Saúde

Lagartos humildes oferecem novas possibilidades para pulmões artificiais
Quando se trata de estudar os pulmões, os humanos absorvem todo o ar, mas os cientistas têm muito a aprender com os lagartos.
Por Scott Lyon - 01/01/2022

Os pesquisadores de Princeton descobriram que os pulmões de anol marrom se desenvolvem de forma rápida e muito mais simples do que os pulmões humanos, oferecendo um modelo simples que os engenheiros podem usar para desenvolver biotecnologia avançada 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 pulmões humanos se desenvolvem ao longo de meses e anos em estruturas barrocas semelhantes a árvores, o pulmão anole se desenvolve em apenas alguns dias em lobos grosseiros cobertos por protuberâncias bulbosas. Essas estruturas semelhantes a uma abóbora, embora muito menos refinadas, permitem que o lagarto troque oxigênio por gases residuais, assim como os pulmões humanos. E porque eles crescem rapidamente ao alavancar processos mecânicos simples, os pulmões anole fornecem uma nova inspiração para engenheiros que projetam biotecnologias avançadas.

“Nosso grupo está realmente interessado em compreender o desenvolvimento do pulmão 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 pulmões se constroem, talvez possamos aproveitar os mecanismos que a mãe natureza usa para regenerar ou manipular os tecidos.”

Enquanto os pulmões de aves e mamíferos desenvolvem grande complexidade por meio de ramificações intermináveis ​​e sinalização bioquímica complicada, o pulmão anol marrom forma sua complexidade relativamente modesta por meio de um processo mecânico que os autores compararam a uma bola de estresse de malha - o brinquedo comum encontrado em gavetas de escrivaninha e vídeos de bricolagem. Este estudo é o primeiro a examinar o desenvolvimento de um pulmão de réptil, de acordo com os pesquisadores.

O pulmão anol começa a se desenvolver alguns dias como uma membrana alongada e oca, cercada por uma camada uniforme de músculo liso. Durante o desenvolvimento, as células pulmonares secretam fluido e, à medida que o fazem, a membrana interna se infla e afina lentamente como um balão. A pressão empurra o músculo 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 elástica para fora, projetando-se através das aberturas da malha robusta e formando bulbos cheios de líquido que cobrem o pulmão. Essas protuberâncias criam uma grande área de superfície onde ocorre a troca gasosa.

estrutura da célula do pulmão do lagarto
Os pulmões de um anole marrom se desenvolvem por meio de um processo físico que os
pesquisadores comparam a uma bola anti-stress - o brinquedo comum que pode ser
espremido em inúmeras formas protuberantes. Nos pulmões anole, a pressão do fluido
empurra uma membrana interna elástica (verde) através de uma malha muscular (rosa),
formando protuberâncias cheias de fluido com área de superfície abundante onde ocorre
a troca gasosa. Essas estruturas simples permitem que o lagarto troque oxigênio por gases
residuais, assim como os pulmões humanos, mas eles crescem em apenas alguns dias,
enquanto os pulmões humanos levam meses para se desenvolver completamente. 
Foto cortesia dos pesquisadores

E é isso.

Todo o processo leva menos de dois dias e é concluído na primeira semana de incubação. Depois que o lagarto eclode, o ar entra pela parte superior do pulmão, 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 répteis com muito mais detalhes.

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

Ansiosa por desconcertar essas suposições, ela orientou sua equipe a fazer perguntas fundamentais sobre como os pulmões de diferentes classes de vertebrados se constroem. “A arquitetura do pulmão das aves é incrivelmente diferente daquela do pulmão dos mamíferos”, disse Nelson. Por exemplo, em vez de um diafragma, os pássaros têm sacos de ar embutidos em seus corpos que funcionam como foles.

Para adaptar a requintada complexidade dos pulmões das aves às 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 lá estava o réptil, fazendo o que os répteis fazem tão bem: escondendo-se à 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 intratáveis. Os anoles verdes recusaram-se a procriar. Após anos de trabalho preliminar, Palmer fez uma viagem à Flórida 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 dúzia de indivíduos e colocá-los cada um em seu próprio pequeno terrário. Eles então levaram os animais do norte da Flórida de volta a Princeton, onde os veterinários 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 Košmrlj, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial, e também com a estudante de graduação Anvitha Sudhakar, Palmer usou suas observações para construir um modelo computacional do pulmão e entender sua física.

“Estávamos curiosos para saber se poderíamos aprender algo sobre os fundamentos do desenvolvimento pulmonar estudando um pulmão tão simples”, disse Palmer, que obteve seu doutorado. em engenharia química e biológica no início deste ano. Ele tinha visto evidências de que o músculo liso desempenhava um papel escultórico em outros sistemas, mas, neste estudo, ele foi capaz de observar como isso funcionava diretamente.

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

Os pesquisadores moldaram a membrana usando um material de silicone chamado Ecoflex, comumente usado na indústria cinematográfica 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 verossimilhança de sua criação, mas no final, era estranhamente semelhante ao órgão vivo.

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

“Diferentes organismos têm diferentes estruturas de órgãos. Isso é lindo e podemos aprender muito com isso ”, disse Nelson. “Se reconhecermos que há muita 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.”

“ Morfogênese da bola de estresse: Como o lagarto constrói seu pulmão ” aparece na edição de 22 de dezembro da Science Advances (DOI: 10.1126 / sciadv.abk0161 ) . A pesquisa foi apoiada por fundos do National Institutes of Health, da National Science Foundation, do Eric e Wendy Schmidt Transformative Technology Fund e do Howard Hughes Medical Institute. Os autores adicionais incluem Bryan A. Nerger, Katharine Goodwin, Sandra B. Lemke, Pavithran T. Ravindran e Jared E. Toettcher, professor associado de biologia molecular.

 

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