Cientistas de Stanford cultivam milhares de minicérebros humanos usando aditivos alimentares comuns

Lançado em 2018 como parte do Wu Tsai Neurosciences Institute de Stanford por meio de sua iniciativa Big Ideas in Neuroscience, o programa reúne especialistas de neurociência, química, engenharia e outras disciplinas. Juntos, eles investigam circuitos neurais relacionados à dor, genes ligados a distúrbios do neurodesenvolvimento e novos métodos para estudar a conectividade cerebral.

Um desafio persistiu ao longo do progresso do programa: aumentar a produção. Para compreender profundamente o desenvolvimento do cérebro, estudar distúrbios do desenvolvimento ou testar terapias potenciais, os pesquisadores precisam produzir milhares de organoides que sejam uniformes em tamanho e forma. No entanto, estas estruturas delicadas tendem a aderir, dificultando o cultivo de lotes grandes e consistentes.

Uma equipe liderada por Sergiu Pasca, afiliado da Wu Tsai Neuro, professor Kenneth T. Norris Jr. de psiquiatria e ciências do comportamento, e Sarah Heilshorn, professora de engenharia Rickey/Nielsen, encontrou recentemente uma solução inesperadamente simples. Conforme relatado em Engenharia Biomédica da Naturezaa chave para evitar a aglomeração de organoides foi a goma xantana, um aditivo alimentar amplamente utilizado.

“Podemos facilmente produzir 10.000 deles agora”, disse Pasca, Bonnie Uytengsu e Diretora de Família do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford. Mantendo o compromisso do programa de disponibilizar amplamente suas técnicas, eles já compartilharam sua abordagem para que outros possam tirar vantagem dela. “Isso, como acontece com todos os nossos métodos, é aberto e de livre acesso. Já existem vários laboratórios que implementaram esta técnica.”

Tão poucos que você poderia nomeá-los

Esse nível de produtividade já foi inimaginável. Há cerca de doze anos, Pasca acabara de desenvolver uma forma de transformar células-tronco em tecidos tridimensionais que mais tarde seriam conhecidos como organoides neurais regionalizados. Na época, ele só conseguia fazer alguns deles.

“Nos primeiros dias, eu tinha oito ou nove deles e batizei cada um deles com nomes de criaturas mitológicas”, disse Pasca.

Mas o objectivo de Pasca era muito maior: descobrir como o cérebro em desenvolvimento pode falhar em condições como o autismo ou a síndrome de Timothy, e explorar como os medicamentos podem afectar esse desenvolvimento. “Precisávamos produzir milhares de organoides e todos deveriam ser iguais”, disse ele.

Ele também reconheceu que o sucesso exigiria uma equipe diversificada de especialistas. “Pensei: ‘Este é um campo emergente e há muitos problemas que vamos enfrentar, e a forma como vamos enfrentá-los e resolvê-los é através da implementação de tecnologias inovadoras'”, disse Pasca.

Para alcançar essa visão, Pasca colaborou com Karl Deisseroth, afiliado da Wu Tsai Neuro, neurocientista e bioengenheiro, montando um grupo interdisciplinar que lançou oficialmente o Programa de Organogênese Cerebral de Stanford com o apoio da bolsa Wu Tsai Neuro Big Ideas in Neuroscience.

A solução antiaderente

O problema da viscosidade surgiu logo depois. Os organoides estavam se fundindo, resultando em um número menor de organoides de diferentes formas e tamanhos.

“As pessoas no laboratório diziam constantemente: ‘Fiz cem organoides, mas acabei com vinte’”, disse Pasca.

Isso foi uma bênção e uma maldição. Por um lado, sugeriu que os investigadores poderiam juntar dois tipos diferentes de organoides – digamos, um minúsculo cerebelo e uma medula espinal – para estudar o desenvolvimento de estruturas cerebrais mais complexas. Na verdade, estes assemblóides são agora uma parte fundamental do trabalho de Pasca e dos seus colegas.

Por outro lado, a equipe ainda precisava ser capaz de criar um grande número de organoides para poder coletar dados precisos sobre o desenvolvimento do cérebro, examinar medicamentos para detectar defeitos de crescimento ou realizar vários outros projetos em escala.

Uma possibilidade seria cultivar cada organoide num prato separado, mas fazê-lo é muitas vezes ineficiente. Em vez disso, o laboratório precisava de algo para manter os organoides separados enquanto os cultivava em lotes, então Pasca trabalhou com Heilshorn, colaborador do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford e engenheiro de materiais, para testar algumas opções.

A equipe finalmente analisou 23 materiais diferentes com o objetivo de tornar seus métodos acessíveis a outras pessoas.

“Selecionamos materiais que já eram considerados biocompatíveis e que seriam relativamente econômicos e simples de usar, para que nossos métodos pudessem ser facilmente adotados por outros cientistas”, disse Heilshorn.

Para testar cada um deles, eles primeiro cultivaram organoides em um líquido rico em nutrientes por seis dias e depois adicionaram um dos materiais de teste. Depois de mais 25 dias, a equipe simplesmente contou quantos organoides restavam.

Mesmo em pequenas quantidades, a goma xantana impediu a fusão dos organoides, e o fez sem quaisquer efeitos colaterais no desenvolvimento dos organoides. Isso significava que os pesquisadores poderiam manter os organoides separados sem distorcer seus resultados experimentais.

Finalmente aumentando

Para demonstrar o potencial da técnica, a equipa utilizou-a para resolver um problema do mundo real: os médicos muitas vezes hesitam em prescrever medicamentos potencialmente benéficos a grávidas e bebés porque não sabem se esses medicamentos podem prejudicar o cérebro em desenvolvimento. (Embora os medicamentos aprovados pela FDA passem por testes extensivos, preocupações éticas significam que geralmente não são testados em grávidas ou bebês.)

Para mostrar como os organoides resolvem esse problema, o coautor principal Genta Narazaki, pesquisador visitante no laboratório de Pasca na época em que a pesquisa foi realizada, primeiro cultivou 2.400 organoides em lotes. Então, Narazaki adicionou um dos 298 medicamentos aprovados pela FDA a cada lote para ver se algum deles poderia causar defeitos de crescimento. Trabalhando em estreita colaboração com o co-autor Yuki Miura no laboratório Pasca, Narazaki mostrou que vários medicamentos, incluindo um usado para tratar o cancro da mama, atrofiaram o crescimento dos organoides, sugerindo que poderiam ser prejudiciais ao desenvolvimento do cérebro.

Essa experiência mostra que os investigadores podem descobrir potenciais efeitos secundários – e fazê-lo de forma muito eficiente, disse Pasca: “Um único experimentador produziu milhares de organoides corticais por conta própria e testou quase 300 medicamentos”.

Pasca e seus colegas do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford esperam agora usar sua técnica para progredir em uma série de distúrbios neuropsiquiátricos, como autismo, epilepsia e esquizofrenia. “Abordar essas doenças é realmente importante, mas, a menos que se aumente a escala, não há como fazer a diferença”, disse Pasca. “Esse é o objetivo agora.”