Shim e Cohen planejam passar de seu modelo bidimensional para um modelo 3D. A pele humana, por exemplo, é composta de diferentes tecidos, como um bolo de camadas. Dependendo de como essas técnicas funcionam em um modelo de pele 3D, os resultados podem indicar se a mesma abordagem funcionará em feridas reais. Muitos tecidos usam apertos de mão de caderina para unir as células, mas existem outras maneiras de os tecidos permanecerem conectados.
Este trabalho pode ser aplicado não apenas para ajudar a cicatrizar feridas mais rapidamente, mas também para ajustar o processo de cicatrização para evitar tensões e reduzir cicatrizes.
“Começamos com essa abordagem agradável, calorosa e difusa para criar comportamentos de grupo dizendo, vamos ver o que o tecido quer fazer e nos harmonizar com isso. Acontece que isso é muito simples”, disse Cohen. “Às vezes, eles não querem ouvi-lo direito. Às vezes, você apenas tem que mudar as regras.”
Publicado em 02/09/2021 21h57
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