Regras de projeto para a morfologia dos órgãos ciliados

A história da ciência é uma série de mudanças de paradigma — teorias convencionais desmascaradas e substituídas por novas descobertas. O Kanso Bioinspired Motion Lab na USC Viterbi School of Engineering criou o hábito dessas mudanças de paradigma, publicando suas descobertas em periódicos importantes.

O artigo mais recente do laboratório, publicado em Física da Natureza, é intitulado “A física do fluxo orienta a morfologia dos órgãos ciliados” e apresenta uma nova compreensão da conexão entre dois mecanismos distintos para bombear fluidos em organismos vivos: o modelo de “chama” e o modelo de “tapete” dos ductos ciliados.

Em humanos, os tecidos ciliados bombeiam fluidos nas vias aéreas, ventrículos cerebrais, canal espinhal e sistema reprodutivo. Esses cílios são caracterizados pelo design de “tapete” — imagine uma camada densa de fibras curtas perpendiculares à superfície epitelial. Muitos animais também apresentam ductos com um arranjo de cílios notavelmente diferente: o design de chama ciliar, onde cílios compactados e comparativamente longos batem longitudinalmente ao longo de um lúmen estreito.

Chamas ciliares não são encontradas em grandes organismos multicelulares como seres humanos, levando ao entendimento de que essas duas morfologias, carpetes e chamas, são diferenciadas por processos evolutivos. No entanto, a professora Eva Kanso e sua equipe de pesquisadores, notavelmente os coautores Feng Ling, aluno de doutorado da USC, e a cientista pesquisadora Janna Nawroth, descobriram que a distinção depende, na verdade, de distintas necessidades de bombeamento de fluidos.

Em outras palavras, a forma segue a função. A equipe propõe que a convergência de designs de órgãos ciliados segue restrições mecanicistas em vez de trajetória filogenética (desenvolvimento evolutivo e relacional).

O artigo apresenta uma série de regras de design universal para bombas ciliares: um modelo de fluido unificado que propõe uma continuidade imprevista entre os dois modelos tipicamente opostos. Dois parâmetros estruturais, diâmetro do lúmen e razão cílios-lúmen, organizam a diversidade do ducto ciliado em um espectro contínuo que conecta carpetes a chamas.

Em ambas as extremidades do espectro, os resultados indicam vazão e geração de pressão maximizadas (consistentes com os requisitos fisiológicos para transporte e filtragem em massa), enquanto projetos intermediários ao longo do espectro morfológico constituem híbridos com eficiência ideal.

As novas descobertas permitem maior clareza ao estudar e gerenciar as principais patologias associadas ao mau funcionamento dos cílios e ao acúmulo de fluidos, incluindo bronquiectasia, hidrocefalia e gravidez ectópica. As descobertas também avançam a compreensão do funcionamento de órgãos específicos. Por exemplo, as chamas ciliares que bombeiam fluidos com o propósito de excreção fornecem um sistema modelo para estudar a doença renal humana.

Apesar da importância fundamental dos órgãos ciliados na fisiologia animal, a relação entre a morfologia dos ductos ciliados e sua capacidade de bombear fluidos permaneceu amplamente inexplorada, devido à dificuldade em medir o batimento ciliar e o fluxo de fluidos em ductos internos intactos.

Ao abordar essa área desafiadora de pesquisa tanto experimentalmente quanto usando modelagem matemática, o Kanso Lab propõe uma nova abordagem que é inovadora e intuitiva. Uma dicotomia é reformulada como um continuum, e um desafio significativo em ciência e engenharia é um passo mais simples.