Dispositivo de explosão de mesa traz pesquisas sobre lesões cerebrais traumáticas para a bancada do laboratório

Quatro pesquisadores da Universidade de Rhode Island desenvolveram e testaram um dispositivo de mesa econômico e fácil de usar que pode gerar ondas de pressão, imitando o impacto de explosões que podem causar neurodegeneração. Seu estudo foi recentemente publicado no diário Métodos de relatórios de células. Os resultados ajudarão Claudia Fallini e Riccardo Sirtori, da URI, a estudar melhor o desenvolvimento e a progressão de doenças neurodegenerativas em seu laboratório.

Professor associado da Faculdade de Meio Ambiente e Ciências da Vida da URI, o trabalho de Fallini concentra-se nos mecanismos celulares e moleculares que levam a doenças neurodegenerativas, incluindo esclerose lateral amiotrófica, demência frontotemporal e doença de Alzheimer. Usando culturas de células-tronco, Fallini estuda doenças humanas em uma placa, com Sirtori como pós-doutorado.

Eles esperam criar uma base para o estudo in vitro do traumatismo cranioencefálico (TCE), um fator de risco para doenças neurodegenerativas. Ao compreender melhor os processos que contribuem para estas condições, Fallini e Sirtori esperam identificar mecanismos que poderiam ser alvo de intervenção terapêutica.

Embora modelos animais de TCE sejam comumente usados, pesquisas emergentes sugerem que organoides cerebrais derivados de células-tronco pluripotentes induzidas (iPSC) oferecem uma alternativa promissora específica para humanos. O uso generalizado tem sido limitado porque o equipamento necessário é caro e especializado.

Impacto do TCE

A lesão cerebral traumática é uma das principais causas de morte e incapacidade, afetando mais de 65 milhões de pessoas em todo o mundo anualmente. Evidências epidemiológicas e experimentais sugerem que o TCE por impacto ou explosão é um dos principais fatores de risco ambientais para neurodegeneração. Um único TCE moderado a grave quadruplica o risco de uma pessoa desenvolver demência.

O TCE pode afetar pessoas de todas as idades, mas alguns grupos – militares, veteranos e idosos – correm um risco maior de sofrer TCE e de sofrer resultados negativos para a saúde a longo prazo.

Fallini diz que buscava formas de modelar o TCE in vitro, sem uso de animais, mas os métodos descritos na literatura eram complicados ou exigiam equipamentos caros ou especializados, tornando o investimento inicial muito caro.

Ela e Sirtori decidiram ver se a lesão mecânica causada por um dispositivo projetado poderia aproximar-se dos efeitos de longo prazo da exposição às ondas de pressão. Mas eles tiveram dificuldade em simular lesões traumáticas causadas por explosões em seu laboratório usando aparelhos comercialmente disponíveis e apropriados para aplicações biológicas.

Poder cerebral URI

Os dois se conectaram com Arun Shukla e Akash Pandey na Faculdade de Engenharia da URI. Especialista em mitigação de explosões, Shukla consulta frequentemente a Marinha dos EUA, enquanto Ph.D. o candidato Pandey ajuda a desenvolver materiais que podem sustentar explosões subaquáticas.

Para ajudar os seus colegas do Departamento de Biologia Celular e Molecular da URI, Pandey e Shukla precisavam de criar uma explosão em terra – de preferência numa mesa. Os dois estavam prontos para o desafio e a colaboração pela primeira vez.

Pandey deu continuidade ao projeto durante o verão de 2024. O projeto, a realização e a calibração do dispositivo de carregamento de choque levaram cerca de um mês e exigiram alguma redução de escala. Embora o laboratório de Shukla realize experimentos de carga de choque diariamente, seu aparato residente era grande demais para experimentos de biologia. Assim, Pandey criou um aparelho de tubo de choque cheio de água miniaturizado de 3 m de comprimento e um simulador de bancada para o estudo de TBI de seus colegas. Sirtori desenhou o estudo e realizou os experimentos biológicos.

Fallini credita a Sirtori e Pandey a condução do projeto, reunindo suas perspectivas e habilidades em biologia celular e engenharia para chegar a um design simples que fosse fácil de construir e implementar. O simulador de explosão resultante usa componentes acessíveis e de baixo custo – tubo de PVC, alumínio e palitos de picolé – que podem fornecer ondas de pressão reproduzíveis a organoides 3D para avaliação. O simulador de carga de pressão é portátil e fácil de usar, gerando pulsos de alta pressão que imitam a carga de pressão experimentada durante um TCE com lesão por explosão.

Em seu protótipo, os organoides de teste foram expostos a uma onda de choque por menos de 1 milissegundo – 100 vezes mais rápido que um piscar de olhos. Essa breve exposição foi suficiente para induzir danos graves a diversas estruturas celulares, o que poderia levar ao declínio funcional e à neurodegeneração. O tipo de lesão que a equipe modelou é semelhante a uma explosão de um IED ou de uma arma disparada.

Fallini diz que a ferramenta criada pelo URI oferece uma alternativa padronizada, reproduzível e personalizável na pesquisa de TBI. Ela também gostou da oportunidade de ver o outro lado de seu estudo acadêmico. “Foi interessante ver o tipo de pesquisa que eles estão fazendo sobre o impacto da explosão no laboratório do Dr. Shukla”, diz ela, “um ângulo muito diferente sobre a mesma questão importante”.

O dispositivo já deu à sua equipe informações sobre o impacto das lesões causadas por explosões, incluindo que os neurônios corticais da camada profunda são mais suscetíveis à exposição à explosão do que os neurônios da camada superior. Com os resultados desses testes, Fallini e Sirtori poderão agora avaliar melhor os danos no DNA após lesão cerebral traumática. “Esta é uma ferramenta valiosa e acessível para o avanço da investigação nesta área”, diz Fallini.