Cientistas do Instituto de Salk estudaram um “mini-cérebro” 3D criado a partir de células-tronco de humanos e descobriu-se ser estrutural e funcionalmente mais similar aos cérebros reais do que os modelos 2D em uso generalizado. A descoberta, publicada em 20 de dezembro no Cell Reports, indica que o novo modelo pode ajudar cientistas a entender melhor o desenvolvimento do cérebro, bem como as doenças neurológicas como Alzheimer ou esquizofrenia.
“Ser capaz de desenvolver células cerebrais humanas como órgãos tridimensionais em miniatura foi um avanço real”, disse o autor principal Joseph Ecker, Ph.D., investigador do Instituto Médico Howard Hughes, professor e diretor do Laboratório de Análises Genômicas de Salk. “Agora que nós temos um modelo estruturalmente realista, nós podemos começar a questionar se também é funcionalmente realista, através da observação de suas características genéticas e epigenéticas”.
Durante anos, os biólogos celulares têm induzido células-tronco embrionárias, em placas de Petri, para se diferenciar em vários tipos de células cerebrais. Enquanto pesquisadores são capazes de recolher uma quantidade tremenda de informações dessas camadas simples de células, a limitação óbvia é que o tecido cerebral real não é bidimensional.
Em 2013, investigadores europeus desenvolveram um método para induzir células embrionárias, em géis 3D, onde elas começam a se diferenciar em camadas reais, como um cérebro real. Entretanto, não se sabia se esses mini-cérebros cultivados em laboratório, chamados organoides cerebrais (Cos), se comportam fielmente como cérebros reais até agora. Em colaboração com o laboratório europeu que desenvolveu o protocolo para COs em proliferação, o laboratório do Dr. Ecker comparou o COs em estágios iniciais do desenvolvimento do cérebro com o tecido cerebral real no mesmo estágio de desenvolvimento.
“Nosso trabalho demonstra o grau notável em que o desenvolvimento do cérebro humano pode ser recapitulado em placa com organoides cerebrais”, afirmou Juergen Knoblich, Ph.D., co-autor sênior do novo artigo e chefe do laboratório europeu.
Para criar COs para análise, as equipes usaram uma linha celular embrionária humana chamada H9, adicionando reagentes para induzir as células em uma via de desenvolvimento por 60 dias. Eles analisaram então a epigenética dos COs, o padrão de marcadores químicos no DNA responsável pela ativação ou silenciamento de genes. Os epigenomas celulares – que são influenciados por fatores ambientais– têm sido cada vez mais vinculados ao desenvolvimento de doenças (como a esquizofrenia).
“Ninguém havia feito sequenciamento de epigenoma para organoides cerebrais antes”, disse Chongyuan Luo, Ph.D., associado à pesqusia Salk e primeiro autor do artigo. “Esse tipo de avaliação é tão importante para a compreensão do desenvolvimento cerebral, especialmente se nós formos, eventualmente, usar esses tecidos para terapias neurológicas”.
A equipe comparou seus resultados tanto com tecido real igualado de idade dos Institutos Nacionais de Saúde NeuroBioBank e outros dados de modelos bidimensionais de cérebro de outros pesquisadores. Eles descobriram que os COs eram muito mais como um tecido cerebral real do que os modelos bidimensionais no grau de diferenciação das células atingidas e em sua expressão do gene. Em outras palavras, os COs se desenvolvem ao longo de prazos muito semelhantes de desenvolvimento precoce como os cérebros reais, embora eles não amadureçam no mesmo nível.
Quando se trata da epigenética, no entanto, tanto os modelos 3D quanto o 2D tinham padrões anômalos semelhantes, que pareciam ser comuns a todas as células cultivadas na cultura versus dentro do cérebro. O que essa diferença significa não é inteiramente claro, mas porque é muito impressionante, o Dr. Ecker sugere que possa ser uma medida útil do quão similar é um modelo do cérebro real.
“Nossas descobertas mostram que organoides cerebrais como um modelo 3D de função do cérebro estão chegando mais perto de um cérebro real do que os modelos bidimensionais, talvez usando o padrão epigenético como um indicador que pode ficar ainda mais perto”, afirmou o Dr. Ecker, que também detém a cadeira de presidente do Conselho Internacional Salk em Genética.
Seção transversal fluorescente de um organoide cerebral ou “mini-cérebro”. Imagem cortesia da Madelina Lancaster/MRC-LMB (Conselho de Pesquisa Médica, Laboratório de Biologia Molecular), Reino Unido.
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https://www.salk.edu/news-release/building-better-brain/
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.celrep.2016.12.001