Verificação da realidade para organoides em neurociência

Nature Methods volume 17, páginas 961–964 (2020) Cite este artigo

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Para estudar melhor o neurodesenvolvimento humano, os pesquisadores apresentam organoides como modelos cerebrais.

Os organoides, que são modelos experimentais tridimensionais derivados de células-tronco, estão avançando em muitos campos, incluindo a neurociência, onde há uma necessidade extrema de modelos de processos complexos, como neurodesenvolvimento in utero e distúrbios neuropsiquiátricos1,2,3,4. Mas os organoides do cérebro não estão tendo um bom caminho para a neurociência. “Do meu ponto de vista, os organoides do cérebro são modelos muito legais de si mesmos”, diz a neurocientista da Universidade de Stanford, Carla Shatz. Tal como acontece com todos os estudos in vitro, diz ela, "mesmo sob as condições mais realistas de três dimensões, em vez de em terreno plano, tudo o que você aprende diz sobre o que pode acontecer, não o que acontece in vivo". Esses modelos podem ensinar muito sobre a biologia celular dos neurônios humanos, "o que é maravilhoso", diz ela. "Então a questão é: como testar a realidade usando amostras de cérebro humano?"

Sem dúvida, dizem os desenvolvedores de métodos de organoides cerebrais, estes não são 'cérebros em um prato' nem janelas para todas as facetas do neurodesenvolvimento in utero, nem revelam todos os detalhes de como o cérebro de um recém-nascido se torna o cérebro de uma pessoa pequena com um caso de 'dois terríveis' e um comando resoluto da palavra "não". Como diz Madeline Lancaster, do Laboratório de Biologia Molecular do MRC, "todos os organoides cerebrais in vitro até agora carecem de muitas das características importantes do cérebro in vivo", como um sistema vascular funcional e um sistema imunológico. Os organoides carecem da anatomia do cérebro humano real, diz Giorgia Quadrato, da Escola de Medicina Keck da Universidade do Sul da Califórnia. Mas, diz ela, são modelos que nos permitem caracterizar o desenvolvimento do cérebro humano e as doenças de maneiras que escapam à comunidade da neurociência há décadas. Para aumentar sua comunidade de pesquisa e abordar as preocupações daqueles em neurociência que podem ver os organoides e as conclusões tiradas deles com a testa franzida, Lancaster, Quadrato e outros estão dobrando os métodos avançados de organoides.

Os organoides cerebrais estão se tornando mais complexos e dinâmicos. O laboratório Lancaster gerou organoides a partir de células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) que podem secretar um fluido semelhante ao líquido cefalorraquidiano (LCR)5. É um modelo do plexo coróide do cérebro (ChP), que é encontrado em cada ventrículo cerebral e secreta LCR. As células epiteliais coróides regulam o que passa do sangue para o LCR. Como observam Violeta Silva-Vargas e Fiona Doetsch, da Universidade de Basel6, "a falta de ferramentas limitou a exploração do ChP, especialmente em humanos". De uma perspectiva proteômica, diz Lancaster, é difícil dizer a diferença entre o fluido que esses organoides produzem e o LCR real do cérebro. "Mas não podemos realmente chamá-lo de LCR real porque é feito in vitro e há coisas vindas da mídia, como proteínas derivadas de camundongos ou vacas, que obviamente não estariam presentes in vivo no LCR humano", diz ela. . A albumina de vaca, e não a albumina humana, está neste sistema porque a albumina de soro bovino está presente como um aditivo do meio celular. Desde a publicação, ela ouviu de laboratórios que planejam usar o sistema para testes de neurotoxicologia para verificar a passagem indesejada para o cérebro. Outras equipes planejam explorar maneiras melhores de introduzir drogas no cérebro ou como o LCR pode mudar em condições de doença. O laboratório Lancaster está usando os organoides para estudar o desenvolvimento e a evolução do plexo coróide, também em relação ao resto do cérebro. "Também estamos descobrindo que esses organoides fornecem uma janela interessante para a biologia dessa região pouco estudada do cérebro e que também podem ser usados ​​em conjunto com outros organoides cerebrais para entender a biologia da doença, incluindo os efeitos do SARS-CoV-2", disse. ela diz.

Como estudante de medicina na Romênia, o pesquisador da Universidade de Stanford, Sergiu Pașca, queria melhorias para seus pacientes que sofriam de distúrbios neuropsiquiátricos - certamente não usando trepanação, na qual um buraco é feito no crânio de uma pessoa, para remover uma "pedra da loucura", como foi feito na Idade Média e retratado por Hieronymus Bosch, um dos pintores favoritos de Pașca. Nos verões, Pașca trabalhava nos laboratórios do Max Planck Institute for Brain Research em Frankfurt e registrava dados do córtex visual do gato. "Fiquei surpreso com o que realmente significa ter acesso a um neurônio", diz ele. Ele sonhava em estudar diretamente os neurônios humanos. Quando surgiram formas de gerar iPSCs, ele iniciou uma carreira de pesquisa como pós-doutorado no laboratório de Ricardo Dolmetsch em Stanford. Ele modelou uma mutação ligada ao autismo que afeta os canais de cálcio em neurônios eletricamente ativos derivados de iPSCs. Colocar neurônios em monocamadas e mantê-los vivos para observar o tempo suficiente para modelar o desenvolvimento cortical foi "um pesadelo", diz ele. A frustração levou-o a experimentar uma placa de fixação baixa, onde as células cresciam em estruturas esféricas flutuantes. Agora em seu próprio laboratório em Stanford, ele lidera uma equipe que desenvolveu essas técnicas de orientação de organoides que vivem por até 800 dias. Os organoides são uma maneira de ampliar os experimentos. Eles podem ser avaliados em alta resolução com análise de célula única. A aplicação de técnicas de biologia molecular a organoides é uma maneira de chegar à natureza humana específica dos distúrbios neuropsiquiátricos e do desenvolvimento do cérebro. O laboratório Pașca e pesquisadores de outros lugares ligaram organoides em assemblóides. Um desses assembóides envolve um organoide enriquecido para neurônios excitatórios e outro enriquecido para neurônios inibitórios7. O modelo captura aspectos do pathfinding axonal e também da migração, como a forma como algumas populações de neurônios migram do prosencéfalo ventral para o dorsal. Essa migração ocorre no cérebro de um feto e continua após o nascimento, diz Pașca, e parece estar em desordem em várias condições de neurodesenvolvimento, incluindo alguns tipos de epilepsia e autismo. O laboratório está desenvolvendo um conjunto corticomotor de três vias. É um organoide cortical, um organoide da medula espinhal e um músculo desenvolvido in vitro em uma estrutura tridimensional. No corpo, os neurônios corticais se projetam para a medula espinhal e se conectam aos neurônios motores espinhais, que se projetam para os músculos e formam junções neuromusculares que podem desencadear a atividade muscular. Neste modelo de circuito, a estimulação optogenética do organoide cortical faz com que o organoide muscular se contraia.