Os pesquisadores de Princeton descobriram que os pulmaµes de anol marrom se desenvolvem de forma rápida e muito mais simples do que os pulmaµes humanos, oferecendo um modelo simples que os engenheiros podem usar para desenvolver biotecnologia avana§ada para regenerar e manipular tecidos. Foto da iStock

Um novo estudo da Universidade de Princeton mostra como o lagarto anole marrom resolve um dos problemas mais complexos da natureza - a respiração - com uma simplicidade elegante. Enquanto os pulmaµes humanos se desenvolvem ao longo de meses e anos em estruturas barrocas semelhantes a a¡rvores, o pulma£o anole se desenvolve em apenas alguns dias em lobos grosseiros cobertos por protubera¢ncias bulbosas. Essas estruturas semelhantes a uma aba³bora, embora muito menos refinadas, permitem que o lagarto troque oxigaªnio por gases residuais, assim como os pulmaµes humanos. E porque eles crescem rapidamente ao alavancar processos meca¢nicos simples, os pulmaµes anole fornecem uma nova inspiração para engenheiros que projetam biotecnologias avana§adas.

“Nosso grupo estãorealmente interessado em compreender o desenvolvimento do pulma£o para fins de engenharia”, disse Celeste Nelson , a Wilke Family Professor in Bioengineering e a principal investigadora de um estudo publicado em 22 de dezembro na revista Science Advances. “Se entendermos como os pulmaµes se constroem, talvez possamos aproveitar os mecanismos que a ma£e natureza usa para regenerar ou manipular os tecidos.”

Enquanto os pulmaµes de aves e mama­feros desenvolvem grande complexidade por meio de ramificações intermina¡veis ​​e sinalização bioquímica complicada, o pulma£o anol marrom forma sua complexidade relativamente modesta por meio de um processo meca¢nico que os autores compararam a uma bola de estresse de malha - o brinquedo comum encontrado em gavetas de escrivaninha e va­deos de bricolagem. Este estudo éo primeiro a examinar o desenvolvimento de um pulma£o de ranãptil, de acordo com os pesquisadores.

O pulma£o anol comea§a a se desenvolver alguns dias como uma membrana alongada e oca, cercada por uma camada uniforme de maºsculo liso. Durante o desenvolvimento, as células pulmonares secretam fluido e, a  medida que o fazem, a membrana interna se infla e afina lentamente como um bala£o. A pressão empurra o maºsculo liso, fazendo com que ele se contraia e se espalhe em feixes de fibras que, por fim, formam uma malha em forma de favo de mel. A pressão do fluido continua empurrando a membrana ela¡stica para fora, projetando-se atravanãs das aberturas da malha robusta e formando bulbos cheios de la­quido que cobrem o pulma£o. Essas protubera¢ncias criam uma grande área desuperfÍcie onde ocorre a troca gasosa.

E éisso.

Todo o processo leva menos de dois dias e éconclua­do na primeira semana de incubação. Depois que o lagarto eclode, o ar entra pela parte superior do pulma£o, gira em torno das cavidades e flui de volta para fora.

Para engenheiros que buscam atalhos da natureza em nome da saúde humana, essa velocidade e simplicidade criam um novo paradigma de design radical. O estudo também abre novos caminhos para os cientistas estudarem o desenvolvimento de ranãpteis com muito mais detalhes.

Quando Nelson começou a estudar os pulmaµes das galinhas no final dos anos 2000, a sabedoria convencional sustentava que “os pulmaµes das galinhas eram iguais aos pulmaµes dos ratos eram iguais aos humanos”, disse Nelson. "E isso não éverdade."

Ansiosa por desconcertar essas suposições, ela orientou sua equipe a fazer perguntas fundamentais sobre como os pulmaµes de diferentes classes de vertebrados se constroem. “A arquitetura do pulma£o das aves éincrivelmente diferente daquela do pulma£o dos mama­feros”, disse Nelson. Por exemplo, em vez de um diafragma, os pa¡ssaros tem sacos de ar embutidos em seus corpos que funcionam como foles.

Para adaptar a requintada complexidade dos pulmaµes das aves a s ferramentas que poderiam beneficiar a saúde humana, Nelson acreditava que a ciência precisava ir ainda mais fundo. A natureza resolveu o problema da troca gasosa com dois sistemas radicalmente diferentes. Como eles foram ligados? E pode haver outros sistemas também? Isso levou sua equipe de volta no tempo evolutivo em busca de uma origem comum. E la¡ estava o ranãptil, fazendo o que os ranãpteis fazem tão bem: escondendo-se a  vista de todos.

Quando Michael Palmer ingressou no laboratório como aluno de graduação, ele aceitou o desafio de organizar este estudo - literalmente - do zero. Os crocodilos se mostraram muito intrata¡veis. Os anoles verdes recusaram-se a procriar. Apa³s anos de trabalho preliminar, Palmer fez uma viagem a  Fla³rida para capturar anoles marrons selvagens no final de 2019. Ele e seu colega vagaram pela lama de um parque suburbano, virando pedras e folhas ao longo da borda da floresta. Eles usaram armadilhas feitas de fio dental para capturar cerca de uma daºzia de indivíduos e coloca¡-los cada um em seu pra³prio pequeno terra¡rio. Eles então levaram os animais do norte da Fla³rida de volta a Princeton, onde os veterina¡rios da Universidade e a equipe de recursos animais ajudaram a equipe a estabelecer uma instalação permanente de anole.

Foi quando Palmer começou a olhar para os ovos para mapear o desenvolvimento pulmonar dos organismos. Trabalhando com Andrej KoÅ¡mrlj, professor assistente de engenharia meca¢nica e aeroespacial, e também com a estudante de graduação Anvitha Sudhakar, Palmer usou suas observações para construir um modelo computacional do pulma£o e entender sua física.

“Esta¡vamos curiosos para saber se podera­amos aprender algo sobre os fundamentos do desenvolvimento pulmonar estudando um pulma£o tão simples”, disse Palmer, que obteve seu doutorado. em engenharia química e biológica no ini­cio deste ano. Ele tinha visto evidaªncias de que o maºsculo liso desempenhava um papel esculta³rico em outros sistemas, mas, neste estudo, ele foi capaz de observar como isso funcionava diretamente.

“O pulma£o do lagarto se desenvolve usando um mecanismo muito fa­sico”, disse Palmer. “Uma cascata de tensaµes induzidas por pressão e flambagem induzida por pressão.” Em menos de dois dias, o órgão passa de bala£o achatado a pulma£o totalmente formado. E o processo ésimples o suficiente para que Palmer possa usar seu modelo computacional para construir uma ranãplica funcional no laboratório. Embora o sistema projetado não correspondesse a  complexidade total do sistema vivo, ele chegou perto.

Os pesquisadores moldaram a membrana usando um material de silicone chamado Ecoflex, comumente usado na indústria cinematogra¡fica para maquiagem e efeitos especiais. Eles então envolveram esse silicone com células musculares impressas em 3D para criar os mesmos tipos de ondulações no silicone inflado que Palmer havia encontrado no órgão vivo. Eles encontraram barreiras técnicas que limitaram a verossimilhana§a de sua criação, mas no final, era estranhamente semelhante ao órgão vivo.

Esses humildes lagartos de quintal inspiraram um novo tipo de pulma£o artificial e uma estrutura que os engenheiros podem refinar para fins futuros desconhecidos.

“Diferentes organismos tem diferentes estruturas de órgãos. Isso élindo e podemos aprender muito com isso ”, disse Nelson. “Se reconhecermos que hámuita biodiversidade que não podemos ver e tentarmos tirar proveito disso, nós, como engenheiros, teremos mais ferramentas para enfrentar alguns dos principais desafios que a sociedade enfrenta.”