O cérebro humano é provavelmente o órgão mais complexo em todo o mundo vivo e tem sido objeto de fascínio para os pesquisadores. No entanto, estudar o cérebro, e principalmente os genes e interruptores moleculares que regulam e direcionam seu desenvolvimento, não é tarefa fácil.
Até o momento, os cientistas continuaram usando modelos animais, principalmente camundongos, mas suas descobertas não podem ser transferidas diretamente para humanos. O cérebro de um camundongo é estruturado de forma diferente e não possui a superfície sulcada típica do cérebro humano. Até agora, as culturas de células têm sido de valor limitado neste campo, pois as células tendem a se espalhar por uma grande área quando cultivadas em uma placa de cultura; isso não corresponde à estrutura tridimensional natural do cérebro.
Mapeamento de impressões digitais moleculares
Um grupo de pesquisadores liderados por Barbara Treutlein, professora de ETH do Departamento de Ciência e Engenharia de Biossistemas da Basileia, agora adotou uma nova abordagem para estudar o desenvolvimento do cérebro humano: eles estão crescendo e usando organoides – tridimensionais de tamanho milimétrico. tecidos que podem ser cultivados a partir do que é conhecido como células-tronco pluripotentes.
Desde que essas células-tronco recebam o estímulo certo, os pesquisadores podem programá-las para se tornarem qualquer tipo de célula presente no corpo, incluindo neurônios. Quando as células-tronco são agregadas em uma pequena bola de tecido e depois expostas ao estímulo apropriado, elas podem até se auto-organizar e formar um organoide cerebral tridimensional com uma arquitetura de tecido complexa.
Em um novo estudo publicado na Nature, Treutlein e seus colegas agora estudaram milhares de células individuais dentro de um organoide cerebral em vários momentos e em grande detalhe. Seu objetivo era caracterizar as células em termos genético-moleculares: em outras palavras, a totalidade de todos os transcritos de genes (transcriptoma) como medida de expressão gênica, mas também a acessibilidade do genoma como medida de atividade regulatória. Eles conseguiram representar esses dados como uma espécie de mapa mostrando a impressão digital molecular de cada célula dentro do organoide.
No entanto, esse procedimento gera imensos conjuntos de dados: cada célula do organoide tem 20.000 genes e cada organoide, por sua vez, consiste em muitos milhares de células. “Isso resulta em uma matriz gigantesca, e a única maneira de resolvê-la é com a ajuda de programas adequados e machine learning”, explica Jonas Fleck, estudante de doutorado do grupo de Treutlein e um dos co-autores do estudo.
Para analisar todos esses dados e prever mecanismos de regulação gênica, os pesquisadores desenvolveram seu próprio programa. “Podemos usá-lo para gerar uma rede de interação inteira para cada gene individual e prever o que acontecerá em células reais quando esse gene falhar”, diz Fleck.
Identificando interruptores genéticos
O objetivo deste estudo foi identificar sistematicamente os interruptores genéticos que têm um impacto significativo no desenvolvimento de neurônios nas diferentes regiões dos organoides cerebrais.
Com a ajuda de um sistema CRISPR-Cas9, os pesquisadores da ETH desligaram seletivamente um gene em cada célula, ao todo cerca de duas dúzias de genes simultaneamente em todo o organoide. Isso permitiu que eles descobrissem qual o papel dos respectivos genes no desenvolvimento do organoide cerebral.
“Esta técnica pode ser usada para rastrear genes envolvidos em doenças. Além disso, podemos observar o efeito que esses genes têm sobre como as diferentes células dentro do organoide se desenvolvem”, explica Sophie Jansen, também doutoranda do grupo de Treutlein e segunda co-autora principal do estudo.
Verificando a formação de padrões no prosencéfalo
Para testar sua teoria, os pesquisadores escolheram o gene GLI3 como exemplo. Esse gene é o modelo para o fator de transcrição de mesmo nome, uma proteína que se acopla em determinados locais do DNA para regular outro gene. Quando o GLI3 é desligado, a maquinaria celular é impedida de ler esse gene e transcrevê-lo em uma molécula de RNA.
Em camundongos, mutações no gene GLI3 podem levar a malformações no sistema nervoso central. Seu papel no desenvolvimento neuronal humano era inexplorado anteriormente, mas sabe-se que mutações no gene levam a doenças como a cefalopolissindactilia de Greig e a Síndrome de Pallister Hall.
Silenciar esse gene GLI3 permitiu que os pesquisadores verificassem suas previsões teóricas e determinassem diretamente na cultura de células como a perda desse gene afetou o desenvolvimento do organoide cerebral. “Nós mostramos pela primeira vez que o gene GLI3 está envolvido na formação de padrões do cérebro anterior em humanos. Isso já havia sido mostrado apenas em camundongos”, diz Treutlein.
Os sistemas modelo refletem a biologia do desenvolvimento
“O interessante dessa pesquisa é que ela permite que você use dados de todo o genoma de tantas células individuais para postular quais papéis os genes individuais desempenham”, explica ela. “O que é igualmente empolgante na minha opinião é que esses sistemas modelo feitos em uma placa de Petri realmente refletem a biologia do desenvolvimento como a conhecemos dos camundongos”.
Treutlein também acha fascinante como o meio de cultura pode dar origem a tecidos auto-organizados com estruturas comparáveis às do cérebro humano – não apenas no nível morfológico, mas também (como os pesquisadores mostraram em seu último estudo) no nível de regulação genética e formação de padrões. “Organoides como este são realmente uma excelente maneira de estudar a biologia do desenvolvimento humano”, ressalta ela.
Organoides cerebrais versáteis
A pesquisa sobre organoides feitos de material de células humanas tem a vantagem de que as descobertas são transferíveis para humanos. Eles podem ser usados para estudar não apenas a biologia básica do desenvolvimento, mas também o papel dos genes em doenças ou distúrbios cerebrais do desenvolvimento. Por exemplo, Treutlein e seus colegas estão trabalhando com organoides desse tipo para investigar a causa genética do autismo e da heterotopia; neste último, os neurônios aparecem fora de sua localização anatômica habitual no córtex cerebral.
Os organoides também podem ser usados para testar drogas e, possivelmente, para cultivar órgãos ou partes de órgãos transplantáveis. Treutlein confirma que a indústria farmacêutica está muito interessada nessas culturas de células.
No entanto, o cultivo de organoides leva tempo e esforço. Além disso, cada aglomerado de células se desenvolve individualmente, e não de maneira padronizada. É por isso que Treutlein e sua equipe estão trabalhando para melhorar os organoides e automatizar seu processo de fabricação.
Publicado em 10/10/2022 00h31
Artigo original:
Estudo original: