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Robôs cultivam sozinhos miniórgãos a partir de células-tronco humanas

Máquinas fazem em 20 minutos procedimento que para cientistas humanos demora um dia

Freedman Lab/UW Medicine
Vista de cima de uma placa de micropoços contendo organóides renais, gerados por robôs de manuseio de líquidos a partir de células-tronco humanas. A região da caixa amarela é mostrada com maior ampliação. As cores vermelha, verde e amarela marcam segmentos distintos do rim.

Um sistema automatizado que usa robôs foi projetado para produzir rapidamente miniorgãos humanos derivados de células-tronco. Pesquisadores da Escola de Medicina da Universidade de Washington, em Seattle, desenvolveram o novo sistema.

A novidade promete expandir enormemente o uso de miniorgãos na pesquisa básica e na descoberta de medicamentos, de acordo com Benjamin Freedman, professor assistente de medicina da Divisão de Nefrologia da Escola de Medicina da Universidade de Wyoming (UW), que liderou a pesquisa.

"É uma `arma secreta` em nossa luta contra as doenças", disse Freedman, cientista do Instituto UW para Células-Tronco e Medicina Regenerativa, e do Instituto de Pesquisa Renal, que é uma colaboração entre os Centros Renais do Nordeste dos EUA e o Centro Médico da UW.

Um artigo descrevendo a nova técnica foi publicado hoje (17) na revista Cell Stem Cell. Os principais autores foram os pesquisadores Stefan Czerniecki e Nelly Cruz, que trabalham no laboratório que é coordenado por Freedman, e Jennifer Harder, professora assistente de medicina interna  e especialista em doenças renais da Divisão de Nefrologia da Escola de Medicina da Universidade de Michigan.

A maneira tradicional de cultivar células para pesquisa biomédica, explica Freeman, é preservá-las como folhas planas e bidimensionais, que são excessivamente simplistas. Nos últimos anos, os pesquisadores têm tido cada vez mais sucesso ao fazer crescer células-tronco em estruturas tridimensionais mais complexas, chamadas de miniorgãos ou organóides. Os organóides têm aparência e comportamento semelhantes a órgãos rudimentares. Embora essas propriedades os tornem ideais para a pesquisa biomédica, é um desafio produzir-los em massa. A nova tecnologia tem uma aplicação potencial animadora, pois possui a habilidade de produzir organóides em larga escala.

No novo estudo, os cientistas partiram de um sistema robótico para automatizar o procedimento de crescimento de células-tronco em organóides. Embora abordagens semelhantes tenham sido bem sucedidas em células-tronco adultas, este é o primeiro relato de sucesso na automação da fabricação de organóides a partir de células-tronco pluripotentes. Esse tipo de célula é versátil e capaz de se transformar em qualquer tipo de órgão.

Nesse processo, os robôs manusearam os líquidos e introduziram as células-tronco em placas que continham até 384 miniaturas de poços cada, e depois as condicionaram a transformar-se em organóides renais ao longo de 21 dias. Cada pequeno micropoço continha dez ou mais organóides, assim, cada placa continha milhares de organóides. Com uma velocidade que impressiona até mesmo a linha de montagem de carros de Henry Ford, os robôs obtiveram muitas placas em uma fração do tempo. 

“Normalmente, organizar um experimento dessa magnitude demoraria um dia inteiro para um pesquisador. O robô consegue fazer o mesmo em 20 minutos”, disse Freedman

"Além disso, o robô não se cansa ou comete erros", acrescentou. "Não há dúvida. Para tarefas repetitivas e tediosas como essa, os robôs fazem um trabalho melhor do que os humanos."

Depois, os pesquisadores treinaram os robôs para processar e analisar os organóides que eles produziram. Harder e seus colegas do Centro Renal da Universidade de Michigan usaram uma técnica automatizada de ponta chamada sequenciamento de uma célula única de RNA para identificar todos os diferentes tipos de células encontradas nos organóides.

"Determinamos que esses organóides se assemelham a rins em desenvolvimento, mas também há células não-renais que não haviam sido previamente descritas nessas culturas", disse Harder.

"Essas descobertas nos dão uma idéia mais abrangente da natureza desses organóides e fornecem um patamar a partir do qual podemos realizar melhorias", disse Freedman. "Essa plataforma de alto rendimento é relevante, pois agora podemos alterar nosso procedimento a qualquer momento de muitas maneiras diferentes e verificar rapidamente qual dessas mudanças produz um resultado melhor."

Com esse experimento, os pesquisadores descobriram uma maneira de expandir enormemente o número de células dos vasos sanguíneos em seus organóides para torná-los mais parecidos com os rins reais.

Os pesquisadores também usaram a nova técnica para procurar drogas que pudessem simular doenças. Em um desses experimentos, eles produziram organóides com mutações que causaram a doença renal policística, uma condição hereditária comum que afeta uma a cada 600 pessoas em todo o mundo e frequentemente causa insuficiência renal. Nesta doença, pequenos túbulos dos rins e outros órgãos incham como balões e formam cistos em expansão que afastam o tecido saudável. 

No experimento, os cientistas expuseram os organoides da doença renal policística a várias substâncias. Eles descobriram que uma delas, um fator chamado blebbistatin que bloqueia a proteína miosina, levou a um aumento significativo no número e tamanho dos cistos.

"Isso foi inesperado, não se conhecia a relação entre a miosina e a doença renal policística", disse Freedman. A miosina, que é mais conhecida por seu papel na contração muscular, pode fazer os túbulos renais se expandirem e contraírem. Caso ela não estiver funcionando corretamente, podem formar cistos, explicou Freedman.

"É definitivamente um padrão que precisamos observar", disse ele.

Universidade de Washington

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