Tecnologia Científica

Pesquisadores usam campos elétricos para agrupar células como rebanhos de ovelhas
A técnica abre novas possibilidades para a engenharia de tecidos, incluindo abordagens para promover a cicatrização de feridas, reparar vasos sanguíneos ou esculpir tecidos.
Por Molly Sharlach - 28/06/2020



Pesquisadores de Princeton criaram um dispositivo que pode agrupar grupos de células como ovelhas, direcionando com precisão os movimentos das células manipulando campos elétricos para imitar os encontrados no corpo durante a cura. A técnica abre novas possibilidades para a engenharia de tecidos, incluindo abordagens para promover a cicatrização de feridas, reparar vasos sanguíneos ou esculpir tecidos.

Os cientistas sabem há muito tempo que os sinais eletroquímicos que ocorrem naturalmente no corpo podem influenciar a migração, o crescimento e o desenvolvimento das células - um fenômeno conhecido como eletrotaxia. Esses comportamentos não são tão bem compreendidos quanto a quimiotaxia, na qual as células respondem a diferenças de concentração química. Uma barreira tem sido a falta de ferramentas acessíveis para examinar rigorosamente as respostas das células aos campos elétricos.

O novo sistema, montado a partir de peças baratas e prontamente disponíveis, permite que os pesquisadores manipulem e meçam os movimentos das células cultivadas de maneira confiável e repetível. Em um artigo publicado em 24 de junho na Cell Systems, a equipe de Princeton descreveu a montagem e os estudos preliminares usando o dispositivo, que eles chamam de SCHEEPDOG, para a gravação celular espacial e temporal com potenciais eletroquímicos para orientar dinamicamente a galvanotaxia. (Galvanotaxia é outro termo para eletrotaxia.)

Os sistemas anteriores para estudar as respostas das células aos campos elétricos foram “feitos sob medida e feitos à mão, com questões de reprodutibilidade ou exigindo instalações de fabricação que as tornam caras e inacessíveis a muitos laboratórios”, disse o co-autor principal Tom Zajdel , pesquisador de pós-doutorado. em engenharia mecânica e aeroespacial . "Queríamos usar métodos de prototipagem rápida para criar um dispositivo bem definido que você pudesse prender na sua placa de Petri."

Embora exista uma longa história de trabalho em eletrotaxia, disse Zajdel, o fenômeno não é bem compreendido. Evidências mostram, por exemplo, que reverter a direção de um campo elétrico natural pode inibir a cicatrização de feridas em modelos animais, enquanto a ampliação do campo existente pode melhorar a cicatrização.

"Há muitas incógnitas sobre como células individuais detectam esses campos", disse o autor sênior Daniel Cohen , professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial. "Mas a beleza da dinâmica da multidão é que, mesmo que você não entenda tudo sobre os indivíduos, ainda é possível projetar comportamentos no nível do grupo para obter resultados práticos."

O dispositivo SCHEEPDOG contém dois pares de eletrodos usados ​​para gerar campos elétricos ao longo de eixos horizontais e verticais, além de registrar sondas para medir tensão e materiais integrados para separar as células dos subprodutos químicos dos eletrodos. O nível de voltagem é semelhante ao de uma bateria AA concentrada sobre a câmara de centímetro de largura que contém as células.

"É como um Etch A Sketch", disse Zajdel, referindo-se ao clássico brinquedo de desenho no qual as linhas podem ser criadas em qualquer direção girando dois botões de controle. "Temos os botões horizontais e verticais, e podemos fazer com que as células traçam trajetórias arbitrárias em todo o espaço 2D usando apenas esses dois botões".


A equipe testou o SCHEEPDOG usando células da pele de mamíferos e células epiteliais do revestimento do rim, que são frequentemente usadas para estudar os movimentos coletivos das células. Eles descobriram que os sinais de tempo médio das células gerados ao longo dos dois eixos em uma janela de tempo de cerca de 20 segundos: ligar o campo elétrico vertical por 15 segundos e o campo horizontal por 5 segundos, por exemplo, faria com que as células migrassem mais na vertical do que na direção horizontal.

"O que as células percebem é uma espécie de ângulo virtual, e isso nos permite programar qualquer manobra complexa, como um círculo completo", disse Cohen. "Isso é realmente surpreendente - é um nível incrível de controle que não esperávamos que fosse possível, especialmente com milhares de células vizinhas executando essas manobras sob comando".

O estudo "contribui para a crescente apreciação das respostas das células aos aspectos bioelétricos do ambiente", disse Michael Levin, que dirige o Centro de Biologia Regenerativa e do Desenvolvimento da Universidade Tufts e não participou da pesquisa. “Ele demonstra uma técnica para abordar não apenas as atividades individuais das células em resposta a sinais bioelétricos, mas a ação de um coletivo de células, essencial para entender como as forças físicas atuam no tipo de cooperatividade que vemos na embriogênese, regeneração e câncer. "

Usando o SCHEEPDOG, a equipe está expandindo seus estudos para diferentes tipos de células e contextos. O estudante de graduação Gawoon Shim está investigando como os níveis variáveis ​​de adesão célula-célula afetam a migração celular direcionada - informações importantes para eventuais aplicações, como regeneração de pele, vasos sanguíneos e células nervosas em tecidos danificados.

"Este é o primeiro passo para qualquer cura e regeneração que possamos precisar" em uma variedade de contextos clínicos, disse Shim, co-autor principal do estudo, juntamente com Zajdel. "Estamos aprendendo a direcionar as células para onde precisamos delas, e então podemos descobrir o que elas farão depois".

A aplicação dos princípios de engenharia para entender e controlar a eletrotaxia aprofundará a compreensão de seu papel não apenas no movimento celular, mas também no crescimento e diferenciação, disse Cohen. Enquanto as técnicas atuais de regeneração de tecidos de ponta geralmente envolvem a pré-padronização de novos tecidos, esculpir tecidos com campos elétricos pode permitir mais flexibilidade e melhores resultados. "A longo prazo, isso pode oferecer maneiras completamente novas e empolgantes de pensar sobre como trabalhar com tecidos vivos", disse ele.

Além de Zajdel, Shim e Cohen, outros co-autores foram Linus Wang, membro de graduação da turma de Princeton de 2021, e Alejandro Rossello-Martinez, estudante de mestrado visitante do Imperial College de Londres na primavera de 2019. O trabalho foi apoiado em parte pela Princeton Catalysis Initiative .

 

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