Alcançando uma melhor compreensão de como funciona a barreira hematoencefálica — Strong The One

Essa parede também é importante do ponto de vista médico, porque muitas doenças do sistema nervoso central estão ligadas a uma lesão na barreira hematoencefálica. Para descobrir como essa barreira funciona, os cientistas costumam realizar experimentos em animais vivos. Além de tais experimentos serem relativamente caros, as células animais podem fornecer apenas parte da imagem do que está acontecendo no corpo humano. Além disso, existem alguns críticos que questionam a validade básica dos testes em animais. Uma alternativa é basear os experimentos em células humanas cultivadas em laboratório.

Comunicação célula-célula amplamente negligenciada

O problema com muitos modelos in vitro é que eles recriam a barreira hematoencefálica de forma relativamente simplificada, usando células da parede dos vasos sanguíneos (células endoteliais). Esta abordagem falha em representar a estrutura complexa do sistema humano e desconsidera, por exemplo, a comunicação entre os vários tipos de células. Além disso, muitos desses modelos são estáticos. Em outras palavras, as células estão flutuando em uma suspensão que não está se movendo, o que implica que o fluxo de fluido ou o estresse de cisalhamento a que as células estão expostas no corpo não são considerados.

Também existem modelos in vitro dinâmicos que simulam condições de fluxo no corpo, mas o problema aqui é que as bombas necessárias tornam a configuração experimental bastante complicada. Juntamente com todos esses desafios, há o problema da medição: é praticamente impossível obter imagens de alta resolução de alterações estruturais na barreira hematoencefálica em tempo real e, ao mesmo tempo, medir a resistência elétrica da barreira, ambas as quais refletem a compacidade da barreira e aperto.

Matar vários pássaros com uma cajadada só

Se cada um desses desafios fosse um pássaro, a plataforma de Modena seria a proverbial pedra que mata todos eles. Trabalhando com Andreas Hierlemann, Modena e seus colegas passaram três anos e meio desenvolvendo o modelo de barreira hematoencefálica 3D microfluídica aberta.

Para recriar a barreira, a equipe de pesquisa pegou os tipos de células que compõem naturalmente a barreira hematoencefálica – células endoteliais microvasculares, astrócitos humanos e pericitos humanos – e os combinou em uma única plataforma. “Essa estratégia nos permitiu replicar quase totalmente a estrutura celular 3D encontrada no corpo humano”, diz Modena. “Mas o que é realmente excepcional é que podemos medir a permeabilidade da barreira enquanto mapeamos simultaneamente as mudanças morfológicas na barreira por meio de microscopia de lapso de tempo de alta resolução”. Para facilitar esse ato duplo, os pesquisadores depositaram eletrodos totalmente transparentes em lamelas de vidro em ambos os lados da barreira para medir sua permeabilidade, que se reflete na resistência elétrica através da barreira celular. Os eletrodos transparentes oferecem uma vantagem decisiva sobre outros tipos de eletrodos, que incluem filmes metálicos ou estruturas de arame que podem interferir na detecção óptica e na microscopia de alta resolução.

“Sem aumentar a complexidade”

Para imitar a forma como o fluido flui no corpo, os pesquisadores criaram a plataforma microfluídica com reservatórios de fluido em ambas as extremidades em uma espécie de gangorra. A gravidade então desencadeou o fluxo, que – por sua vez – gerou força de cisalhamento nas células. Hierlemann explica o benefício dessa configuração: “Como não estamos usando nenhuma bomba, podemos experimentar vários sistemas modelo simultaneamente, por exemplo, em uma incubadora, sem aumentar a complexidade da configuração.”

Em um estudo, publicado recentemente na revista ciência avançada, os pesquisadores apresentaram e testaram seu novo modelo in vitro de barreira hematoencefálica. Eles submeteram a barreira à privação de oxigênio-glicose, como acontece quando alguém está tendo um derrame. “Esses experimentos nos permitiram desencadear mudanças rápidas na barreira e demonstrar o potencial da plataforma”, diz Modena.

Por meio desse estudo, Modena e seus colegas puderam fazer mais do que mostrar que sua nova plataforma é adequada para fazer medições. Eles também descobriram que a resistência elétrica da barreira diminui antes mesmo de sofrer alterações morfológicas que a tornam mais permeável. “Esta descoberta pode ser relevante para pesquisas futuras”, diz Modena. A equipe também observou que em experimentos de controle usando um modelo in vitro estático, a barreira era mais permeável do que na nova configuração dinâmica. “Está claro que a força de cisalhamento, gerada pelo fluxo movido pela gravidade, promove a formação de uma camada de barreira mais densa, o que confirma a importância do fluxo para modelos in vitro representativos”, diz Modena.

Modena e Hierlemann acreditam que seu modelo facilitará a detecção de quais moléculas estabilizam a barreira, bem como a descoberta de compostos e métodos adequados para atravessá-la, o que seria útil no tratamento de tumores cerebrais. Mas Hierlemann observa que o modelo também pode mudar o curso da futura pesquisa in vitro: “A vantagem de nossa plataforma é que ela é muito fácil de se adaptar a outros modelos de células endoteliais, onde uma combinação de medições de estanqueidade de barreira e alta resolução a microscopia pode abrir caminho para novas pesquisas.” A indústria tem manifestado interesse no novo modelo. Uma empresa farmacêutica já está em contato com os pesquisadores.