Por que algumas crianças desenvolvem um cérebro incomumente pequeno (microcefalia)? Uma equipe global de cientistas do Centro Alemão de Primatas – Instituto Leibniz para Pesquisa de Primatas (DPZ), da Escola Médica de Hannover (MHH) e do Instituto Max Planck de Biologia Celular Molecular e Genética se propôs a responder a essa pergunta usando organoides cerebrais humanos. Esses modelos cultivados em laboratório permitiram que os pesquisadores examinassem de perto como mudanças em proteínas estruturais-chave dentro das células podem interferir no desenvolvimento cerebral inicial.
O trabalho deles, documentado na EMBO Reports, mostra que mutações em genes da actina interrompem a divisão das células progenitoras cerebrais precoces. Quando essas células não se dividem corretamente, seu número diminui, limitando o crescimento cerebral geral e resultando em um cérebro menor. “Nossas descobertas fornecem a primeira explicação celular para a microcefalia em pessoas com a rara síndrome de Baraitser-Winter,” diz Indra Niehaus, autora principal do estudo e pesquisadora associada na Escola Médica de Hannover.
Como a Estrutura Interna da Célula Modela o Desenvolvimento do Cérebro
A actina desempenha um papel central no citoesqueleto, a estrutura interna que dá forma às células e ajuda a mover materiais dentro delas. Em pessoas com a síndrome de Baraitser-Winter, uma mutação afeta um dos dois genes de actina cruciais. Para entender as consequências, os pesquisadores reprogramaram células da pele de pacientes afetados em células-tronco pluripotentes induzidas. Essas células-tronco foram então usadas para cultivar organoides cerebrais tridimensionais que imitam as fases iniciais da formação do cérebro humano.
Após trinta dias de desenvolvimento, as diferenças eram marcantes. Os organoides cultivados a partir de células dos pacientes eram cerca de 25% menores do que aqueles cultivados a partir de células donantes saudáveis. As regiões semelhantes a ventrículos dentro dos organoides, onde as células progenitoras se reúnem e começam a formar as primeiras células nervosas, também eram muito menores.
Uma Mudança em Populações Cruciais de Células Cerebrais
Quando os cientistas examinaram os tipos de células dentro dos organoides, encontraram um claro desequilíbrio. O número de células progenitoras apicais, que são essenciais para a construção do córtex cerebral, era significativamente menor. Ao mesmo tempo, houve um aumento nas células progenitoras basais, que geralmente aparecem mais tarde, à medida que o desenvolvimento avança.
Essa mudança sugeriu que o timing e o resultado da divisão celular haviam sido alterados, potencialmente explicando por que o tecido cerebral não se expandiu normalmente.
Quando a Orientação da Divisão Celular Está Errada
Usando microscopia de alta resolução, a equipe acompanhou de perto como as células progenitoras apicais se dividiam. Em condições normais, essas células se dividem principalmente em ângulos retos em relação à superfície ventricular. Essa orientação garante que os componentes celulares sejam compartilhados de maneira uniforme e que sejam produzidas duas novas células progenitoras apicais.
Nos organoides que apresentavam a mutação da actina, esse padrão mudou drasticamente. Divisões verticais se tornaram muito menos comuns, enquanto divisões horizontais e anguladas dominaram. Como resultado, as células progenitoras apicais tiveram menos capacidade de renovar a si mesmas. Elas se desapegavam mais frequentemente da zona ventricular e eram mais propensas a se tornarem células progenitoras basais em vez disso.
“Nossas análises mostram muito claramente que uma mudança na orientação da divisão das células progenitoras é o gatilho decisivo para a redução do tamanho do cérebro,” diz Michael Heide, líder de grupo no Centro Alemão de Primatas e autor principal do estudo. “Uma única mudança no citoesqueleto é suficiente para interromper o curso do desenvolvimento cerebral inicial.”
Pequenas Mudanças Estruturais com Efeitos Duradouros
A microscopia eletrônica revelou defeitos adicionais sutis na superfície ventricular. As formas das células pareciam irregulares e protrusões extras se formavam entre células vizinhas. Os pesquisadores também observaram níveis incomumente altos de tubulina nas junções celulares. A tubulina é outra proteína do citoesqueleto que desempenha um papel fundamental na divisão celular.
Embora a estrutura geral das células permanecesse intacta, essas pequenas anomalias podem ser suficientes para alterar permanentemente como as células se orientam durante a divisão.
Provando que a Mutação É a Causa
Para confirmar que as diferenças observadas eram realmente causadas pela mutação da actina e não por outras variações genéticas, os pesquisadores realizaram um experimento de controle crucial. Usaram CRISPR/Cas9 para introduzir a mesma mutação em uma linha de células-tronco saudáveis. Os organoides cerebrais cultivados a partir dessas células editadas desenvolveram os mesmos defeitos vistos em organoides derivados de pacientes – uma prova de que a mutação em si é o fator determinante.
O Que Esta Descoberta Significa para a Medicina
As descobertas elucidam como mutações genéticas raras podem levar a malformações cerebrais complexas e demonstram o valor dos organoides cerebrais na pesquisa biomédica. “Nossas descobertas nos ajudam a entender como distúrbios genéticos raros levam a malformações cerebrais complexas e destacam o potencial dos organoides cerebrais para a pesquisa biomédica,” diz Michael Heide.
“O potencial terapêutico deste estudo reside no diagnóstico, pois nossos dados ajudam a classificar melhor as descobertas genéticas em pacientes. Como a doença afeta processos de desenvolvimento fetal precoces, intervenções em humanos seriam complexas. No entanto, novos medicamentos que influenciam a interação entre a actina e os microtúbulos poderiam abrir novas abordagens a longo prazo,” diz Nataliya Di Donato, Diretora do Instituto de Genética Humana da Escola Médica de Hannover.
