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Uma equipe de engenheiros e neurocientistas demonstrou pela primeira vez que os organoides do cérebro humano implantados em camundongos estabeleceram conectividade funcional com o córtex dos animais e responderam a estímulos sensoriais externos. Os organoides implantados reagiram aos estímulos visuais da mesma forma que os tecidos circundantes, uma observação que os pesquisadores puderam fazer em tempo real ao longo de vários meses, graças a uma configuração experimental inovadora que combina matrizes de microeletrodos de grafeno transparente e imagens de dois fótons.
A equipe, liderada por Duygu Kuzum, membro do corpo docente do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade da Califórnia em San Diego, detalha suas descobertas na edição de 26 de dezembro da revista. Natureza Comunicações. A equipe de Kuzum colaborou com pesquisadores do laboratório de Anna Devor na Universidade de Boston; laboratório de Alysson R. Muotri na UC San Diego; e o laboratório de Fred H. Gage no Salk Institute.
Os organoides corticais humanos são derivados de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos, que geralmente são derivadas de células da pele. Esses organoides cerebrais surgiram recentemente como modelos promissores para estudar o desenvolvimento do cérebro humano, bem como uma série de condições neurológicas.
Mas até agora, nenhuma equipe de pesquisa conseguiu demonstrar que os organoides do cérebro humano implantados no córtex do camundongo eram capazes de compartilhar as mesmas propriedades funcionais e reagir aos estímulos da mesma maneira. Isso ocorre porque as tecnologias usadas para registrar a função cerebral são limitadas e geralmente não conseguem registrar atividades que duram apenas alguns milissegundos.
A equipe liderada pela UC San Diego conseguiu resolver esse problema desenvolvendo experimentos que combinam arranjos de microeletrodos feitos de grafeno transparente e imagens de dois fótons, uma técnica de microscopia que pode gerar imagens de tecidos vivos de até um milímetro de espessura.
“Nenhum outro estudo foi capaz de registrar opticamente e eletricamente ao mesmo tempo”, disse Madison Wilson, o primeiro autor do artigo e Ph.D. aluno do grupo de pesquisa de Kuzum na UC San Diego. “Nossos experimentos revelam que estímulos visuais evocam respostas eletrofisiológicas nos organoides, combinando com as respostas do córtex circundante”.
Os pesquisadores esperam que esta combinação de tecnologias inovadoras de registro neural para estudar organoides sirva como uma plataforma única para avaliar de forma abrangente os organoides como modelos para desenvolvimento e doenças do cérebro e investigar seu uso como próteses neurais para restaurar a função de regiões cerebrais perdidas, degeneradas ou danificadas. .
“Esta configuração experimental abre oportunidades sem precedentes para investigações de disfunções no nível da rede neural humana subjacentes a doenças cerebrais do desenvolvimento”, disse Kuzum.
O laboratório de Kuzum desenvolveu pela primeira vez os eletrodos de grafeno transparente em 2014 e vem avançando na tecnologia desde então. Os pesquisadores usaram nanopartículas de platina para diminuir a impedância dos eletrodos de grafeno em 100 vezes, mantendo-os transparentes. Os eletrodos de grafeno de baixa impedância são capazes de registrar e visualizar a atividade neuronal tanto em macroescala quanto em nível de célula única.
Ao colocar uma série desses eletrodos em cima dos organoides transplantados, os pesquisadores conseguiram registrar a atividade neural eletricamente do organoide implantado e do córtex hospedeiro circundante em tempo real. Usando imagens de dois fótons, eles também observaram que os vasos sanguíneos do camundongo cresciam no organoide, fornecendo nutrientes e oxigênio necessários ao implante.
Os pesquisadores aplicaram um estímulo visual – um LED óptico de luz branca – aos camundongos com organoides implantados, enquanto os camundongos estavam sob microscopia de dois fótons. Eles observaram atividade elétrica nos canais de eletrodos acima dos organoides, mostrando que os organoides estavam reagindo ao estímulo da mesma forma que o tecido circundante. A atividade elétrica se propagou da área mais próxima ao córtex visual na área dos organoides implantados por meio de conexões funcionais. Além disso, sua tecnologia de eletrodo de grafeno transparente de baixo ruído permitiu o registro elétrico da atividade de pico do organoide e do córtex do mouse ao redor. As gravações de grafeno mostraram aumentos no poder das oscilações gama e bloqueio de fase de picos de organoides para oscilações lentas do córtex visual do mouse. Essas descobertas sugerem que os organoides estabeleceram conexões sinápticas com o tecido do córtex circundante três semanas após a implantação e receberam informações funcionais do cérebro do camundongo. Os pesquisadores continuaram esses experimentos multimodais crônicos por onze semanas e mostraram integração funcional e morfológica de organoides implantados no cérebro humano com o córtex de camundongos hospedeiros.
Os próximos passos incluem experimentos mais longos envolvendo modelos de doenças neurológicas, bem como a incorporação de imagens de cálcio na configuração experimental para visualizar a atividade de pico em neurônios organoides. Outros métodos também podem ser usados para rastrear projeções axonais entre organoides e córtex de camundongos.
“Prevemos que, mais adiante, essa combinação de células-tronco e tecnologias de neurogravação será usada para modelar doenças sob condições fisiológicas; examinar tratamentos candidatos em organoides específicos do paciente; e avaliar o potencial dos organoides para restaurar dados específicos perdidos, degenerados ou danificados regiões do cérebro”, disse Kuzum.
O trabalho foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde e pelo Conselho de Pesquisa da Noruega, bem como pela National Science Foundation.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade da Califórnia – San Diego. Original escrito por Ioana Patringenaru. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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