Corda Espinhal Humana Crescida em Laboratório Se Regenera Após Lesão em Avanço Revolucionário

Nesta nova pesquisa, a equipe utilizou organoides da medula espinhal humana — órgãos em miniatura derivados de células-tronco — para recriar diversas formas de trauma na medula espinhal e avaliar um tratamento regenerativo promissor.

Pela primeira vez, os pesquisadores demonstraram que esses organoides podem reproduzir fielmente as principais consequências biológicas de uma lesão na medula espinhal. O modelo apresentou morte celular, inflamação e cicatrização glial, que é um acúmulo espesso de tecido cicatricial que forma uma barreira física e química, impedindo a reparação dos nervos.

Quando os organoides danificados foram tratados com “moléculas dançantes” — uma terapia que restaurou o movimento e reparou tecido em um estudo anterior com animais — os resultados foram dramáticos. O tecido lesado produziu um crescimento substancial de neuritos, ou seja, as longas extensões que permitem a comunicação entre neurônios começaram a crescer novamente. O tecido cicatricial foi muito reduzido. As descobertas reforçam a ideia de que esta terapia, que recentemente recebeu a Designação de Medicamento Órfão da Administração de Alimentos e Medicamentos dos EUA (FDA), pode melhorar a recuperação de pessoas com lesões na medula espinhal.

O estudo foi publicado em 11 de fevereiro na revista Nature Biomedical Engineering.

“Um dos aspectos mais empolgantes dos organoides é que podemos usá-los para testar novas terapias em tecido humano”, afirmou Samuel I. Stupp, autor sênior do estudo e inventor das moléculas dançantes. “A não ser que se faça um ensaio clínico, essa é a única maneira de se 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 já observamos no modelo animal. Após aplicar nossa terapia, a cicatriz glial desbotou significativamente, tornando-se quase indistinguível, e vimos neuritos crescendo, semelhante à regeneração de axônios que observamos em animais. Isso valida que nossa terapia tem uma boa chance de funcionar em humanos.”

Stupp é um líder em ciência de materiais regenerativos e ocupa o cargo de Professor do Conselho de Curadores de Ciência dos Materiais e Engenharia, Química, Medicina e Engenharia Biomédica na Northwestern. Ele possui nomeações na Escola de Engenharia McCormick, no Colégio de Artes e Ciências Weinberg e na Escola de Medicina Feinberg, além de dirigir o Centro de Nanomedicina Regenerativa (CRN). O primeiro autor do artigo é Nozomu Takata, professor assistente de medicina na Feinberg e membro do CRN.

A Importância dos Organoides Humanos

Organoides são cultivados a partir de células-tronco pluripotentes induzidas em laboratório. Embora sejam versões simplificadas de órgãos completos, eles se assemelham intimamente a tecidos reais em termos de 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 a um custo menor em comparação com experimentos em animais ou ensaios clínicos humanos.

Embora outros grupos tenham produzido organoides da medula espinhal para estudar a 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 guiou as células-tronco para formar um tecido complexo da medula espinhal contendo neurônios e astrócitos. Eles também foram os primeiros a incorporar microglia — células imunes encontradas no sistema nervoso central — para replicar melhor a resposta inflamatória que se segue a uma lesão na 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 todas as substâncias químicas que o sistema imunológico residente produz em resposta a uma lesão. Isso torna o modelo mais realista e preciso para lesões da medula espinhal.”

O Que São Moléculas Dançantes

Uma vez que os organoides da medula espinhal estavam completamente desenvolvidos, os pesquisadores concentraram sua atenção em testar lesão e tratamento. Introduzida pela primeira vez em 2021, a terapia das moléculas dançantes utiliza um movimento molecular controlado para reparar tecidos e potencialmente reverter a paralisia após uma lesão traumática na medula espinhal. Ela pertence a uma classe mais ampla de peptídeos terapêuticos supramoleculares (STPs), que dependem de grandes assembleias de 100.000 ou mais moléculas para ativar os receptores celulares e estimular os sinais naturais de reparo do corpo. (O conceito de terapias supramoleculares também é utilizado em medicamentos GLP-1 atuais 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 rapidamente forma uma rede de nanofibras semelhante à matriz extracelular da medula espinhal. Ao ajustar a dinâmica de movimento das moléculas dentro dessa estrutura, os pesquisadores melhoraram a forma como interagem com os receptores celulares que estão em constante mudança.

“Dado que as próprias células e seus receptores estão em constante movimento, você pode imaginar que moléculas se movendo mais rapidamente teriam contato com esses receptores com mais frequência”, disse Stupp em 2021. “Se as moléculas forem lentas e não tão ‘sociais’, podem nunca entrar em contato com as células.”

Em experimentos anteriores com animais, uma única injeção administrada 24 horas após uma lesão grave permitiu que camundongos andassem novamente em quatro semanas. Formulações com movimento molecular mais rápido apresentaram melhor desempenho do que versões mais lentas, sugerindo que um movimento aumentado melhora a bioatividade e a sinalização celular.

Simulando Trauma na Medula Espinhal

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

Ambos os tipos de lesão levaram à morte celular e à formação de cicatrizes gliais — assim como ocorre em uma lesão real da medula espinhal.

“Podemos distinguir entre os astrócitos que fazem parte do tecido normal e os astrócitos na cicatriz glial, que são grandes e muitodensamente agrupados”, disse Stupp. “Também detectamos a produção de proteoglicanos sulfatados de condroitina, que são moléculas no sistema nervoso que respondem a lesões e doenças.”

Após o tratamento com as moléculas dançantes, o andame gelfibrado reduziu a inflamação, diminuiu a cicatriz glial, estimulou a extensão de neuritos e incentivou os neurônios a crescer em padrões organizados.

Neuritos incluem axônios, que muitas vezes são cortados em lesões da medula espinhal. Quando os axônios são cortados, a comunicação entre neurônios é interrompida, levando à paralisia e à perda de sensibilidade abaixo do local da lesão. Promover o regrowth de neuritos poderia reconectar essas vias e ajudar a restaurar a função.

A Importância do Movimento Molecular

Stupp credita a eficácia da terapia ao movimento supramolecular, ou seja, a capacidade das moléculas de se mover rapidamente e até se desanexar 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 todos esses longos neuritos na superfície do organoide, mas, quando usamos moléculas que tinham menos ou nenhum movimento, não vimos nada. Essa diferença foi muito evidente.”

Olhando para o futuro, a equipe pretende desenvolver organoides ainda mais avançados para aprimorar seus modelos. Eles também pretendem desenvolver versões que repliquem lesões crônicas, de longa data, que normalmente envolvem tecido cicatricial mais espesso e persistente. Com um desenvolvimento adicional, Stupp afirmou que esses mini cordões espinhais poderiam contribuir para a medicina personalizada, gerando tecido implantável a partir das próprias células-tronco do 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 por uma doação da Família John Potocsnak para pesquisa sobre lesões na medula espinhal.