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Engenheiros biomédicos da Duke University desenvolveram uma membrana ultrafina à base de seda que pode ser usada em modelos de órgão em um chip para imitar melhor o ambiente natural das células e tecidos do corpo. Quando usada em uma plataforma renal de órgão em um chip, a membrana ajudou os tecidos a crescer para recriar a funcionalidade de rins saudáveis e doentes.
Ao permitir que as células cresçam mais próximas umas das outras, esta nova membrana ajuda os investigadores a controlar melhor o crescimento e a função das principais células e tecidos de qualquer órgão, permitindo-lhes modelar com mais precisão uma vasta gama de doenças e testar terapêuticas.
A pesquisa aparece em 4 de junho na revista Avanços da Ciência.
Muitas vezes não maiores que uma unidade flash USB, os sistemas organ-on-a-chip (OOC) revolucionaram a forma como os pesquisadores estudam a biologia subjacente do corpo humano, seja criando modelos dinâmicos de estruturas de tecidos, estudando funções de órgãos ou modelando doenças. Essas plataformas são projetadas para estimular o crescimento e a diferenciação celular de uma forma que melhor imite o órgão de interesse. Os pesquisadores podem até preencher essas ferramentas com células-tronco humanas para gerar modelos de órgãos específicos do paciente para estudos pré-clínicos.
Mas à medida que a tecnologia evoluiu, também surgiram problemas no design do chip – principalmente com os materiais utilizados para criar as membranas que formam a estrutura de suporte para o crescimento das células especializadas. Estas membranas são normalmente compostas de polímeros que não se degradam, criando uma barreira permanente entre células e tecidos. Embora as membranas extracelulares nos órgãos humanos tenham frequentemente menos de um mícron de espessura, estas membranas poliméricas têm entre 30 e 50 mícrons, dificultando a comunicação entre as células e limitando o crescimento celular.
“Queremos manusear os tecidos nesses chips da mesma forma que um patologista manipularia amostras de biópsia ou mesmo tecidos vivos de um paciente, mas isso não foi possível com as membranas poliméricas padrão porque a espessura extra impedia que as células formassem estruturas que se aproximassem mais assemelham-se aos tecidos do corpo humano”, disse Samira Musah, professora assistente de engenharia biomédica e medicina na Duke. “Pensamos: ‘Não seria bom se pudéssemos obter um material à base de proteínas que imitasse a estrutura dessas membranas naturais e fosse fino o suficiente para sermos fatiados e estudados?’”
Esta questão levou Musah e George (Xingrui) Mou, um estudante de doutoramento no laboratório de Musah e primeiro autor do artigo, à fibroína da seda, uma proteína criada pelos bichos-da-seda que pode ser eletronicamente transformada numa membrana. Quando examinada ao microscópio, a fibroína da seda parece espaguete ou uma pintura de Jackson Pollock. Feito de fibras longas e entrelaçadas, o material poroso imita melhor a estrutura da matriz extracelular encontrada em órgãos humanos e já foi usado para criar estruturas para fins como a cicatrização de feridas.
“A fibroína da seda permitiu-nos reduzir a espessura da membrana de 50 mícrons para cinco ou menos, o que nos aproxima uma ordem de grandeza do que veríamos num organismo vivo”, explicou Mao.
Para testar esta nova membrana, Musah e Mao aplicaram o material em seus modelos de chips renais. Feita de plástico transparente e com aproximadamente o tamanho de uma moeda, esta plataforma OOC foi projetada para se assemelhar a uma seção transversal de um rim humano – especificamente a parede capilar glomerular, uma estrutura-chave no órgão feita de aglomerados de vasos sanguíneos que é responsável pela filtragem do sangue.
Assim que a membrana foi colocada, a equipe adicionou derivados de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos ao chip. Eles observaram que essas células eram capazes de enviar sinais através da membrana ultrafina, o que ajudou as células a se diferenciarem em células glomerulares, podócitos e células endoteliais vasculares. A plataforma também desencadeou o desenvolvimento de fenestrações endoteliais no tecido em crescimento, que são orifícios que permitem a passagem de fluido entre as camadas celulares.
Ao final do teste, esses diferentes tipos de células renais haviam se reunido em uma parede capilar glomerular e podiam filtrar eficientemente as moléculas por tamanho.
“A capacidade do novo sistema de chip microfluídico de simular interfaces tecido-tecido semelhantes a in vivo e induzir a formação de células especializadas, como endotélio fenestrado e podócitos glomerulares maduros de células-tronco, possui um potencial significativo para avançar nossa compreensão do desenvolvimento de órgãos humanos, doenças progressão e desenvolvimento terapêutico”, disse Musah.
À medida que continuam a optimizar o seu modelo, Musah e colegas esperam utilizar esta tecnologia para compreender melhor os mecanismos por detrás das doenças renais. Apesar de afetar mais de 15% dos adultos americanos, os investigadores carecem de modelos eficazes para a doença. Os pacientes também muitas vezes não são diagnosticados até que os rins tenham sido substancialmente danificados e muitas vezes são obrigados a fazer diálise ou receber um transplante de rim.
“Usar esta plataforma para desenvolver modelos de doenças renais poderia nos ajudar a descobrir novos biomarcadores da doença”, disse Mao. “Isso também poderia ser usado para nos ajudar na triagem de candidatos a medicamentos para vários modelos de doenças renais. As possibilidades são muito animadoras”.
“Esta tecnologia tem implicações para todos os modelos de órgãos em um chip”, disse Musah. “Nossos tecidos são feitos de membranas e interfaces, então você pode imaginar o uso dessa membrana para melhorar modelos de outros órgãos, como o cérebro, o fígado e os pulmões, ou outras doenças. É aí que realmente reside o poder da nossa plataforma.”
Este trabalho foi apoiado por uma bolsa Whitehead em pesquisa biomédica, prêmio de pesquisa da cadeira do Departamento de Medicina da Duke University, MEDx Pilot Grant on Biomechanics in Injury or Injury Repair, Burroughs Wellcome Fund PDEP Career Transition Ad Hoc Award, Duke Incubation Fund do Duke Innovation & Entrepreneurship Initiative, Genetech Research Award, uma bolsa piloto do George M. O’Brien Kidney Center (P30 DK081943), uma bolsa para novos inovadores do diretor do NIH (DP2DK138544).
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