Pesquisadores desenvolveram um novo método para monitorar o fluxo de ferro — o movimento e a velocidade com que as células absorvem, armazenam, utilizam e liberam ferro — em células-tronco conhecidas como células estromais mesenquimais (MSCs). O sistema pode fornecer informações em um minuto sobre a capacidade de uma célula de gerar tecido cartilaginoso para o reparo da cartilagem. 

Essa descoberta oferece um caminho promissor para uma produção mais consistente e eficiente de células-tronco mesenquimais (MSCs) de alta qualidade para terapias regenerativas no tratamento de doenças articulares como osteoartrite, condições crônicas de degeneração articular e lesões na cartilagem.

O trabalho foi liderado por pesquisadores do grupo Critical Analytics for Manufacturing Personalized-Medicine (CAMP), dentro da Aliança Singapura-MIT para Pesquisa e Tecnologia  (SMART), e contou com o apoio do grupo de pesquisa SMART sobre Resistência Antimicrobiana  (AMR), em colaboração com o MIT e a Universidade Nacional de Singapura (NUS).

Um artigo descrevendo o trabalho, intitulado " Medição do fluxo de ferro celular por relaxometria de ressonância micromagnética como um atributo crítico de qualidade das células estromais mesenquimais ", foi publicado em fevereiro na revista Stem Cells Translational Medicine .

As terapias regenerativas representam uma promessa significativa para pacientes, com o potencial de reparar tecidos danificados em vez de apenas controlar os sintomas. No entanto, um dos maiores desafios para levar essas terapias aos pacientes reside na imprevisibilidade do potencial condrogênico das células-tronco mesenquimais (MSCs) — a capacidade de uma célula desenvolver e formar tecido cartilaginoso — durante o processo de produção in vitro.

Mesmo cultivadas em condições laboratoriais controladas, as Células-Tronco Mesenquimais (CTMs) são propensas a perder parte de seu potencial e capacidade de formar tecido cartilaginoso, o que leva a resultados inconsistentes no reparo da cartilagem devido à qualidade variável dos lotes de CTMs. Os testes existentes que avaliam a qualidade do potencial de formação de cartilagem das CTMs são destrutivos por natureza, causando danos irreversíveis às células testadas e tornando-as inutilizáveis para fins terapêuticos ou de fabricação.

Além disso, os testes exigem um período prolongado — de até 21 dias — para o crescimento das células. Isso retarda a tomada de decisões, estende os prazos de produção e pode dificultar a transposição oportuna de terapias baseadas em CTMs para o uso clínico, atrasando o tratamento dos pacientes. Como as CTMs podem perder o potencial condrogênico durante esse processo, a avaliação precoce é essencial para que os fabricantes determinem se um lote deve ser continuado ou descontinuado. Portanto, há necessidade de um método confiável e rápido para prever o potencial condrogênico das CTMs durante o processo de fabricação celular.

O novo desenvolvimento representa um método rápido e não destrutivo para monitorar o fluxo de ferro em células-tronco mesenquimais (MSCs) através da medição das alterações de ferro no meio de cultura gasto — componentes residuais no meio de cultura após o crescimento celular. Utilizando um dispositivo de relaxometria de ressonância magnética microscópica (µMRR) de bancada e de baixo custo, a abordagem permite o monitoramento em tempo real das alterações de ferro celular sem danificar as células. O dispositivo µMRR, também de baixo custo, pode ser facilmente integrado a laboratórios e fluxos de trabalho de produção existentes, possibilitando o monitoramento rotineiro e em tempo real da qualidade, sem grandes barreiras de infraestrutura ou custos elevados.

A homeostase do ferro é um processo crítico que mantém os níveis normais de ferro para o funcionamento celular, equilibrando o fornecimento de ferro suficiente para processos essenciais e prevenindo o acúmulo tóxico. O estudo constatou que a homeostase do ferro está altamente correlacionada com o potencial condrogênico das células-tronco mesenquimais (MSCs), sendo que a absorção e o acúmulo significativos de ferro reduzem a capacidade da célula de formar cartilagem. Os pesquisadores também descobriram que a suplementação do processo de crescimento celular com ácido ascórbico (AA) auxilia na regulação da homeostase do ferro, limitando o fluxo de ferro e, consequentemente, melhorando o potencial condrogênico das MSCs.

Utilizando este método inovador, os meios de cultura usados são coletados como amostras e tratados com ácido ascórbico (AA). O dispositivo µMRR é então usado para monitorar e fornecer informações em tempo real sobre pequenas alterações na concentração de ferro dentro do meio de cultura usado. Essas alterações na concentração de ferro refletem como as células-tronco mesenquimais (MSCs) absorvem e liberam ferro e podem fornecer um indicador precoce da probabilidade de um lote produzir cartilagem de boa qualidade.

Essas descobertas permitem que os fabricantes não apenas monitorem a qualidade das CTMs para reparo da cartilagem em tempo real, mas também avaliem quando e em que medida intervenções como a suplementação com AA provavelmente serão benéficas, apoiando a fabricação eficiente de terapias baseadas em CTMs mais eficazes e consistentes.

“Um dos principais desafios na regeneração da cartilagem é a incapacidade de prever com segurança se as Células-Tronco Mesenquimais (CTMs) manterão seu potencial condrogênico durante a produção. Nosso estudo aborda essa questão introduzindo um método rápido e não destrutivo para monitorar a dinâmica do fluxo de ferro como um novo atributo crítico de qualidade (ACQ) da capacidade condrogênica das CTMs. Essa abordagem permite a identificação precoce de lotes de células subótimos durante o cultivo, aumentando a eficiência do controle de qualidade, reduzindo os custos de produção e acelerando a translação clínica”, afirma Yanmeng Yang, pós-doutoranda do CAMP e primeira autora do artigo.

“Nossa pesquisa lança luz sobre um processo biológico fundamental que, até agora, tem sido extremamente difícil de medir. Ao monitorar o fluxo de ferro em tempo real sem destruir as células, podemos obter informações práticas sobre o potencial condrogênico de um lote de células, o que permite a tomada de decisões precoces durante o processo de fabricação. As descobertas apoiam o monitoramento de ferro baseado em µMRR como uma estratégia eficaz de controle de qualidade para a fabricação de terapias baseadas em MSCs, abrindo caminho para uma medicina regenerativa mais consistente e clinicamente viável para a regeneração da cartilagem”, afirma o professor Jongyoon Han, do MIT, coinvestigador principal do CAMP, investigador principal do AMR e autor correspondente do artigo.

Este método representa um passo promissor para melhorar a consistência da fabricação e a caracterização funcional de produtos celulares à base de células-tronco mesenquimais (MSCs). Além de impulsionar a fabricação de terapias celulares, contribui para a indústria científica que estuda a biologia do ferro, fornecendo medições em tempo real do fluxo de ferro, antes indisponíveis. A pesquisa também promove a translação clínica de terapias celulares de alta qualidade para regeneração da cartilagem, aproximando-as de pacientes com doenças degenerativas articulares e lesões na cartilagem.

Com base nessas descobertas, os pesquisadores planejam realizar futuros estudos pré-clínicos e clínicos para expandir essa abordagem além do controle de qualidade na fabricação, com o objetivo de estabelecer a µMRR como um método validado para a translação clínica de terapias baseadas em MSC para reparo da cartilagem em pacientes.

A pesquisa, realizada no SMART, foi apoiada pela Fundação Nacional de Pesquisa de Singapura, no âmbito do seu programa Campus para Excelência em Pesquisa e Empreendedorismo Tecnológico (CREATE).