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MODELO TRIDIMENSIONAL DE CÉREBRO HUMANO PARA ESTUDO DE DOENÇAS NEURODEGENERAGIVAS

MODELO TRIDIMENSIONAL DE CÉREBRO HUMANO PARA ESTUDO DE DOENÇAS NEURODEGENERATIVAS

Bruna Raphaela Sousa, Rodrigo R Resende

Vol. 1, N. 5, 07 de janeiro de 2014
DOI: http://dx.doi.org/10.15729/nanocellnews.2014.01.06.004

O desenvolvimento do cérebro humano continua sendo um dos maiores mistérios da biologia. Derivado de um tecido simples desenvolve-se na estrutura natural mais complexa que o homem conhece. Estudos sobre o desenvolvimento do cérebro humano e doenças humanas associadas são extremamente difíceis. Para solucionar este problema, pesquisadores do Instituto de Biotecnologia Molecular (IMBA) da Academia Austríaca de Ciências (OeAW), liderados pelo professor Dr Juergen A. Knoblich, desenvolveram um sistema de cultura tridimensional para produzir tecido cerebral in vitro. O método descrito na Nature permite que as células-tronco pluripotentes possam se transformar em organoides cerebrais – ou “mini-cérebros” – que consistem em várias regiões cerebrais distintas e são gerados por um protocolo de diferenciação de células-tronco sem o uso de fatores de crescimento, ou proteínas que induzem a proliferação ou crescimento celular, apenas proporcionando um ambiente adequado para que fatores intrínsecos, das próprias células, influenciem no desenvolvimento. Como resultado, fatores intrínsecos das células-tronco orientou o desenvolvimento para diferentes tecidos cerebrais interdependentes. Usando as “mini-cérebros”, os cientistas também foram capazes de modelar o desenvolvimento de uma doença neuronal humana e identificar a sua origem – abrindo rotas para modelos de sistemas, há muito tempo esperado, do cérebro humano.

Iniciando com culturas de células-tronco embrionárias humanas e células-tronco pluripotentes induzíveis (iPS) estabelecidas, o grupo identificou as condições de crescimento que ajudaram a diferenciação das células-tronco em vários tecidos do cérebro. Enquanto utilizando meios de indução e para a diferenciação neuronal, o grupo foi capaz de evitar a utilização de padrões de fatores de crescimento, que são geralmente utilizados a fim de gerar células de tecidos específicos a partir de células-tronco. O novo método é uma modificação da abordagem convencional estabelecida para gerar a chamada neuroectoderma, uma camada de células a partir do qual deriva o sistema nervoso. Os fragmentos deste tecido foram então mantidos em cultura em 3D e embebidos em gotículas de um gel específico, o Matrigel, que fornecida um suporte para o crescimento do tecido complexo, com muitas e diferentes células. A fim de melhorar a absorção de nutrientes, as gotas de gel foram, depois, transferidas para um bioreactor de fiação. Dentro de três a quatro semanas regiões cerebrais definidas foram produzidas.

Já depois de 15 – 20 dias , os chamados ” organoides cerebrais ” formados, que consistiam de tecido contínuo (tipo um neuroepitélio, ou um epitélio do tecido neural) em torno de uma cavidade cheia de fluido, que é um reminiscente de um ventrículo cerebral (o ventrículo cerebral são cavidades dentro do cérebro que produzem o líquor cefalorraquidiano e que serve como proteção hidromecânica para o cérebro e medula). Após 20-30 dias, regiões definidas do cérebro, incluindo o córtex cerebral (região cerebral responsável pelos pensamentos), a retina (visão), meninges (membranas que envolvem e protegem o cérebro), bem como do plexo coroide (é uma estrutura encontrada nos ventrículos do sistema nervoso onde é produzida a maior parte do líquido cefalorraquidiano), foram desenvolvidas. Após dois meses, os mini-cérebros atingiram um tamanho máximo, mas eles poderiam sobreviver indefinidamente (atualmente até 10 meses) no bioreator de fiação. Crescimento maior, no entanto, não foi alcançado, provavelmente devido à falta de um sistema de circulação e, portanto, uma falta de nutrientes e oxigenação, no núcleo dos mini-cérebros.

A avaliação da expressão gênica demonstrou a identidade neuronal. Por fim, organoides poderiam ser utilizados como modelo de desordem no neurodesenvolvimento, já que muitas vezes o estudo do desenvolvimento do cérebro humano provou ser difícil em modelos animais. Para tanto, foi identificado um fator chave no desencadeamento da microcefalia, uma alteração comumente encontrada em pacientes com a patologia na expressão de uma proteína chamada CDK5RAP2. Pacientes com microcefalia apresentavam mutação no gene da CDK5RAP2 e também foi demonstrada a perda da proteína CDK5RAP2 em fibroblastos da pele, o que sugere a perda da função desta proteína nestes pacientes (1).

O novo método também oferece um grande potencial para o estabelecimento de sistemas de modelos para doenças cerebrais humanas. Tais modelos são urgentemente necessários, já que os modelos animais utilizados são consideravelmente de menor complexidade, e muitas vezes não recapitulam adequadamente a doença humana. Agora o grupo de Knoblich demonstrou que os mini-cérebros oferecem um grande potencial como um sistema de modelo humano, pela análise do aparecimento de microcefalia, uma doença genética humana em que o tamanho do cérebro é significativamente reduzido. Ao gerar células-tronco induzíveis (iPS cells, um tipo de célula-tronco que é produzido a partir de células adultas), a partir de tecido da pele de um paciente com microcefalia, os cientistas foram capazes de crescer mini-cérebros afetados por esta desordem. Também foram produzidas células-tronco induzíveis de indivíduos saudáveis e a expressão de CDK5RAP2 foi silenciada por um shRNA (short hairpin) proporcionando células com as características da desordem neuronal em estudo. Como esperado, os organoides derivados do paciente e do indivíduo normal sem a produção da proteína CDK5RAP2 cresceram até um tamanho menor que o normal. Uma análise mais aprofundada levou a uma descoberta surpreendente: enquanto o tecido neuroepiteilial foi menor do que em mini-cérebros não afetadas pela doença, um aumento anormal no número de neurônios pode ser observado. Isto conduziu à hipótese de que, durante o desenvolvimento do cérebro de pacientes com microcefalia, a diferenciação neuronal ocorre prematuramente, em detrimento das células-tronco e das células progenitoras neurais, que, de outro modo, contribuiria para um crescimento mais acentuado no tamanho do cérebro. Outras experiências também mostraram que uma alteração no sentido em que as células-tronco se dividem pode ser a causa para a desordem.

Assim, estas células cultivadas no sistema proposto anteriormente proporcionaram a geração de organoides cerebrais para estudo de doenças neurodegenerativas. Por fim, os resultados sugerem que este sistema de cultivo in vitro pode fornecer um modelo de neurodesenvolvimento humano e doenças neurológicas, o que favorecerá a compreensão sobre a patogênese dessas doenças.

modelo-3d-cerebro

Figura 1: Esquema do sistema de cultura para geração de organoides cerebrais. Células-tronco induzíveis de pacientes com microcefalia foram cultivadas em meio contendo matrigel e tecido neuroectodérmico, depois cultivadas em biorreator de fiação. Em 15-20 dias foram produzidos organoides cerebrais que formavam estruturas cerebrais adultas podendo ser estudados modelos de doenças neurodegenerativas.

1. Lancaster MA, Renner M, Martin CA, Wenzel D, Bicknell LS, Hurles ME, et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature. 2013 Sep 19;501(7467):373-9. PubMed PMID: 23995685. Pubmed Central PMCID: 3817409. Epub 2013/09/03. eng.

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  • MODELO TRIDIMENSIONAL DE CÉREBRO HUMANO PARA ESTUDO DE DOENÇAS NEURODEGENERAGIVAS
  • 6
  1. Celson D. Pereira disse:

    Bom dia

    Gostaria de mais informações sobre possibilidades … deste modelo, tendo em vista melhor compreender funções, denominadas como de “ordem superior” ( … ), ligadas a comportamento etc. Agradecimentos.

    Atenciosamente

    Celson D. Pereira

    08/janeiro/2014 ás 09:40
  2. Rodrigo Resende disse:

    De ordem superior ainda estão em testes e são apenas possibilidades

    17/março/2014 ás 13:38
  3. JOSE EDGARD DE OLIVEIRA MARIANO disse:

    Gostaria de receber mais noticias sobre o cordão umbilical nas pesquisas para microcefalia, tenho um filho com este problema e peço para obter mais informaçoes visto que minha esposa está gravida e vai ter um bebe agora no começo de setembro, tenho as seguintes perguntas.

    1- como está o avanço nestas pesquisas.
    2- realmente é um bom motivo para guardar o cordão umbilical.
    3- gostaria de ver imagens de crianças com aplicativos da celulas-tronco e seus benificios não só para andar e outras atividades da coordenação motora.

    27/julho/2015 ás 11:00
  4. mariane Rodrigues de Oliveira disse:

    ola..me chamo Mariane..sou mae de uma crianca ..diagnosticada com microcefalia aos 7 anos de idade….estou gravida de 7 meses..eu gostaria de saber sobre os avancos no estudos dessa doenca…estou desesperada..por favor me ajudem.

    15/setembro/2015 ás 11:49
  5. mariane Rodrigues de Oliveira disse:

    estou desesperada..pos meu filho foi diagnosticado com microcefalia a 6 meses .meu mundo desabou..ele tem 7 anos e parece ser tao normal..por favor,peco a ajuda de alguem que tenha mais informacaoes…positivas dessa doenca…estou gravida de 7 meses…sera que as celulas trinco..do meu bb podem ajudar meu filho mais velho….? mae desesperada.. 11 97998 0565 whats app

    15/setembro/2015 ás 11:58
  6. Marcio Pires disse:

    Gostaria de saber se tem algum estudo sobre usar o tecido do cérebro, para transplante de córneas.

    19/junho/2017 ás 10:54

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