Dos tubos lisos de nossas artérias e veias às bolsas texturizadas de nossos órgãos internos, nossos corpos são feitos de tecidos dispostos em formas complexas que auxiliam no desempenho de funções específicas.
Mas como as células se dobram com tanta precisão em configurações tão complicadas durante o desenvolvimento? Quais são as forças fundamentais que impulsionam esse processo?
Agora, pesquisadores da Harvard Medical School descobriram um processo mecânico pelo qual camadas de células se transformam em delicados canais semicirculares do ouvido interno.
Publicada em 22 de dezembro na Cell, a pesquisa, feita em peixe-zebra, revela que o processo envolve uma combinação de ácido hialurônico, produzido pelas células, que incha com a água, e conectores finos entre as células que direcionam a força desse inchaço para moldar o tecido .
Embora conduzido em peixe-zebra, o trabalho revela um mecanismo básico de como os tecidos assumem formas – um mecanismo que provavelmente será conservado em vertebrados, dizem os pesquisadores, e também pode ter implicações para a bioengenharia.
Um modelo de transparência
O autor sênior do estudo Sean Megason, professor de biologia de sistemas no Instituto Blavatnik em HMS, e sua equipe estudam como as células se desenvolvem em estruturas tridimensionais complexas. Para responder a essa questão, eles se voltaram para um organismo modelo clássico – e ideal: o peixe-zebra.
“Eles são transparentes, então apenas os colocamos sob um microscópio e observamos todo o processo de uma única célula a uma larva que pode nadar e tem todas as suas partes”, explicou o primeiro autor do estudo, Akankshi Munjal, que conduziu a pesquisa como um pesquisador de pós-doutorado no HMS e agora é professor assistente de biologia celular na Duke University.
Essas partes incluem os canais semicirculares, três tubos cheios de fluido no ouvido interno que são necessários para o equilíbrio e orientação no espaço. Pouco se sabe sobre como os canais semicirculares se formam, em parte porque em muitas espécies eles são obscurecidos pelo ouvido médio e externo. No peixe-zebra, no entanto, os canais ficam próximos à superfície, permitindo aos pesquisadores observá-los se desenvolverem em um microscópio.
“Esta foi uma oportunidade empolgante para observarmos como um órgão tridimensional se forma a partir de uma simples camada de células”, disse Munjal. “Poderíamos olhar para o ouvido interno do embrião com total acessibilidade.”
“O ouvido interno é um modelo de como as células trabalham juntas para formar estruturas complexas que são necessárias para o funcionamento dos organismos”, acrescentou Megason. “Entramos pensando que era uma bela estrutura, mas sem saber o que encontraríamos.”
O que eles encontraram os surpreendeu.
O pensamento convencional é que as proteínas actina e miosina atuam como minúsculos motores dentro das células, empurrando e puxando-as em diferentes direções para dobrar um tecido em uma forma específica. No entanto, os pesquisadores descobriram que os canais semicirculares do peixe-zebra se formam por meio de um processo marcadamente diferente. Durante o desenvolvimento, as células produzem ácido hialurônico, que talvez seja mais conhecido como um agente anti-rugas em produtos de beleza. Uma vez na matriz extracelular, o ácido incha, não muito diferente de uma fralda em uma piscina. Esse inchaço cria força suficiente para mover fisicamente as células próximas, mas como a pressão é a mesma em todas as direções, os pesquisadores se perguntaram como o tecido acaba se esticando em uma direção e não em outra para formar uma forma alongada. A equipe descobriu que isso é realizado por conectores finos entre as células – chamados de citocinas – que restringem a força.
“É como se você colocasse um espartilho em um balão de água e deformá-lo em uma estrutura oblonga”, disse Munjal. Esta combinação de inchaço e aperto progressivamente molda uma lâmina inicialmente plana de células em tubos.
“Nosso trabalho mostra uma nova maneira de fazer as coisas”, disse Megason, acrescentando que espera que isso encoraje as pessoas a considerarem mecanismos adicionais que podem estar envolvidos na formação dos tecidos. “As células precisam usar muitas forças diferentes para realizar o que precisam, e o tempo dirá exatamente qual é o equilíbrio entre as abordagens moleculares da actina e miosina e as abordagens mais físicas da pressão.”
A descoberta deles provavelmente tem implicações mais amplas, acrescentaram Megason e Munjal.
Os genes que controlam a produção de ácido hialurônico nos canais semicirculares do peixe-zebra também estão presentes nos canais semicirculares de mamíferos, sugerindo que um processo semelhante pode estar ocorrendo. Além disso, o ácido hialurônico é encontrado em várias partes do corpo humano, incluindo pele e articulações, indicando que pode desempenhar um papel na formação de muitos tecidos e órgãos – um caminho para pesquisas futuras.
Se for esse o caso, o estudo dos genes envolvidos na produção de ácido hialurônico pode ajudar os pesquisadores a entender os defeitos congênitos em órgãos onde o ácido hialurônico impulsiona o desenvolvimento.
“É provável que este seja um mecanismo amplamente difundido e conservado entre as espécies e órgãos”, disse Munjal.
O mecanismo também pode ser aplicado à bioengenharia, onde os pesquisadores estão tentando estimular as células-tronco a formarem botões, tubos e outras formas complicadas, com o objetivo final de cultivar órgãos em laboratório.
Órgãos cultivados em laboratório ainda são um trabalho em andamento, observou Megason, mas uma etapa importante será analisar como os órgãos se formam dentro de um organismo. “Estamos tentando dissecar as etapas de como um órgão complexo como o ouvido interno é feito in vivo e, em seguida, compreender quantitativamente essas etapas”, disse Megason. “Esperamos que isso estabeleça a base fundamental para que as células cresçam em qualquer padrão e formato que quisermos.”
Publicado em 24/12/2021 10h58
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