Por quase dez anos, o Programa de Organogênese Cerebral de Stanford tem redefinido a forma como os cientistas estudam o cérebro humano. Em vez de depender de tecido cerebral intacto de humanos ou animais, os pesquisadores do programa cultivam estruturas tridimensionais semelhantes ao cérebro em laboratório, utilizando células-tronco. Esses pequenos modelos, chamados de organoides neurais humanos e assembloides, permitem que os cientistas explorem o desenvolvimento e a função do cérebro de maneiras completamente novas.
Iniciado em 2018 como parte do Instituto de Neurociências Wu Tsai de Stanford, por meio de sua iniciativa Big Ideas in Neuroscience, o programa une especialistas em neurociência, química, engenharia e outras disciplinas. Juntos, eles investigam circuitos neurais relacionados à dor, genes associados a distúrbios do neurodesenvolvimento e novas metodologias para estudar a conectividade cerebral.
Um dos desafios persistentes ao longo do progresso do programa tem sido a ampliação da produção. Para entender profundamente o desenvolvimento cerebral, estudar distúrbios do desenvolvimento ou testar potenciais terapias, os pesquisadores precisam produzir milhares de organoides que sejam uniformes em tamanho e forma. No entanto, essas estruturas delicadas tendem a grudar umas nas outras, dificultando o crescimento de grandes lotes consistentes.
Uma equipe liderada pelos afiliados do Wu Tsai Neuro, Sergiu Pasca, Professor Kenneth T. Norris, Jr. de Psiquiatria e Ciências Comportamentais, e Sarah Heilshorn, Professora Rickey/Nielsen de Engenharia, encontrou uma solução inesperadamente simples. Como relatado na Nature Biomedical Engineering, a chave para evitar que os organoides se agrupassem era a goma xantana, um aditivo alimentar amplamente utilizado.
“Agora podemos facilmente fazer 10.000 deles”, disse Pasca, Diretor do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford. Em conformidade com o compromisso do programa de tornar suas técnicas amplamente disponíveis, eles já compartilharam sua abordagem para que outros possam se beneficiar dela. “Isso, como todos os nossos métodos, é aberto e acessível gratuitamente. Já existem vários laboratórios que implementaram essa técnica.”
Então poucos que você poderia nomeá-los
Esse nível de produtividade era antes inimaginável. Cerca de doze anos atrás, Pasca havia desenvolvido uma forma de transformar células-tronco em tecidos tridimensionais que mais tarde seriam conhecidos como organoides neurais regionalizados. Naquela época, ele conseguia fazer apenas uma pequena quantidade deles.
“Nos primeiros dias, eu tinha oito ou nove deles, e dei a cada um nomes de criaturas mitológicas”, disse Pasca.
Mas o objetivo de Pasca era muito maior: descobrir como o cérebro em desenvolvimento pode apresentar falhas em condições como o autismo ou a síndrome de Timothy e explorar de que forma os medicamentos podem afetar esse desenvolvimento. “Precisávamos produzir milhares de organoides, e todos deveriam ser iguais”, disse ele.
Ele também reconheceu que o sucesso exigiria uma equipe diversificada de especialistas. “Eu pensei: ‘Este é um campo emergente e há muitos problemas que enfrentaremos, e a forma como os resolveremos é implementando tecnologias inovadoras'”, disse Pasca.
Para alcançar essa visão, Pasca colaborou com o afiliado do Wu Tsai Neuro, Karl Deisseroth, um neurocientista e bioengenheiro, reunindo um grupo interdisciplinar que lançou oficialmente o Programa de Organogênese Cerebral de Stanford, com o apoio da concessão Big Ideas in Neuroscience do Wu Tsai Neuro.
A solução antideslizante
O problema da aderência surgiu logo depois. Os organoides estavam se fusionando, resultando em um número menor de organoides de formas e tamanhos diferentes.
“As pessoas no laboratório diziam constantemente: ‘Eu fiz cem organoides, mas acabei com vinte'”, disse Pasca.
Isso era uma bênção e uma maldição. Por um lado, sugeria que os pesquisadores poderiam juntar dois tipos diferentes de organoides – digamos, um pequeno cerebelo e a medula espinhal – para estudar o desenvolvimento de estruturas cerebrais mais complexas. Na verdade, esses assembloides são agora uma parte fundamental do trabalho de Pasca e seus colegas.
Por outro lado, a equipe ainda precisava ser capaz de criar grandes quantidades de organoides para reunir dados precisos sobre o desenvolvimento cerebral, testar medicamentos em busca de defeitos de crescimento ou realizar qualquer número de outros projetos em grande escala.
Uma possibilidade seria cultivar cada organoide em um prato separado, mas fazer isso é frequentemente ineficiente. Em vez disso, o laboratório precisava de algo para manter os organoides separados enquanto os cultivava em lotes, então Pasca trabalhou com Heilshorn, uma colaboradora do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford e engenheira de materiais, para experimentar algumas opções.
A equipe examinou 23 materiais diferentes com o objetivo de tornar seus métodos acessíveis a outros.
“Selecionamos materiais que já eram considerados biocompatíveis e que seriam relativamente econômicos e simples de usar, para que nossos métodos pudessem ser facilmente adotados por outros cientistas”, disse Heilshorn.
Para testar cada um, eles primeiro cultivaram organoides em um líquido rico em nutrientes por seis dias, depois adicionaram um dos materiais de teste. Após mais 25 dias, a equipe simplesmente contou quantos organoides permaneciam.
Mesmo em pequenas quantidades, a goma xantana impediu que os organoides se fusionassem, e o fez sem efeitos colaterais no desenvolvimento dos organoides. Isso significava que os pesquisadores poderiam manter os organoides separados sem enviesar os resultados experimentais.
A ampliação finalmente
Para demonstrar o potencial da técnica, a equipe a utilizou para enfrentar um problema do mundo real: os médicos muitas vezes hesitam em prescrever medicamentos potencialmente benéficos para gestantes e bebês, porque não sabem se esses medicamentos podem prejudicar cérebros em desenvolvimento. (Embora os medicamentos aprovados pela FDA passem por testes extensivos, preocupações éticas significam que geralmente não são testados em gestantes ou bebês.)
Para mostrar como os organoides abordam esse problema, a coautora principal Genta Narazaki, uma pesquisadora visitante no laboratório de Pasca na época em que a pesquisa foi realizada, primeiro cultivou 2.400 organoides em lotes. Em seguida, Narazaki acrescentou um dos 298 medicamentos aprovados pelo FDA a cada lote para ver se algum deles poderia causar defeitos de crescimento. Trabalhando em estreita colaboração com a coautora principal Yuki Miura no laboratório de Pasca, Narazaki demonstrou que vários medicamentos, incluindo um utilizado para tratar câncer de mama, diminuíram o crescimento dos organoides, sugerindo que poderiam ser prejudiciais ao desenvolvimento cerebral.
Esse experimento mostra que os pesquisadores podem descobrir potenciais efeitos colaterais – e fazê-lo de forma muito eficiente, disse Pasca: “Um único experimentador produziu milhares de organoides corticais sozinho e testou quase 300 medicamentos.”
Pasca e seus colegas do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford estão agora esperançosos de usar sua técnica para avançar em vários distúrbios neuropsiquiátricos, como autismo, epilesia e esquizofrenia. “Abordar essas doenças é realmente importante, mas a menos que você amplie, não há como fazer a diferença”, disse Pasca. “Esse é o objetivo agora.”
