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Quando estamos dirigindo para um novo destino, muitas vezes abaixamos o volume do som enquanto seguimos as instruções. O que era música de repente soa como ruído e interfere em nosso foco.
Nossa compreensão de como doenças infecciosas como o COVID afetam os pulmões humanos foi igualmente confundida pelo ruído. Os dados dos tecidos pulmonares dos pacientes variam muito de pessoa para pessoa, obscurecendo os mecanismos básicos de como, exatamente, o SARS-Co-V2 infecta as células pulmonares pela primeira vez. É também uma análise posterior – como se estivéssemos tentando mapear a rota que o vírus tomou três estados de volta.
Reduzir o ruído da variabilidade ao estudar tecidos geneticamente idênticos desde o primeiro momento da infecção pode iluminar o caminho que o patógeno segue. Quais células estão infectadas e quando? Qual é o nível de infecção e como ele difere dependendo do tipo de célula? Como ele muda em diferentes condições?
E se fosse possível rastrear milhares dessas infecções de uma só vez? Isso pode revolucionar nossa compreensão das infecções e dos tratamentos medicamentosos usados para combatê-las.
Essa é a esperança de uma nova tecnologia avançada capaz de cultivar mini órgãos em microchips. Os laboratórios de Ali Brivanlou e Charles M. Rice, da Rockefeller, colaboraram para refinar uma plataforma de tecnologia de cultura de células que desenvolve brotos pulmonares geneticamente idênticos – as estruturas embrionárias que dão origem aos nossos órgãos respiratórios – a partir de células-tronco embrionárias humanas (hESCs). Suas descobertas foram publicadas recentemente em Relatórios de células-tronco.
Quando colocados em uma série de microchips e cuidadosamente dosados com um coquetel personalizado de moléculas de sinalização, os hESCs rapidamente se organizam em “micropulmões” que possuem toda a complexidade do tecido. Esses brotos podem ser cultivados aos milhares, permitindo uma análise de alto rendimento sem precedentes da infecção do tecido pulmonar sem todas as variáveis barulhentas.
O resultado é um acesso ilimitado, rápido e escalável ao tecido pulmonar que possui as principais características do desenvolvimento do pulmão humano e pode ser usado para rastrear infecções pulmonares e identificar terapêuticas candidatas.
“Esses pulmões são basicamente clones”, diz Ali Brivanlou. “Eles têm exatamente a mesma assinatura de DNA. Dessa forma, não precisamos nos preocupar com um paciente respondendo de maneira diferente do outro. A quantificação nos permite manter a informação genética constante e medir a variável-chave – o vírus”.
Construindo um mini pulmão melhor
As células-tronco embrionárias são as células-U do corpo humano. Eles podem se dividir infinitamente para criar mais células-tronco ou se diferenciar em qualquer outro tecido. O Laboratório de Biologia Sintética de Brivanlou há muito explora seu potencial.
Brivanlou uniu forças com o colega de Rockefeller Charles M. Rice durante a pandemia de COVID: seu laboratório tinha a tecnologia de microchip para cultivar brotos pulmonares, e o laboratório de Rice tinha a autorização de biossegurança necessária para infectá-los com SARS-Co-V2 e estudar o resultado.
Em 2021, os primeiros autores Edwin Rosado-Olivieri, biólogo de células-tronco no laboratório de Brivanlou, e Brandon Razooky, então pós-doutorado no Laboratório de Virologia e Doenças Infecciosas de Rice, começaram a persuadir as células a se organizarem em formas mais especializadas. As células-tronco não se organizam sozinhas. Eles precisam de um espaço confinado – como um poço de microchip – e estímulos para provocar mudanças. Os estímulos vêm de quatro vias principais de sinalização que induzem as células-tronco a se diferenciarem em tipos específicos de células.
Após cerca de duas semanas, as células pulmonares do grupo formaram brotos idênticos cujos perfis moleculares correspondiam aos observados nos estágios iniciais do desenvolvimento pulmonar fetal – incluindo a formação de vias aéreas e alvéolos, estruturas conhecidas por serem danificadas em muitas pessoas com COVID grave.
Identificando um culpado-chave
Desde então, eles usaram a plataforma para entender como o SARS-Co-V2 infecta diferentes células pulmonares.
Os alvéolos são pequenos sacos no final dos ramos pulmonares que gerenciam as trocas gasosas realizadas a cada respiração: oxigênio para dentro, dióxido de carbono para fora. Ao estudar as células alvéolos clonadas em massa, os pesquisadores descobriram que os alvéolos eram mais suscetíveis à infecção por SARS-Co-V-2 do que as células das vias aéreas, que são as guardiãs do órgão – a primeira defesa contra todas as ameaças inaladas. Se o vírus passasse por eles, os alvéolos seriam alvos fáceis.
Outra visão de partículas de vírus (azul) infectando tecidos alveolares e das vias aéreas (vermelho).
Eles também encontraram uma combinação vencedora de proteínas de sinalização para criar os lotes mais robustos de brotos pulmonares – uma mistura de fator de crescimento de queratinócitos (KGF) e proteína morfogenética óssea 4 (BMP4). Ambos contribuem para a diferenciação e crescimento celular.
Curiosamente, a via BMP tem uma desvantagem. Quando compararam brotos pulmonares infectados com tecidos pós-morte de pacientes com COVID, eles descobriram que a via de sinalização BMP foi induzida em ambos e tornou os tecidos mais vulneráveis à infecção. O bloqueio da via BMP tornou as células menos vulneráveis.
Além do COVID
Os pesquisadores observam que a plataforma também pode ser usada para investigar os mecanismos da gripe, VSR, doenças pulmonares e câncer de pulmão, entre outras doenças. Além disso, pode ser usado para rastrear novos medicamentos para tratá-los.
E os pulmões estão longe de ser o único órgão de interesse. “O foco mais amplo do nosso trabalho é entender o desenvolvimento celular para fazer órgãos e tecidos sintéticos que podemos usar para modelar doenças e encontrar mecanismos terapêuticos”, diz Rosado-Olivieri. O fígado, rim e pâncreas são os próximos alvos prováveis.
“A plataforma também nos permitirá responder à próxima pandemia com muito mais velocidade e precisão”, acrescenta Brivanlou. “Podemos capitalizar rapidamente esta plataforma para tornar um vírus visível e desenvolver terapias muito mais rapidamente do que fizemos para o COVID. Ele pode ser usado para rastrear medicamentos, compostos, vacinas, anticorpos monoclonais e mais diretamente no tecido humano. prontos para enfrentar todos os tipos de ameaças que possam nos atingir no futuro.”
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