Anfa­bios e humanos diferem em muitos aspectos, mas Laurie Boyer, professora de biologia e engenharia biológica do MIT, estãoparticularmente interessada em uma dessas diferenças. Certos tipos de anfa­bios e peixes podem regenerar e curar seus corações após um ferimento. Em contraste, humanos adultos que sofreram traumas no coração, como no caso de um ataque carda­aco ou exposição a certos medicamentos, são incapazes de reparar o dano. Frequentemente, o coração lesado termina com tecido cicatricial que pode levar a  insuficiência carda­aca.

Pesquisas recentes nesta área indicam agora que ratos, e atéhumanos, tem alguma capacidade de reparo carda­aco por um curto período após o nascimento. Mas mesmo depois de alguns dias de idade, essa capacidade comea§a a se desligar. “O coração tem uma capacidade muito limitada de se reparar em resposta a ferimentos, doenças ou envelhecimento”, diz Boyer.

Alexander Auld, um pa³s-doutorado no Boyer Lab, estuda os principais mecanismos celulares que levam as células carda­acas a amadurecer e perder o potencial regenerativo. Especificamente, ele estãointeressado em entender como os cardiomia³citos, as células do coração responsa¡veis ​​pelo bombeamento do sangue, desenvolvem a capacidade de se contrair e relaxar repetidamente. Auld testa a função de protea­nas que servem como sinais para montar a estrutura do maºsculo carda­aco após o nascimento. A montagem dessas estruturas coincide com a perda da capacidade regenerativa. 

“Estou tentando juntar as pea§as: quais são os diferentes mecanismos que empurram os cardiomia³citos para montar seu aparelho contra¡til e parar de se dividir?” Auld diz. “Resolver este quebra-cabea§a pode ter potencial para estimular a regeneração no maºsculo carda­aco adulto.”

“O Santo Graal da biologia regenerativa seria estimular as células do seu pra³prio coração a se reabastecerem”, diz Boyer, que ingressou no corpo docente do MIT em 2007. “Antes que essa abordagem seja possí­vel, precisamos alcana§ar uma compreensão profunda dos processos fundamentais que impulsionar o desenvolvimento do coração. ”

O laboratório de Boyer estuda quantos sinais e genes diferentes interagem para afetar o desenvolvimento do coração. O trabalho permitira¡ uma melhor compreensão de como a regulamentação defeituosa pode levar a doenças e também pode permitir novas terapias para pessoas que sofrem de uma variedade de problemas carda­acos.

Recentemente, o laboratório de Boyer tem estudado o desenvolvimento do coração em pessoas com Trissomia 21 ou sa­ndrome de Down. Todos os anos, 6.000 bebaªs nascidos nos Estados Unidos tem sa­ndrome de Down. Cerca de metade tem defeitos carda­acos. O defeito carda­aco mais comum em bebaªs com sa­ndrome de Down éum orifa­cio no centro do coração, denominado defeito do septo atrioventricular. Muitas vezes éreparado com cirurgia, mas o reparo pode causar tecido cicatricial e complicações cardiovasculares.

Canãlulas soma¡ticas são aquelas que compõem o corpo de um organismo; eles diferem das células sexuais, que são usadas para a reprodução. A maioria das pessoas tem 46 cromossomos, dispostos em 23 pares, nas células soma¡ticas do corpo. Em 95 por cento dos casos, a sa­ndrome de Down ocorre quando uma pessoa tem três ca³pias do cromossomo 21 em vez de duas - um total de 47 cromossomos por canãlula. a‰ um exemplo de aneuploidia, quando uma canãlula possui um número anormal de cromossomos. As tentativas celulares de se adaptar ao cromossomo extra podem causar estresse nas células do corpo, incluindo as do coração.

O Alana Down Syndrome Center (ADSC) do MIT reaºne bia³logos, neurocientistas, engenheiros e outros especialistas para aumentar o conhecimento sobre a sa­ndrome de Down. O ADSC foi lana§ado no ini­cio de 2019, liderado por Angelika Amon, professora de biologia e membro do Koch Institute for Integrative Cancer Research, junto com o codiretor Li-Huei Tsai, Picower Professor e diretor do Picower Institute for Learning and Memory. Amon morreu aos 53 anos em 2020, após uma batalha contra o câncer de ova¡rio. No MIT, Amon havia estudado os efeitos da aneuploidia nas células.

“Em minhas muitas discussaµes cienta­ficas e pessoais maravilhosas com Angelika, que foi um farol de inspiração para mim, ficou claro que estudar a Trissomia 21 no contexto do desenvolvimento do coração poderia melhorar a vida dessas pessoas”, diz Boyer.

Para conduzir sua pesquisa, o grupo de Boyer usa células pluripotentes induzidas por humanos (hiPSCs), obtidas por meio da reprogramação de células soma¡ticas. A técnica revoluciona¡ria foi desenvolvida por Sir John B. Gurdon e Shinya Yamanaka, que em 2012 ganhou o Praªmio Nobel de Fisiologia ou Medicina por seu trabalho. A reprogramação funciona convertendo células soma¡ticas maduras especializadas com uma função particular em células maduras especializadas com uma função diferente.

O laboratório de Boyer usa hiPSCs de humanos adultos com sa­ndrome de Down e os converte em cardiomia³citos por meio da reprogramação de células soma¡ticas. Em seguida, eles comparam esses cardiomia³citos com células reprogramadas de indivíduos que não tem sa­ndrome de Down. Este trabalho os ajuda a deduzir por que o cromossomo extra em pessoas com sa­ndrome de Down pode causar defeitos carda­acos congaªnitos.

“Agora podemos comea§ar a identificar os sinais e genes defeituosos nas células carda­acas de Trissomia 21 que afetam o desenvolvimento do coração”, diz Boyer. “E com a mesma ideia, também podemos descobrir como podemos realmente ser capazes de melhorar ou consertar esses defeitos.”

Com esta técnica, a equipe pode rastrear como os aspectos do desenvolvimento celular de um paciente especa­fico se correlacionam com sua apresentação cla­nica. A capacidade de analisar células especa­ficas do paciente também tem implicações para a medicina personalizada, diz Boyer. Por exemplo, a pele ou as células sanguíneas de um paciente - que são mais facilmente obtidas - poderiam ser convertidas em uma canãlula madura altamente especializada, como uma canãlula do maºsculo carda­aco, e testada para sua resposta a drogas que poderiam causar danos ao coração antes eles chegam a  cla­nica. Este processo também pode ser usado para rastrear novas terapias que podem melhorar o resultado para pacientes com insuficiência carda­aca.

Boyer apresentou a pesquisa do grupo sobre a sa­ndrome de Down no New England Down Symposium, coorganizado em novembro de 2020 pelo MIT, ADSC, Massachusetts Down Syndrome Congress e LuMind IDSC Foundation.

O laboratório de Boyer emprega alunos nos na­veis de graduação, pós-graduação e pa³s-doutorado de engenharia, ciências da vida e ciências da computação - cada um dos quais, diz Boyer, traz especialização e valor aºnicos para a equipe.

“a‰ importante para mim ter um laboratório onde todos se sintam bem-vindos e que sintam que podem contribuir para essas descobertas fundamentais”, afirma Boyer.

O Boyer Lab costuma trabalhar com acadaªmicos de várias disciplinas no MIT. “a‰ realmente a³timo”, diz Auld. “Vocaª pode investigar um problema usando várias ferramentas e perspectivas.”

Um projeto, em parceria com George Barbastathis, professor de engenharia meca¢nica, usa o aprendizado de ma¡quina baseado em imagens para entender as diferenças estruturais dentro dos cardiomia³citos quando as protea­nas que sinalizam o desenvolvimento das células foram manipuladas. O Auld gera imagens de alta resolução que os algoritmos de aprendizado de ma¡quina podem analisar.

Outro projeto, em colaboração com Ed Boyden, professor do Departamento de Engenharia Biola³gica e do Instituto McGovern para Pesquisa do Canãrebro, envolve o desenvolvimento de novas tecnologias que permitem imagens de alto rendimento de células carda­acas. A polinização cruzada entre departamentos e áreas de especialização no MIT, diz Boyer, muitas vezes a faz se sentir como "uma criana§a em uma loja de doces".

“O fato de nosso trabalho poder impactar a saúde humana émuito gratificante para mim, e a capacidade de usar nossas descobertas cienta­ficas para melhorar os resultados médicos éuma direção importante do meu laboratório”, diz Boyer. “Dado o enorme talento do MIT e o entusiasmo e vontade de todos aqui para trabalharem juntos, temos uma oportunidade sem precedentes de resolver problemas importantes que podem fazer a diferença na vida das pessoas.”