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Os berçários dos hospitais colocam rotineiramente faixas macias ao redor dos pulsos minúsculos dos recém-nascidos que contêm informações importantes de identificação, como nome, sexo, mãe e data de nascimento. Pesquisadores da Universidade Rockefeller estão adotando a mesma abordagem com células cerebrais de recém-nascidos – mas esses neonatos manterão suas etiquetas de identificação por toda a vida, para que os cientistas possam acompanhar como crescem e amadurecem, como um meio de compreender melhor o processo de envelhecimento do cérebro.
Conforme descrito em um novo artigo em Célula, o novo método desenvolvido pelo geneticista Rockefeller Junyue Cao e seus colegas é chamado TrackerSci (pronuncia-se “céu”). Esta abordagem de baixo custo e alto rendimento já revelou que, embora as células recém-nascidas continuem a ser produzidas ao longo da vida, os tipos de células produzidas variam muito em diferentes idades. Este trabalho inovador, liderado pelos co-autores Ziyu Lu e Melissa Zhang do laboratório de Cao, promete influenciar não apenas o estudo do cérebro, mas também aspectos mais amplos do envelhecimento e das doenças em todo o corpo humano.
“A célula é a unidade funcional básica do nosso corpo, portanto, as mudanças na célula estão essencialmente subjacentes a praticamente todas as doenças e ao processo de envelhecimento”, diz Cao, chefe do Laboratório de Genômica Unicelular e Dinâmica Populacional. “Se conseguirmos caracterizar sistematicamente as diferentes células e a sua dinâmica utilizando esta nova técnica, poderemos obter uma visão panorâmica dos mecanismos de muitas doenças e do enigma do envelhecimento”.
Raro e poderoso
Novas células são produzidas continuamente no cérebro dos mamíferos adultos, um processo crítico associado à memória, aprendizagem e estresse. Eles se desenvolvem a partir de células progenitoras – descendentes de células-tronco adultas que se diferenciam em tipos de células especializadas.
O modo como esse processo se desenrola, no entanto, é em grande parte desconhecido, tanto por causa das limitações tecnológicas quanto pela raridade das células. Encontrar células progenitoras no cérebro é uma tarefa difícil; nos mamíferos, eles representam apenas 0,5% de todas as células cerebrais. Esse número cai para 0,1% em fases posteriores da vida – uma mudança descendente devido à instabilidade celular, uma característica central da doença e do envelhecimento.
Cao estuda como os tecidos e órgãos mantêm populações estáveis de células – uma marca registrada da saúde – então ele e sua equipe queriam investigar como diferentes populações celulares se desenvolvem e se essas células neuronais variadas diminuem da mesma maneira ou seguem caminhos diferentes. Acompanhar a expectativa de vida celular desde o nascimento até a maturidade revelaria não apenas diferenças, mas também quando elas apareceram.
Seu laboratório é especializado na otimização de métodos para sequenciamento unicelular, uma abordagem cada vez mais popular de análise que se concentra na expressão genética e na dinâmica molecular de células individuais. O grupo de Cao utiliza indexação combinatória, uma técnica sofisticada, porém econômica, que permite a análise simultânea de milhões de células. Este método marca exclusivamente moléculas celulares com códigos de barras distintos que se correlacionam com a montagem molecular única de cada célula. Com o TrackerSci, Cao e seus colegas aprimoraram ainda mais essa técnica. Este aprimoramento permite a marcação e o rastreamento meticulosos da dinâmica de células progenitoras raras em órgãos de mamíferos.
“É como um cartão de identificação e um rastreador GPS combinados”, diz Cao.
Mais jovem versus mais velho
Para o estudo atual, os pesquisadores analisaram mais de 10.000 células progenitoras recém-nascidas de cérebros inteiros de camundongos, abrangendo três idades (jovens, maduras e idosas), com uma molécula sintética conhecida como 5-etinil-2-desoxiuridina (EdU). À medida que estas células recém-nascidas se diferenciavam, proliferavam e se dispersavam, a EdU continuou a rotular o seu ADN, funcionando como um rastreador GPS. Esta técnica inovadora permitiu aos investigadores analisar dezenas de milhares de expressões genéticas e as paisagens da cromatina destas células recém-nascidas à medida que cresciam em famílias de tipos de células com diferentes funções moleculares.
“Conseguimos quantificar a proliferação celular e as taxas de diferenciação de muitos tipos de células em todo o cérebro numa única experiência, o que não era possível utilizando abordagens convencionais”, diz Cao. “Eles capturam apenas informações estáticas – o estado molecular atual de uma célula em um único momento. Mas o TrackerSci captura informações dinâmicas ao longo do tempo. É como se outros métodos tirassem fotos e nós filmássemos.”
Alguns personagens claros – e surpreendentes – surgiram desses filmes. O mais surpreendente é que ocorreram mudanças radicais no tipo de células geradas, dependendo da idade do camundongo.
Por exemplo, o número de progenitores que se tornam neurônios, as células comunicativas essenciais do cérebro, é maior em cérebros jovens. O mesmo acontece com uma série de células gliais, que criam um ambiente estável para os neurônios, envolvendo-os, fornecendo nutrientes e defendendo-os contra patógenos – todos importantes para um órgão jovem e ainda em desenvolvimento.
O oposto é verdadeiro no cérebro dos idosos. As células progenitoras raramente se tornam neurônios ou células gliais; na verdade, praticamente todo tipo de célula cerebral despenca. A maior parte perdida são os neuroblastos do giro denteado, essenciais para a criação de neurônios no hipocampo, região ligada à memória e a doenças como o Alzheimer. Em comparação com o cérebro adulto, o número destas células cai 16 vezes no cérebro idoso.
Em vez disso, células imunológicas e microglia, uma espécie de macrófago, proliferam no cérebro envelhecido. Mas em vez de protegerem o cérebro, convertem-se num estado celular inflamatório específico do envelhecimento – e estas células são produzidas a uma taxa mais elevada. Em suma, o cérebro envelhecido cria mais células que criam mais problemas para o cérebro envelhecido.
A ciência é o limite
Cao diz que o TrackerSci poderia ser usado para rastrear a capacidade regenerativa de muitos órgãos.
“Não somos um laboratório cerebral”, observa ele. “Também testamos o protocolo para traçar o perfil de células progenitoras no pulmão, cólon, pâncreas e muitos órgãos diferentes”.
Outros órgãos têm proporções muito maiores de células progenitoras do que os cérebros; os progenitores recém-nascidos representam mais de 20% das células do cólon, por exemplo. Há alguns anos, Cao demonstrou o potencial para analisar a dinâmica da população celular no desenvolvimento fetal humano, criando um atlas celular usando um método de indexação combinatória semelhante.
TrackerSci é uma das várias técnicas de sequenciamento único que surgiram recentemente no laboratório de Cao. Outro, chamado PerturbSci-Kinetics, desenvolvido pelo estudante de graduação Zihan Xu, decodifica a rede reguladora de todo o genoma que fundamenta a dinâmica temporal do RNA, acoplando genômica unicelular escalonável com perturbações genéticas de alto rendimento, ou manipulações que podem influenciar a função genética. O método foi descrito recentemente em um artigo em Biotecnologia da Natureza.
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