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Uma equipe de engenheiros da UC Santa Cruz desenvolveu um novo método para automação remota do crescimento de organoides cerebrais – modelos tridimensionais em miniatura de tecido cerebral cultivado a partir de células-tronco. Os organoides cerebrais permitem que os pesquisadores estudem e criem funções-chave do cérebro humano com um nível de precisão que não é possível com outros modelos. Isso tem implicações para a compreensão do desenvolvimento do cérebro e dos efeitos de drogas farmacêuticas para o tratamento de câncer ou outras doenças.
Em um novo estudo publicado na revista Relatórios Científicos da Natureza, pesquisadores do grupo UCSC Braingeneers detalham seu sistema microfluídico automatizado e conectado à Internet, chamado “Autocultura”. O sistema fornece líquido de alimentação com precisão para organoides cerebrais individuais, a fim de otimizar seu crescimento sem a necessidade de interferência humana na cultura de tecidos.
Os organoides cerebrais requerem um alto nível de experiência e consistência para manter as condições precisas para o crescimento celular ao longo de semanas ou meses. O uso de um sistema automatizado, como demonstrado neste estudo, pode eliminar a perturbação no crescimento da cultura celular causada por interferência ou erro humano, fornecer resultados mais robustos e permitir que mais cientistas tenham acesso a oportunidades para conduzir pesquisas com modelos cerebrais humanos.
A autocultura também aborda a variação que surge no crescimento de organoides devido a problemas de “efeito de lote”, onde os organoides cultivados em momentos diferentes ou em laboratórios diferentes sob condições semelhantes podem variar apenas devido à complexidade de seu crescimento. O uso desse sistema uniforme e automatizado pode reduzir a variação e permitir que os pesquisadores comparem e validem melhor seus resultados.
“Um dos grandes desafios é que essas culturas não são muito reprodutíveis e, em parte, não é surpreendente porque são experimentos que duram meses. Você precisa trocar a mídia a cada dois dias e tentar tratar essas culturas de maneira uniforme, o que é extremamente desafiador. ”, disse Sofie Salama, professora interina de biologia molecular, celular e do desenvolvimento da UCSC e autora do estudo.
Design único
A autocultura usa um chip microfluídico projetado pelos pesquisadores, liderados pelo Professor Associado de Engenharia Elétrica e de Computação Mircea Teodorescu e pelo Ph.D. em Engenharia Biomolecular. estudante Spencer Seiler. Seus novos chips, criados a partir de um molde único de duas camadas, possuem pequenos poços e canais para fornecer quantidades mínimas de líquido ao organoide, o que permite aos cientistas ter um alto nível de controle sobre as concentrações de nutrientes e subprodutos. No geral, o sistema usa principalmente componentes de prateleira e de baixo custo, tornando-o acessível e modular.
“Uma característica nova e importante desta máquina é que, por um lado, ela agiliza o processo e garante que tudo seja muito consistente”, disse Teodorescu. “Por outro lado, é muito modular porque o sistema é controlado pelo computador, então existem diferentes partes do chip que são intercambiáveis e têm suas próprias vantagens – é um agente moderno.”
Como o sistema fornece um fluxo ininterrupto de líquido para os organoides, ele se assemelha mais às condições reais do cérebro, que é constantemente alimentado com nutrientes pelo sangue.
Ao contrário de outros métodos de crescimento de organoides, que cultivam as culturas juntas em um prato, o sistema Autoculture contém uma placa de cultura com 24 poços individuais, de modo que cada poço pode ser seu próprio experimento, no qual as culturas podem ser cultivadas independentemente e alimentadas com líquidos em concentrações variáveis e programáveis e tempos. Um sistema de imagem na incubadora permite que os pesquisadores monitorem remotamente o crescimento e a morfologia dos organoides.
“O prêmio do sistema é que cada organoide tem seu próprio microambiente pessoal para o qual o fluido flui para dentro e para fora”, disse Seiler. “Agora nós os separamos – isso seria muito trabalhoso para fazer à mão, mas é bom para uma máquina.”
Além disso, uma característica exclusiva do sistema é que o meio de alimentação para cada cultura individual pode ser retirado para análise a qualquer momento durante um experimento. Isso permite que os pesquisadores meçam dados de forma não invasiva, como níveis de pH e glicose, que podem ser importantes para monitorar o crescimento celular.
O sistema microfluídico está conectado à internet para permitir que os cientistas operem remotamente e recuperem dados em tempo real do sistema a qualquer momento, sem interromper a cultura. Outro artigo do grupo Braingeneers, publicado na revista Internet das Coisasmostra como o sistema Autoculture é um exemplo do poder de estender a internet das coisas para permitir experimentos controlados remotamente – uma necessidade que a pandemia tornou mais urgente.
Ao medir seus organoides cerebrais, os pesquisadores descobriram que as células-tronco cultivadas usando o sistema de autocultura não apenas se diferenciavam em vários tipos de células normalmente, mas na verdade pareciam mais saudáveis do que aquelas cultivadas usando métodos padrão. O sequenciamento de RNA encontrou níveis mais baixos de estresse do retículo glicolítico e endoplasmático, mostrando um primeiro conjunto promissor de dados para lidar com o estresse celular identificado em um Natureza artigo de pesquisadores colaboradores da UCSF, evidência de que o grupo planeja expandir a pesquisa em andamento.
Esta pesquisa fornece uma plataforma importante para o trabalho em andamento no UCSC Live Cell Genomics Center. Ele está alinhado com a missão do centro de aplicar as lições da revolução do computador às ciências da vida e faz parte de um esforço maior em direção à automação de laboratórios úmidos para tornar os experimentos mais robustos e reprodutíveis.
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