Cientistas de materiais da UNSW Sydney mostraram que células-tronco pluripotentes humanas em laboratório podem iniciar um processo semelhante à fase de gastrulação – onde as células começam a se diferenciar em novos tipos de células – muito antes do que ocorre na mãe natureza.

Para um embrião se desenvolvendo no útero, a gastrulação ocorre no dia 14. Mas em uma placa em um laboratório no campus de Kensington da UNSW, o professor associado da Scientia Kris Kilian supervisionou um experimento em que um evento semelhante à gastrulação foi desencadeado dois dias após a cultura de células-tronco humanas em um biomaterial único que, como se viu, criou as condições para mimetizar esse estágio do desenvolvimento do embrião.

"A gastrulação é a etapa chave que leva ao plano do corpo humano", diz A/Prof. Kilian.

"É o início do processo em que uma simples folha de células se transforma para formar todos os tecidos do corpo - nervos, tecido cardiovascular e sanguíneo e tecido estrutural como músculo e osso. Mas não conseguimos realmente estudar o processo em humanos porque você não pode estudar isso no laboratório sem levar em desenvolvimento o tecido embrionário."

“Portanto, é realmente emocionante podermos ver isso acontecendo in vitro”.

A conquista, relatada hoje na revista Advanced Science , não tem apenas implicações para nossa compreensão do desenvolvimento embrionário humano, mas também novos tratamentos na medicina, incluindo terapia celular, desenvolvimento de medicamentos direcionados e tecnologias de edição de genes CRISPR.

O biólogo do desenvolvimento Lewis Wolpert disse certa vez: "Não é o nascimento, o casamento ou a morte, mas a gastrulação que é realmente o momento mais importante da sua vida". A gastrulação é o evento chave no desenvolvimento de um embrião quando uma massa de células indiferenciadas inicia os primeiros passos de uma longa jornada no útero para a formação de um ser humano. Esta é uma das razões pelas quais o trabalho com embriões que sobraram da fertilização in vitro é proibido além de 14 dias, quando ocorre a gastrulação.

Kilian diz que, até agora, tem sido difícil estudar esse processo em humanos devido a restrições éticas óbvias.

"Controlar a gastrulação usando apenas materiais fornecerá uma maneira totalmente nova de estudar o desenvolvimento humano", diz ele.

“Atualmente não podemos fazer isso porque a pesquisa de embriões além de 14 dias é frequentemente vista como antiética, e atualmente é impossível in vivo porque você precisaria observar um embrião em uma mãe humana grávida”.

Mas, embora existam modelos animais para estudar – como camundongos e peixes-zebra – e outros pesquisadores tenham induzido eventos semelhantes à gastrulação em laboratório usando produtos químicos, incluindo fatores de crescimento , esta é a primeira vez que as condições de cultura sozinhas iniciaram a gastrulação fora de um corpo humano.

"Nosso método pode levar a uma nova abordagem para imitar a embriogênese humana fora de uma pessoa", diz Kilian.

Nas ciências médicas, a capacidade de induzir a gastrulação em embriões “sintéticos” como os criados pela equipe da UNSW também pode ajudar na criação de tecidos corporais ou mesmo órgãos em miniatura com base no código genético do próprio paciente. Esses chamados 'organoides', pouco visíveis a olho nu, já estão sendo desenvolvidos com células-tronco para pesquisas médicas , como testar a eficácia de certos medicamentos. Mas o processo requer produtos químicos para estimular as células a formar tecidos de órgãos diferenciados, o que é demorado e caro.

Kilian diz que controlar a gastrulação usando apenas materiais de hidrogel para estimular o que acontece naturalmente pode ser uma solução mais rápida e econômica.

"O que realmente nos entusiasma sobre isso é o potencial de tornar as células terapeuticamente úteis muito mais rápidas e reprodutíveis", diz Kilian.

"Nosso método poderia fornecer uma maneira de iniciar a 'organogênese' - com uma série de centenas de agregados celulares bem definidos em um único poço - levando a estruturas mais rápidas e bem definidas que poderiam então ser transformadas em cérebro, fígado, intestino, potencialmente qualquer tecido de órgão sólido.

"Essa abordagem também pode revolucionar o desenvolvimento de medicamentos, incluindo as abordagens de RNA e CRISPR/Cas9, fornecendo uma maneira mais reprodutível de imitar o tecido humano em um laboratório. função de restauração."

O segredo do sucesso do trabalho da equipe UNSW no laboratório está na estrutura da cultura em que as células-tronco foram semeadas. Usando uma técnica adaptada da indústria de semicondutores, regiões definidas são fabricadas em um hidrogel para as células aderirem. Essa combinação de confinamento geométrico e gel macio que imita a superfície de um útero humano induz as células a iniciar processos semelhantes à gastrulação.

"Descobrimos que, se você pegar células-tronco pluripotentes e colocá-las em um ambiente muito confinado e macio, é semelhante ao que as células podem experimentar no útero de uma mãe", diz Kilian.

“Esse material viscoelástico, macio e mole dá a eles pistas suficientes para que eles iniciem esse processo de gastrulação por conta própria”.

Isso contrasta muito com a prática padrão que tem sido usada em laboratórios mais recentemente, que força um tipo de processo de gastrulação usando fatores de crescimento e suplementos químicos em plástico rígido ou pratos de vidro.

"Sem surpresa, pesquisas anteriores de cultivo de células-tronco em vidro ou plástico falharam em recapitular os sinais que acontecem em um corpo. uma pessoa."

Mas Kilian adverte que, embora a equipe tenha descoberto as condições que emulam o primeiro estágio da gastrulação, isso não parece ir além.

"Não podemos fazer uma pessoa dessa maneira", diz ele.

"Este método demonstra apenas o estágio inicial, mas muito crucial, do desenvolvimento. O impacto reside na possibilidade de estudar esse estágio tão importante do desenvolvimento humano e usar as estruturas geradas para o desenvolvimento de terapias."

Como acontece com a maioria das grandes descobertas da ciência, o acaso desempenhou um papel. A equipe não estava procurando ativamente provocar gastrulação quando jogou algumas células-tronco no substrato de hidrogel.

A principal autora, Dra. Pallavi Srivastava, ficou surpresa com o que ela observou.

"Inicialmente, eu estava tentando fazer com que as células-tronco se ligassem aos nossos hidrogéis e planejava diferenciá-las da maneira convencional", diz ela.

"A diferença entre as células cultivadas em vidro e aquelas em nossos géis foi muito impressionante. Lembro-me de pensar: 'uau, algo está acontecendo aqui. Preciso investigar'. Isso levou a uma grande mudança em meu projeto e, finalmente, a essa empolgante descoberta."

Os pesquisadores esperam poder continuar explorando os benefícios de sua descoberta ao entender como os materiais podem guiar a embriogênese e além. Kilian diz que, embora essa descoberta seja empolgante, é necessário mais trabalho para orientar os processos semelhantes à gastrulação para formar tecidos úteis.

"Este é realmente o primeiro passo no que esperamos ser uma tecnologia de plataforma para a produção de modelos de tecidos úteis. Acionar a gastrulação não é suficiente - agora precisamos fornecer outros sinais para manter a diferenciação em andamento."

Descobrir o próximo conjunto de sinais de materiais pode permitir a criação de praticamente qualquer tecido sólido para fins de pesquisa, diz Kilian, e para gerar tipos de células úteis para a medicina regenerativa.

"Considerando que as células- tronco pluripotentes agora podem ser geradas a partir de amostras de sangue ou tecido, o futuro está aberto para a regeneração de tecidos e órgãos a partir das células do próprio paciente".

Mais informações: Pallavi Srivastava et al, Defined Microenvironments Trigger In Vitro Gastrulation in Human Pluripotent Stem Cells, Advanced Science (2022). DOI: 10.1002/advs.202203614

Informações da revista: Ciência Avançada