Uma das mais significantes características que faz o cérebro humano único é o tamanho e a estrutura do córtex cerebral. Mas o que impulsiona o crescimento do córtex humano, provavelmente o alicerce de nossas habilidades intelectuais únicas?
Cientistas no Instituto Whitehead de Pesquisa Biomédica (Cambridge, Massachusetts) fornecem novas ideias sobre o caminho de um gene específico que regula o crescimento, a estrutura e a organização do córtex humano. Eles também demonstram que os organoides cerebrais 3D – miniatura, versão desenvolvida em laboratório ou estruturas cerebrais específicas – podem ser efetivos em modelar processos moleculares, celulares ou anatômicos do desenvolvimento do cérebro humano. E eles sugerem um novo caminho para identificar as células que afetadas pelo Zika vírus.
“Nós descobrimos que o aumento da proliferação de células progenitoras neurais (NPs) induz a expansão do tecido cortical e da dobra cortical em organoides cerebrais humanos”, disse Yun Li, o autor principal do estudo e pesquisador pós-doutorando no Instituto Whitehead. Uma célula progenitora, como uma célula-tronco, tem a tendência de se diferenciar em um tipo específico de células, mas já é mais específica do que a célula-tronco e é levada a se diferenciar em sua “célula-alvo”.
“Mais adiante”, adicionou o Dr. Li, “nós determinados que a eliminação do gene PTEN permite o aumento da sinalização do fator de crescimento na célula, desencadeando seu potencial crescimento e estimulando a proliferação”.
Essas descobertas, publicadas recentemente em Cell Stem Cell, dão suporte à noção de que o aumento do potencial proliferativo das NPs contribui para a expansão do neocórtex cerebral humano e para o surgimento de dobras corticais.
Com NPs normais, o organoide humano desenvolveu-se em aglomerados de células relativamente pequenas com aparência superficial lisa, exibindo algumas características de um desenvolvimento muito precoce do córtex humano. Entretanto, a exclusão do PTEN permitiu que a população progenitora continuasse se expandindo e atrasando sua diferenciação em tipos diferentes de neurônios – ambas as principais características do córtex humano em desenvolvimento. “Como o PTEN mutante as NPs tiveram mais rodadas de divisão e mantiveram seu estado progenitor por um maior período de tempo, os organoides cresceram significativamente mais e com tecido cortical substancialmente dobrado”, explicou Julien Muffat, também autor principal e pós-doutorando pesquisador no Instituto Whitehead.
“Estudos anteriores sugeriram que uma variação anormal na expressão do PTEN pode desempenhar um papel importante orientando as condições de desenvolvimento do cérebro, levando a síndromes tais como distúrbios do espectro do autismo”, disse o autor sênior Rudolf Jaenisch, M.D., professor de biologia no MIT e um membro fundador do Instituto Whitehead. “Nossas descobertas sugerem que o caminho do PTEN é também um importante mecanismo para o controle das diferenças na estrutura do cérebro observadas entre as espécies”.
Os investigadores do Whitehead escolheram focar no gene PTEN porque anteriormente havia demonstrado ter alguma função no desenvolvimento cortical e ter um papel na regulação de células progenitoras de várias linhagens. Notavelmente, as mutações de perda de função PTEN foram associadas à microcefalia humana.
Nesse estudo, a exclusão do gene PTEN aumentou a ativação do caminho de PI3K-AKT e, com isso, aumentou a atividade de AKT nas NPs humanas, compreendendo os organoides cerebrais humanos 3D. Isso promoveu a reentrada do ciclo celular e diferenciação neuronal retardada transitoriamente, resultando em uma marcada expansão da glia radial e da população progenitora intermediária.
Para validar o mecanismo molecular no trabalho com PTEN, os investigadores usaram os inibidores farmacológicos AKT para reverter o efeito da exclusão do PTEN. Eles também descobriram que poderiam regular o grau de expansão e dobramento, ajustando a força da sinalização de AKT – em células com sinalização reduzida nos organoides menores e lisos, e resultando na sinalização aumentada produzindo organoides maiores e mais dobrados.
Por fim, os pesquisadores utilizaram o sistema organóide cerebral 3D para mostrar que a infecção com o vírus Zika prejudica o crescimento e dobramento cortical. Nos organóides, a infecção por Zika no início da dobragem superficial (dia 19 de desenvolvimento) conduziu a apoptose generalizada e 10 dias mais tarde tinha impedido severamente o crescimento organóide e a dobragem superficial. A infecção por Zika de organoides de 4 semanas mostrou que os mutantes de PTEN eram muito mais susceptíveis à infecção do que os organoides de controlo normais; notavelmente, mostraram apoptose aumentada e diminuição da proliferação de células progenitoras.
“Embora não seja um objetivo original do nosso estudo, temos demonstrado que os organoides cerebrais humanos 3D podem ser muito eficaz para a modelagem Zika – para melhor permitir aos investigadores observar como tecido do cérebro humano reage à infecção e testar tratamentos potenciais”. Dr. Li said.
360-degree imaging of human brain organoids using lightsheet microscope, showing smooth appearance of normal organoid (left) and surface folding in PTEN mutant organoid (right) — as well as the mutant organoid’s large size. Image courtesy of Yun Li and Julien Muffat.
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