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Engenheiros biomédicos da Duke University desenvolveram uma nova técnica para melhor compreender e testar tratamentos para um grupo de distúrbios musculares extremamente raros chamados disferlinopatia ou distrofias musculares das cinturas 2B (LGMD2B). A abordagem desenvolve tecido muscular 3D complexo e funcional a partir de células-tronco em laboratório, criando uma plataforma que replica os sintomas do paciente e as respostas ao tratamento.
No seu estudo de estreia, os investigadores revelam alguns dos mecanismos biológicos subjacentes à perda característica de mobilidade causada pelo LGMD2B. Eles também demonstram que uma combinação de tratamentos existentes pode aliviar alguns dos piores sintomas da doença.
Os resultados aparecem online em 18 de junho na revista Ciência Avançada.
LGMD2B afeta apenas cerca de oito pessoas por milhão em todo o mundo. Ao contrário da distrofia muscular de Duchenne, mais conhecida e comum, a doença afeta homens e mulheres, apresenta-se mais tarde na vida – no final da adolescência ou início dos 20 anos – e raramente é fatal. No entanto, os pacientes LGMD2B desenvolvem fraqueza grave nas pernas e ombros, normalmente exigindo que usem cadeiras de rodas pelo resto da vida.
Causada por uma doença genética, a LGMD2B impede o corpo de criar uma forma totalmente funcional de uma proteína chamada disferlina. Atualmente não existem tratamentos ou curas aprovados. Parte da razão para esta falta de opções são as muitas funções da disferlina, incluindo selar buracos nas membranas musculares, regular o equilíbrio de cálcio necessário para a contração muscular e controlar o metabolismo celular. E por razões desconhecidas, os músculos afetados inicialmente acumulam gordura dentro das próprias fibras musculares antes de degenerarem e, finalmente, serem substituídos por células adiposas.
“Este fenômeno é muito raro mesmo nas distrofias musculares”, disse Nenad Bursac, professor de engenharia biomédica da Duke. “É uma questão candente dentro da comunidade por que isso acontece.”
Um dos desafios enfrentados pelos pesquisadores que tentam resolver esses problemas é que o modelo de camundongo usado para aproximar o LGMD2B apresenta sintomas muito leves em comparação aos pacientes. Os ratos com a doença ainda são capazes de andar, e ela só se manifesta após quase um ano de vida, de dois anos, tornando os estudos da doença extremamente lentos. A disferlina é expressa em outros tipos de células, e os níveis sanguíneos de combustíveis metabólicos, como o colesterol, também são alterados em camundongos e pacientes. Juntos, isso complica a pesquisa LGMD2B, tornando difícil avaliar quais tipos de células são responsáveis pela doença e se as alterações metabólicas são devidas à perda da própria disferlina ou a efeitos no corpo inteiro.
Para contornar esses desafios, Bursac e seu cientista pesquisador Alastair Khodabukus recorreram a uma plataforma muscular projetada que vêm desenvolvendo há quase uma década. O Laboratório Bursac foi o primeiro a cultivar músculo esquelético humano funcional e contraído em uma placa de Petri e tem aprimorado seus processos desde então para permitir estudos de força, metabolismo e reparo muscular. Este sistema permitiu-lhes concentrar o seu estudo apenas nos efeitos da disferlina no músculo esquelético, sem as complicações de outros tipos de células ou perfis alterados de metabolitos sanguíneos.
No estudo, os pesquisadores começaram com células-tronco pluripotentes induzidas (IPSCs) derivadas de pacientes que vivem com LGMD, fornecidas pela The Jain Foundation, uma instituição de caridade focada em encontrar uma cura para LGMD2B. Usando suas técnicas de crescimento muscular, o laboratório amadureceu essas células-tronco em fibras musculares e as submeteu a uma bateria de testes ao longo de seis semanas.
Tal como os músculos encontrados nos próprios pacientes, as versões cultivadas em laboratório apresentavam uma grande variedade de problemas.
“No geral, nosso modelo repetiu muitas das manifestações clínicas da doença e das observações feitas em pacientes reais, mas tudo foi feito em uma placa de Petri”, disse Bursac. “Conseguimos obter novos insights sobre os aspectos específicos dos músculos da doença.”
Os pesquisadores descobriram que a perda de força muscular não era resultado de deficiências na estrutura ou tamanho muscular, mas na manipulação do cálcio. As contrações musculares são causadas fisicamente pela liberação de reservatórios de cálcio nas células musculares e pela ligação às proteínas musculares. Os testes mostraram que as células musculares doentes apresentavam vazamentos em suas reservas de cálcio, resultando em menos liberação de cálcio e contrações mais fracas.
Os pesquisadores também mostraram que a falta de disferlina fazia com que os danos às células musculares não fossem reparados, e que a incapacidade de queimar ácidos graxos para a produção de energia era, pelo menos parcialmente, responsável pelo acúmulo de gordura nas fibras musculares, que há muito tempo confunde a ciência médica. comunidade.
“Replicamos algo observado em pacientes e mostramos que não se deve a fatores ambientais do corpo, mas a problemas do próprio músculo”, disse Khodabukus.
Os investigadores testaram então os efeitos de dois candidatos a medicamentos para potencialmente tratar a doença que foram identificados através de modelos de ratos, mas que ainda não foram testados em humanos. Um deles, chamado dantroleno, supostamente impede o vazamento de cálcio dos reservatórios das células musculares. O segundo, chamado vamorolona, foi recentemente aprovado para uso em pacientes com distrofia muscular de Duchenne, embora os pesquisadores não entendam completamente como funciona.
Juntos, os medicamentos impediram o vazamento de cálcio e ajudaram a reparação da membrana celular, restaurando grande parte da força dos músculos. E embora também tenham ajudado a reduzir a quantidade de gordura acumulada nos músculos, não a impediram totalmente, nem ajudaram os músculos a queimar gorduras de forma eficiente como combustível.
No futuro, o grupo está planejando adicionar células imunológicas e de gordura aos seus experimentos para maior complexidade. Eles também procuram compreender melhor as perturbações do metabolismo celular e encontrar novos medicamentos que restaurem totalmente toda a força, reparação e défice metabólico.
“Neste momento, temos um sistema básico apenas muscular, o que é óptimo para ver os efeitos da doença dentro do próprio músculo, mas o que também é importante é a interferência entre células imunitárias, células adiposas e células musculares”, disse Khodabukus. “Ao desenvolvermos mais o nosso sistema, esperamos ser capazes de descobrir completamente o que está a provocar a perda de músculo e a sua substituição por gordura nestes pacientes”.
Esta pesquisa foi apoiada pelos Institutos Nacionais de Saúde (UG3TR002142, U01EB028901, R01AR070543, R01AR079223, R01ARO82979, R21AR078269, UH3TR002142) e pela Fundação Jain.
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