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Pesquisadores liderados pela Northwestern University criaram os primeiros neurônios altamente maduros a partir de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos (iPSCs), um feito que abre novas oportunidades para pesquisas médicas e possíveis terapias de transplante para doenças neurodegenerativas e lesões traumáticas.
Embora pesquisadores anteriores tenham diferenciado células-tronco para se tornarem neurônios, esses neurônios eram funcionalmente imaturos – lembrando neurônios de estágios embrionários ou pós-natais iniciais. A maturação limitada obtida com as técnicas atuais de cultura de células-tronco diminui seu potencial para estudos de neurodegeneração.
O estudo será publicado no dia 12 de janeiro, na revista Célula Célula Tronco.
Para criar os neurônios maduros, a equipe usou “moléculas dançantes”, uma técnica inovadora introduzida no ano passado pelo professor da Northwestern Samuel I. Stupp. A equipe primeiro diferenciou os iPSCs humanos em neurônios motores e corticais e depois os colocou em revestimentos de nanofibras sintéticas contendo as moléculas dançantes que se movem rapidamente.
Não apenas os neurônios enriquecidos estavam mais maduros, mas também demonstraram capacidades de sinalização aprimoradas e maior capacidade de ramificação, o que é necessário para que os neurônios façam contato sináptico uns com os outros. E, ao contrário dos neurônios típicos derivados de células-tronco que tendem a se agrupar, esses neurônios não se agregam, tornando-os menos difíceis de manter.
Com mais desenvolvimento, os pesquisadores acreditam que esses neurônios maduros podem ser transplantados para pacientes como uma terapia promissora para lesões da medula espinhal, bem como doenças neurodegenerativas, incluindo esclerose lateral amiotrófica (ALS), doença de Parkinson, doença de Alzheimer ou esclerose múltipla.
Os neurônios maduros também apresentam novas oportunidades para estudar doenças neurodegenerativas como ELA e outras doenças relacionadas à idade em modelos in vitro baseados em pratos de cultura. Ao avançar a idade dos neurônios em culturas celulares, os pesquisadores poderiam melhorar os experimentos para entender melhor as doenças de início tardio.
“Esta é a primeira vez que conseguimos desencadear a maturação funcional avançada de neurônios humanos derivados de iPSC, colocando-os em uma matriz sintética”, disse Evangelos Kiskinis, da Northwestern, coautor do estudo. “É importante porque há muitas aplicações que exigem que os pesquisadores usem populações purificadas de neurônios. A maioria dos laboratórios baseados em células-tronco usa neurônios de camundongos ou ratos co-cultivados com neurônios derivados de células-tronco humanas. Mas isso não permite que os cientistas investiguem o que acontece em neurônios humanos porque você acaba trabalhando com uma mistura de células de camundongos e humanas.”
“Quando você tem um iPSC que consegue transformar em um neurônio, será um neurônio jovem”, disse Stupp, co-autor correspondente do estudo. “Mas, para que seja útil no sentido terapêutico, você precisa de um neurônio maduro. Caso contrário, é como pedir a um bebê para realizar uma função que requer um ser humano adulto. Confirmamos que os neurônios revestidos com nossas nanofibras atingem mais maturidade do que outros métodos, e os neurônios maduros são mais capazes de estabelecer as conexões sinápticas que são fundamentais para a função neuronal.”
Kiskinis é professor assistente de neurologia e neurociência na Northwestern University Feinberg School of Medicine, investigador da New York Stem Cell Foundation-Robertson e membro do corpo docente do Les Turner ALS Center. Stupp é professor do Conselho de Curadores de Ciência e Engenharia de Materiais, Química, Medicina e Engenharia Biomédica na Northwestern, onde é diretor fundador do Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology (SQI) e seu centro de pesquisa afiliado, o Center for Regenerative Nanomedicina. Stupp tem nomeações na McCormick School of Engineering, Weinberg College of Arts and Sciences e Feinberg School of Medicine.
Habilidades de ‘dança’ sincronizadas
Para desenvolver os neurônios maduros, os pesquisadores usaram nanofibras compostas de “moléculas dançantes”, um material que o laboratório de Stupp desenvolveu como potencial tratamento para lesões agudas na medula espinhal. Em pesquisas anteriores publicadas na revista Science, Stupp descobriu como sintonizar o movimento das moléculas, para que elas possam encontrar e se envolver adequadamente com receptores celulares em constante movimento. Ao imitar o movimento de moléculas biológicas, os materiais sintéticos podem se comunicar com as células.
Uma inovação chave da pesquisa de Stupp foi descobrir como controlar o movimento coletivo de mais de 100.000 moléculas dentro das nanofibras. Como os receptores celulares no corpo humano podem se mover em taxas rápidas – às vezes em escalas de milissegundos – eles se tornam alvos móveis difíceis de atingir.
“Imagine dividir um segundo em 1.000 períodos de tempo”, disse Stupp. “Essa é a velocidade com que os receptores podem se mover. Essas escalas de tempo são tão rápidas que são difíceis de entender.”
No novo estudo, Stupp e Kiskinis descobriram que as nanofibras ajustadas para conter moléculas com mais movimento levaram aos neurônios mais aprimorados. Em outras palavras, os neurônios cultivados em revestimentos mais dinâmicos – essencialmente andaimes compostos por muitas nanofibras – também foram os neurônios que se tornaram os mais maduros, menos propensos a se agregar e tinham capacidades de sinalização mais intensas.
“A razão pela qual pensamos que isso funciona é porque os receptores se movem muito rápido na membrana celular e as moléculas sinalizadoras de nossos andaimes também se movem muito rápido”, disse Stupp. “É mais provável que eles estejam sincronizados. Se dois dançarinos não estão sincronizados, o emparelhamento não funciona. Os receptores são ativados pelos sinais por meio de encontros espaciais muito específicos. Também é possível que nossas moléculas em movimento rápido melhorem o receptor movimento, que por sua vez ajuda a agrupá-los para beneficiar a sinalização.”
Neurônios com assinatura ALS fornecem nova janela para a doença
Stupp e Kiskinis acreditam que seus neurônios maduros fornecerão informações sobre doenças relacionadas ao envelhecimento e se tornarão melhores candidatos para testar várias terapias medicamentosas em culturas celulares. Usando as moléculas dançantes, os pesquisadores conseguiram avançar os neurônios humanos para idades muito mais antigas do que era possível anteriormente, permitindo que os cientistas estudassem o aparecimento de doenças neurodegenerativas.
Como parte da pesquisa, Kiskinis e sua equipe pegaram células da pele de um paciente com ELA e as converteram em iPSCs específicas do paciente. Em seguida, eles diferenciaram essas células-tronco em neurônios motores, que é o tipo de célula acometida nessa doença neurodegenerativa. Finalmente, os pesquisadores cultivaram neurônios nos novos materiais de revestimento sintético para desenvolver ainda mais as assinaturas ALS. Isso não apenas deu a Kiskinis uma nova janela para a ELA, mas esses “neurônios da ELA” também poderiam ser usados para testar possíveis terapias.
“Pela primeira vez, fomos capazes de ver a agregação de proteínas neurológicas de início adulto nos neurônios motores de pacientes com ELA derivados de células-tronco. Isso representa um avanço para nós”, disse Kiskinis. “Não está claro como a agregação desencadeia a doença. É o que esperamos descobrir pela primeira vez.”
Esperanças para o futuro tratamento de lesões da medula espinhal, doenças neurodegenerativas
Mais adiante, neurônios maduros e aprimorados derivados de iPSC também podem ser transplantados para pacientes com lesões na medula espinhal ou doenças neurodegenerativas. Por exemplo, os médicos podem retirar células da pele de um paciente com ELA ou doença de Parkinson, convertê-las em iPSCs e depois cultivar essas células no revestimento para criar neurônios saudáveis e altamente funcionais.
Transplantar neurônios saudáveis em um paciente pode substituir neurônios danificados ou perdidos, restaurando potencialmente a cognição ou as sensações perdidas. E, como as células iniciais vieram do paciente, os novos neurônios derivados do iPSC combinariam geneticamente com o paciente, eliminando a possibilidade de rejeição.
“A terapia de reposição celular pode ser muito desafiadora para uma doença como a ELA, pois os neurônios motores transplantados na medula espinhal precisarão projetar seus axônios longos para os locais musculares apropriados na periferia, mas podem ser mais diretos para a doença de Parkinson”, disse Kiskinis. “De qualquer forma, esta tecnologia será transformadora.”
“É possível retirar células de um paciente, transformá-las em células-tronco e depois diferenciá-las em diferentes tipos de células”, disse Stupp. “Mas o rendimento dessas células tende a ser baixo, e atingir a maturação adequada é um grande problema. Poderíamos integrar nosso revestimento na fabricação em larga escala de neurônios derivados de pacientes para terapias de transplante de células sem rejeição imunológica.”
O estudo, “Artificial extracelular matrix andaimes de moléculas móveis aumentam a maturação de neurônios derivados de células-tronco humanas”, foi apoiado pelo Centro de Nanomedicina Regenerativa do Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology, National Institutes of Health (NIH) National Institute on Neurological Distúrbios e Derrame, NIH National Institute on Aging (número do prêmio R01NS104219), NIH National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineers (prêmio número 5R01EB003806), NIH National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases (prêmio número R01AR0727), Les Turner ALS Foundation , a New York Stem Cell Foundation, Departamento de Energia dos EUA (número do prêmio SC0001329) e a Paralyzed Veterans of America Research Foundation (número do prêmio PVA17RF0008).
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