Nanoflores sobrecarregam células-tronco para recarregar células envelhecidas

Akhilesh K. Gaharwar e Ph.D. o estudante John Soukar, juntamente com colegas do Departamento de Engenharia Biomédica, criaram uma técnica que fornece mitocôndrias frescas às células danificadas. Ao reabastecer estes pequenos produtores de energia, o método pode restaurar a produção de energia aos níveis anteriores e melhorar significativamente a saúde geral das células.

O declínio mitocondrial tem sido associado ao envelhecimento, doenças cardíacas e diversas condições neurodegenerativas. Uma estratégia que reforce a capacidade natural do corpo para substituir mitocôndrias desgastadas poderia, em princípio, ajudar a resolver todos estes problemas de uma só vez.

À medida que as células humanas envelhecem ou são prejudicadas por doenças degenerativas, como a doença de Alzheimer, ou pela exposição a agentes nocivos, como medicamentos quimioterápicos, a sua capacidade de gerar energia diminui constantemente. Uma das principais razões é a diminuição do número de mitocôndrias, as pequenas estruturas semelhantes a órgãos dentro das células que fornecem a maior parte da energia que uma célula utiliza. Seja no tecido cerebral, no músculo cardíaco ou noutros órgãos, uma diminuição das mitocôndrias leva a células mais fracas e menos saudáveis ​​que eventualmente já não conseguem desempenhar as suas funções essenciais.

Nanoflores transformam células-tronco em doadores de mitocôndrias

A pesquisa, publicada em Anais da Academia Nacional de Ciênciaspartículas microscópicas combinadas em forma de flor, chamadas nanoflores, com células-tronco. Quando as células-tronco foram expostas a essas nanoflores, elas começaram a produzir cerca de duas vezes mais mitocôndrias do que o normal. Quando as células-tronco fortalecidas foram então colocadas ao lado de células danificadas ou envelhecidas, elas passaram suas mitocôndrias extras para essas células vizinhas lesionadas.

Uma vez abastecidas com novas mitocôndrias, as células anteriormente danificadas foram capazes de restaurar a produção de energia e a atividade normal. Estas células revividas não só apresentaram melhores níveis de energia, mas também se tornaram mais resistentes à morte celular, mesmo quando foram posteriormente expostas a tratamentos prejudiciais, como a quimioterapia.

“Treinámos células saudáveis ​​para partilharem as suas baterias sobressalentes com células mais fracas”, disse Gaharwar, professor de engenharia biomédica. “Ao aumentar o número de mitocôndrias dentro das células doadoras, podemos ajudar as células envelhecidas ou danificadas a recuperar a sua vitalidade – sem qualquer modificação genética ou medicamentos”.

Embora as células sejam naturalmente capazes de trocar pequenas quantidades de mitocôndrias, as células estaminais tratadas com nanoflores, que a equipa descreve como biofábricas mitocondriais, transferiram duas a quatro vezes mais mitocôndrias do que as células estaminais não tratadas.

“O aumento de várias vezes na eficiência foi maior do que esperávamos”, disse Soukar, principal autor do artigo. “É como dar uma bateria nova a um aparelho eletrônico antigo. Em vez de jogá-las fora, estamos conectando baterias totalmente carregadas de células saudáveis ​​em células doentes.”

Fazendo as terapias mitocondriais durarem mais

Os pesquisadores tentaram outras maneiras de aumentar o número de mitocôndrias dentro das células, mas essas abordagens geralmente apresentam compensações. Os métodos baseados em medicamentos dependem de pequenas moléculas que saem das células de forma relativamente rápida, de modo que os pacientes podem precisar de tratamentos frequentes e repetidos para manter o efeito. Em contraste, as nanopartículas maiores (que têm cerca de 100 nanómetros de diâmetro) permanecem dentro da célula e continuam a estimular a produção de mitocôndrias de forma mais eficaz. Como resultado, as terapias baseadas nesta tecnologia de nanoflores podem precisar ser administradas apenas uma vez por mês.

“Este é um passo inicial, mas emocionante, para recarregar tecidos envelhecidos usando a sua própria maquinaria biológica”, disse Gaharwar. “Se pudermos impulsionar com segurança este sistema natural de partilha de energia, ele poderá um dia ajudar a retardar ou mesmo reverter alguns efeitos do envelhecimento celular”.

Nanopartículas de dissulfeto de molibdênio em uso biomédico

As nanoflores são feitas de dissulfeto de molibdênio, um composto inorgânico que pode formar muitas formas bidimensionais diferentes em escalas muito pequenas. O Laboratório Gaharwar está entre um pequeno número de grupos de pesquisa que investigam como o dissulfeto de molibdênio pode ser usado para fins biomédicos.

As células estaminais já desempenham um papel central no trabalho de ponta na reparação e regeneração de tecidos. O uso de nanoflores para aumentar o desempenho das células-tronco poderia marcar um passo importante para tornar essas células ainda mais eficazes em terapias futuras.

Abordagem versátil para muitos tecidos

Um dos aspectos mais promissores da técnica é a sua flexibilidade. Embora o método ainda esteja em fase inicial e exija muito mais testes, teoricamente poderia ser usado para tratar a perda de função em muitos tecidos diferentes do corpo.

“Você poderia colocar as células em qualquer lugar do paciente”, disse Soukar. “Portanto, para a cardiomiopatia, você pode tratar as células cardíacas diretamente – colocando as células-tronco diretamente no coração ou perto dele. Se você tem distrofia muscular, pode injetá-las diretamente no músculo. É bastante promissor em termos de poder ser usado para uma ampla variedade de casos, e isso é apenas o começo. Poderíamos trabalhar nisso para sempre e encontrar coisas novas e novos tratamentos para doenças todos os dias.”

O projeto recebeu apoio financeiro dos Institutos Nacionais de Saúde, da Fundação Welch, do Departamento de Defesa e do Instituto de Pesquisa e Prevenção do Câncer do Texas. Apoio adicional veio do Fundo de Excelência do Presidente da Texas A&M University e do Texas A&M Health Science Center Seedling Grant. Os principais colaboradores incluíram os pesquisadores da Texas A&M, Dr. Irtisha Singh, Dr.