Medula espinhal humana cultivada em laboratório cura após lesão em grande avanço

Na nova pesquisa, a equipe trabalhou com organoides da medula espinhal humana – órgãos em miniatura derivados de células-tronco – para recriar diferentes formas de trauma medular e avaliar um tratamento regenerativo promissor.

Pela primeira vez, os pesquisadores mostraram que esses organoides da medula espinhal humana podem reproduzir fielmente as principais consequências biológicas da lesão medular. O modelo exibiu morte celular, inflamação e cicatrizes gliais, que são um acúmulo espesso de tecido cicatricial que forma uma barreira física e química que impede o reparo nervoso.

Quando os organoides danificados foram tratados com “moléculas dançantes” – uma terapia que restaurou o movimento e reparou o tecido em um estudo anterior com animais – os resultados foram dramáticos. O tecido lesionado produziu um crescimento substancial de neuritos, o que significa que as longas extensões que permitem a comunicação dos neurônios começaram a crescer novamente. O tecido semelhante a uma cicatriz foi bastante reduzido. As descobertas reforçam a ideia de que esta terapia, que recentemente recebeu a designação de medicamento órfão da Food and Drug Administration (FDA) dos EUA, poderia melhorar a recuperação de pessoas com lesões na medula espinhal.

O estudo foi publicado em 11 de fevereiro em Engenharia Biomédica da Natureza.

“Um dos aspectos mais interessantes dos organoides é que podemos usá-los para testar novas terapias em tecidos humanos”, disse Samuel I. Stupp, da Northwestern, autor sênior do estudo e inventor de moléculas dançantes. “Sem um ensaio clínico, é a única maneira de atingir esse objetivo. Decidimos desenvolver dois modelos de lesão diferentes em um organoide da medula espinhal humana e testar nossa terapia para ver se os resultados se assemelhavam ao que vimos anteriormente no modelo animal. Depois de aplicar nossa terapia, a cicatriz glial desapareceu significativamente para se tornar quase imperceptível, e vimos neurites crescendo, lembrando a regeneração de axônios que vimos em animais. Esta é a validação de que nossa terapia tem uma boa chance de funcionar em humanos. “

Stupp é líder em ciência de materiais regenerativos e detém o título de Professor do Conselho de Curadores de Ciência e Engenharia de Materiais, Química, Medicina e Engenharia Biomédica na Northwestern. Ele tem cargos na Escola de Engenharia McCormick, na Faculdade de Artes e Ciências Weinberg e na Escola de Medicina Feinberg, e dirige o Centro de Nanomedicina Regenerativa (CRN). O primeiro autor do artigo é Nozomu Takata, professor assistente de pesquisa em medicina na Feinberg e membro do CRN.

Por que os organoides humanos são importantes

Organóides são cultivados a partir de células-tronco pluripotentes induzidas em laboratório. Embora sejam versões simplificadas de órgãos completos, eles se assemelham muito ao tecido real em estrutura, diversidade celular e função. Por causa disso, os organoides são ferramentas poderosas para estudar doenças, testar tratamentos e explorar como os órgãos se desenvolvem. Eles também permitem que os pesquisadores avancem mais rapidamente e com menor custo em comparação com experimentos em animais ou ensaios clínicos em humanos.

Embora outros grupos tenham produzido organoides da medula espinhal para estudar biologia básica, este modelo representa um grande avanço para a pesquisa de lesões. Os organoides mediam vários milímetros de diâmetro e eram maduros o suficiente para sustentar e modelar danos traumáticos.

Ao longo de vários meses, a equipe orientou células-tronco para formar tecido complexo da medula espinhal contendo neurônios e astrócitos. Eles também se tornaram os primeiros a incorporar microglia – células imunológicas encontradas no sistema nervoso central – para replicar melhor a resposta inflamatória que se segue à lesão da medula espinhal.

“É uma espécie de pseudo-órgão”, disse Stupp. “Fomos os primeiros a introduzir microglia em um organoide da medula espinhal humana, o que foi uma grande conquista. Isso significa que nosso organoide contém todos os produtos químicos que o sistema imunológico residente produz em resposta a uma lesão. Isso o torna um modelo mais realista e preciso de lesão da medula espinhal.”

O que são moléculas dançantes

Depois que os organoides da medula espinhal foram totalmente desenvolvidos, os pesquisadores voltaram sua atenção para testar lesões e tratamento. Introduzida pela primeira vez em 2021, a terapia com moléculas dançantes usa movimento molecular controlado para reparar tecidos e potencialmente reverter a paralisia após lesão traumática da medula espinhal. Pertence a uma classe mais ampla de peptídeos terapêuticos supramoleculares (STPs), que dependem de grandes conjuntos de 100.000 ou mais moléculas para ativar receptores celulares e estimular os sinais naturais de reparo do corpo. (O conceito de terapias supramoleculares também é usado nos atuais medicamentos GLP-1 para perda de peso e diabetes, uma área que o laboratório de Stupp investigou há quase 15 anos.)

A terapia é administrada como uma injeção líquida que forma rapidamente uma teia de nanofibras semelhante à matriz extracelular da medula espinhal. Ao ajustar a forma como as moléculas se movem dinamicamente dentro desta estrutura, os investigadores melhoraram a eficácia com que interagem com os receptores celulares em constante mudança.

“Dado que as próprias células e os seus receptores estão em constante movimento, pode-se imaginar que as moléculas que se movem mais rapidamente encontrariam estes receptores com mais frequência”, disse Stupp em 2021. “Se as moléculas forem lentas e não tão ‘sociais’, podem nunca entrar em contacto com as células”.

Em experimentos anteriores com animais, uma única injeção administrada 24 horas após uma lesão grave permitiu que os ratos voltassem a andar em quatro semanas. As formulações com movimento molecular mais rápido tiveram melhor desempenho do que as versões mais lentas, sugerindo que o aumento do movimento melhora a bioatividade e a sinalização celular.

Simulando Trauma da Medula Espinhal

Para testar a terapia, os pesquisadores criaram dois tipos comuns de lesão medular nos organoides. Alguns foram cortados com bisturi para imitar uma laceração semelhante a uma ferida cirúrgica. Outros foram submetidos a uma lesão por contusão compressiva, comparável ao trauma de um grave acidente de carro ou queda.

Ambos os tipos de lesão levaram à morte celular e à formação de cicatrizes gliais – assim como ocorre em lesões reais da medula espinhal.

“Podemos distinguir entre os astrócitos que fazem parte do tecido normal e os astrócitos da cicatriz glial, que são grandes e densamente compactados”, disse Stupp. “Também detectamos a produção de proteoglicanos de sulfato de condroitina, que são moléculas do sistema nervoso que respondem a lesões e doenças”.

Após o tratamento com moléculas dançantes, a estrutura de nanofibras gelificada reduziu a inflamação, encolheu as cicatrizes gliais, estimulou a extensão de neurites e encorajou os neurônios a crescerem em padrões organizados.

Neurites incluem axônios, que são frequentemente cortados em lesões da medula espinhal. Quando os axônios são cortados, a comunicação entre os neurônios é interrompida, levando à paralisia e à perda de sensibilidade abaixo do local da lesão. A promoção do novo crescimento de neurites poderia reconectar essas vias e ajudar a restaurar a função.

O papel do movimento molecular

Stupp credita a eficácia da terapia ao movimento supramolecular, ou seja, à capacidade das moléculas de se moverem rapidamente e até mesmo de se separarem brevemente da rede de nanofibras. Experimentos em organoides saudáveis ​​reforçaram essa ideia.

“Antes mesmo de desenvolvermos o modelo de lesão, testamos a terapia em um organoide saudável”, disse ele. “As moléculas dançantes geraram todas essas longas neurites na superfície do organoide, mas, quando usamos moléculas que tinham menos ou nenhum movimento, não vimos nada. Essa diferença era muito vívida.”

Olhando para o futuro, a equipe planeja projetar organoides ainda mais avançados para refinar seus modelos. Eles também pretendem desenvolver versões que reproduzam lesões crônicas e de longa duração, que normalmente envolvem tecido cicatricial mais espesso e persistente. Com o desenvolvimento adicional, Stupp disse que essas medulas espinhais em miniatura poderiam contribuir para a medicina personalizada, gerando tecido implantável a partir das células-tronco do próprio paciente, reduzindo o risco de rejeição imunológica.

O estudo, “Lesão e terapia em um organoide da medula espinhal humana”, foi apoiado pelo Centro de Nanomedicina Regenerativa da Universidade Northwestern e uma doação da Família John Potocsnak para pesquisas sobre lesões na medula espinhal.