Uma das mutações mais frequentes do DNA mitocondrial humano acaba de revelar, em detalhes sem precedentes, como pode levar à degeneração cerebral progressiva. Em um estudo publicado neste domingo (21), na revista científica Nature Communications, pesquisadores da University of Cambridge demonstraram que a mutação m.3243A>G provoca alterações profundas na função energética dos neurônios, levando à degeneração axonal e à morte celular seletiva em regiões específicas do cérebro.

O trabalho foi liderado por Denisa Hathazi, ao lado de Camilla Lyons, András Lakatos e Rita Horvath, reunindo cientistas da Universidade de Cambridge, da Newcastle University e da Icahn School of Medicine at Mount Sinai.

A mutação m.3243A>G ocorre no gene mitocondrial MT-TL1 e é responsável por aproximadamente 80% dos casos da síndrome MELAS (Encefalomiopatia Mitocondrial com Acidose Lática e Episódios Semelhantes a AVC), uma das doenças mitocondriais mais graves conhecidas. Pacientes frequentemente apresentam convulsões, perda auditiva, diabetes, fraqueza muscular, déficits cognitivos e episódios neurológicos potencialmente fatais.

Apesar de décadas de pesquisa, os mecanismos celulares que ligam a mutação aos sintomas neurológicos permaneciam pouco compreendidos, principalmente pela ausência de modelos animais capazes de reproduzir fielmente a doença.

Para superar essa limitação, a equipe desenvolveu organoides cerebrais humanos — estruturas tridimensionais derivadas de células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) de pacientes portadores da mutação. No total, foram produzidas 756 fatias de organoides provenientes de sete linhagens celulares, representando diferentes níveis de heteroplasmia, isto é, diferentes proporções de DNA mitocondrial mutado.

Os pesquisadores criaram organoides contendo níveis baixos, médios e altos da mutação. Nos modelos com maior carga mutacional — cerca de 70% de DNA mitocondrial alterado — surgiram defeitos metabólicos significativos.

Análises bioquímicas mostraram redução importante da atividade dos complexos I e IV da cadeia respiratória mitocondrial, estruturas essenciais para a produção de ATP, a principal moeda energética celular. Como consequência, os neurônios passaram a depender mais da glicólise, uma via metabólica menos eficiente.

Segundo os autores, existe um limiar crítico de heteroplasmia acima do qual os mecanismos compensatórios deixam de funcionar. Nessa situação, as células já não conseguem aumentar adequadamente o número de cópias de DNA mitocondrial para sustentar a produção energética.

O aspecto mais surpreendente do estudo foi a identificação de uma vulnerabilidade extrema dos chamados neurônios de camada profunda do córtex cerebral, particularmente aqueles que expressam o marcador CTIP2.

Esses neurônios são responsáveis por conexões de longa distância entre o córtex e estruturas como tronco cerebral, medula espinhal e tálamo. Por sustentarem extensas redes de comunicação, apresentam demanda energética muito elevada.

Nos organoides com alta heteroplasmia, a proporção desses neurônios caiu significativamente, enquanto os neurônios das camadas superiores permaneceram praticamente preservados.

A análise por sequenciamento de RNA de célula única revelou que esses neurônios apresentavam alterações em genes associados à manutenção dos axônios, remodelação do citoesqueleto, adesão celular e comunicação sináptica. Também foram observados sinais de estresse oxidativo, dano ao DNA, ferroptose e ativação de programas celulares relacionados à apoptose.

Para validar os resultados, a equipe examinou tecido cerebral obtido em autópsia de um paciente de 70 anos com MELAS, cuja taxa de heteroplasmia no cérebro alcançava 82%.

As análises revelaram perda neuronal acentuada no córtex occipital, especialmente na camada V — justamente a região rica em neurônios profundos identificados como vulneráveis nos organoides. Também foi observada ativação microglial intensa, indicando um processo inflamatório associado à degeneração neuronal.

Embora baseada em um único caso, a observação reforça a hipótese de que os mecanismos identificados nos organoides reproduzem eventos que ocorrem no cérebro humano afetado pela doença.

Experimentos adicionais mostraram que os neurônios portadores de altos níveis da mutação apresentavam mitocôndrias fragmentadas no corpo celular e acúmulo anormal dessas organelas ao longo dos axônios.

Os pesquisadores observaram ainda aumento expressivo de "blebs" axonais — dilatações características dos estágios iniciais de degeneração neuronal. Paralelamente, marcadores bioquímicos confirmaram ativação de caspase-3 e aumento de células positivas para TUNEL, evidenciando apoptose.

Quando os neurônios foram submetidos a estresse metabólico adicional em laboratório, a sobrevivência celular caiu ainda mais, reforçando a ligação entre deficiência energética e morte neuronal.

Para os autores, o estudo representa um avanço importante na compreensão das doenças mitocondriais humanas. Além de revelar por que determinados neurônios são mais vulneráveis do que outros, o modelo de organoide oferece uma plataforma inédita para testar terapias experimentais.

"Nosso trabalho fornece uma visão mecanística dos defeitos mitocondriais específicos de tipos celulares no cérebro e demonstra como a vulnerabilidade neuronal é moldada pelo estresse metabólico e pelas demandas bioenergéticas", concluem Hathazi e colaboradores.

Os pesquisadores acreditam que a plataforma poderá ser utilizada para avaliar futuras estratégias de edição do DNA mitocondrial e novas intervenções farmacológicas. Mais amplamente, os resultados podem ajudar a compreender o papel da disfunção mitocondrial em doenças neurodegenerativas como Parkinson, Alzheimer e esclerose lateral amiotrófica, nas quais a falência energética também desempenha papel central.

Em um campo marcado pela escassez de modelos experimentais confiáveis, o estudo oferece uma janela inédita para observar, célula por célula, como uma mutação hereditária transforma a usina energética das células em um gatilho para a degeneração cerebral.