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Obter uma melhor compreensão da doença dos ossos frágeis – sem experiências com animais

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Jun 14, 2024
O hidrogel tem um tamanho de poro ideal para que as células formadoras de osso possam se interligar

O hidrogel tem um tamanho de poro ideal para que as células formadoras de osso possam se interligar e formar uma rede 3D.

Pesquisadores da ETH Zurique desenvolveram um modelo ósseo baseado em células para ajudar a investigar a causa desta condição genética.

Para alguém que sofre de doença dos ossos frágeis, a vida é repleta de complicações. O menor passo em falso, uma queda aparentemente inofensiva ou até mesmo um movimento em falso podem ser suficientes para deixá-los com um braço ou uma perna quebrada. E é provável que isso aconteça repetidamente, porque nasceram com um defeito genético hereditário que torna os seus ossos extremamente frágeis e está frequentemente associado a deformidades físicas. Sofredores notáveis ​​​​de doença dos ossos frágeis incluem o autor e ator alemão Peter Radtke e o pianista de jazz francês Michel Petrucciani.

Na maioria dos casos, o que faz com que uma pessoa tenha ossos frágeis é uma mutação no gene que carrega o modelo da proteína de colágeno tipo I. Esta é de longe a proteína mais importante para estabelecer uma matriz óssea dura. Pessoas com essa condição têm um defeito genético que impede que essa proteína de colágeno se dobre corretamente, deixando-as com uma matriz óssea instável e ossos quebradiços. O nome apropriado para a doença dos ossos frágeis é osteogênese imperfeita, ou OI, para abreviar.

Uma estrutura de matriz porosa

Até agora, os cientistas tiveram apenas uma compreensão rudimentar de como as mutações na proteína do colágeno perturbam a formação da matriz óssea, bem como de como tratar essas malformações. Mas agora, um grupo de investigadores do Instituto de Biomecânica da ETH Zurique deu um grande passo no sentido de responder a estas questões. Liderando a equipe está Xiao-Hua Qin, Professor de Engenharia de Biomateriais, em colaboração com o colega Professor da ETH Ralph Müller. Juntos, eles desenvolveram um modelo 3D in vitro que lhes permite investigar a formação óssea com mais detalhes – atualmente usando células saudáveis ​​e, no futuro, também usando células de pessoas que sofrem de OI. Os pesquisadores relatam seu progresso na última edição da revista Nature Communications.

“Os hidrogéis porosos fornecem aos neurônios um ambiente extremamente propício para formar redes artificiais.”

Este novo modelo ósseo é baseado em uma matriz ou estrutura porosa feita de um polímero sintético. Nesta matriz, feita de um hidrogel macio, as células (osteoblastos) que formam o osso podem se estabelecer, multiplicar e conectar-se entre si e com suas ramificações para formar uma rede tridimensional. Durante o desenvolvimento, os investigadores verificaram que o tamanho ideal dos poros está entre 5 e 20 micrómetros: suficientemente largo para permitir que as células se estabeleçam e se multipliquem, mas suficientemente estreito para evitar que escapem.

Ao criar seu hidrogel, os pesquisadores seguiram o exemplo de modelos in vitro para células nervosas. “Os hidrogéis porosos fornecem aos neurônios um ambiente extremamente propício para formar redes artificiais”, diz Qin. Contudo, rapidamente se tornou claro que as células precursoras ósseas “reagem de forma completamente diferente” num aspecto: embora também exijam uma matriz porosa, esta matriz deve ser biodegradável. Assim, os pesquisadores equiparam seu hidrogel com o que é conhecido como reticulador peptídico, que pode ser decomposto por uma enzima metaloproteinase de matriz (MMP). Isso, por sua vez, permite que as células produzam fibras de colágeno mais maduras. As MMPs são essenciais para muitos processos corporais, sendo um deles a formação óssea.

Para garantir que as células ósseas pudessem crescer e se conectar corretamente, os pesquisadores tiveram primeiro que resolver outro problema. “Estudar o desenvolvimento ósseo, bem como a remodelação óssea, envolve estimular mecanicamente as células”, diz Doris Zauchner, doutoranda no grupo de Qin e principal autora do artigo de pesquisa. Os pesquisadores colocaram um hidrogel com células incorporadas em um chip e canalizaram um líquido através dos poros. “Este líquido submete as células a forças de cisalhamento”, diz Zauchner, o que é importante para o funcionamento celular. Também foi demonstrado que um líquido que transporta nutrientes e mensageiros químicos estimula mecanicamente as células nos poros dos ossos saudáveis.

O modelo se assemelha muito à formação óssea normal

Como os pesquisadores descrevem em seu artigo, seu modelo ósseo com matriz de hidrogel biodegradável e estimulação mecânica pode emular com sucesso o desenvolvimento ósseo. Os osteoblastos reproduzem-se e, em alguns casos, até se transformam em osteócitos imaturos (que representam 90% das células dos ossos saudáveis); eles secretam colágeno e podem mineralizar a matriz. “Pode ser apenas um modelo”, diz Zauchner, “mas se assemelha bastante ao desenvolvimento ósseo normal”. Agora que patentearam o seu modelo, os investigadores planeiam disponibilizá-lo a potenciais parceiros da indústria.

Comparado aos modelos anteriores de formação óssea, o novo modelo in vitro no chip oferece inúmeras vantagens. Os poros nesses modelos antecessores eram muito estreitos, de modo que as células mal tinham espaço para manobrar, ou muito largos, para que nenhuma rede tridimensional pudesse se formar. Além disso, como estes modelos utilizavam colagénio para a sua estrutura matricial, era impossível estudar se eram as próprias células que produziam colagénio e, em caso afirmativo, quanto. Como o modelo é pequeno o suficiente para caber em um chip, os pesquisadores podem usá-lo mesmo que tenham à disposição apenas algumas células de um paciente.

Substituindo experimentos com animais

Até agora, o principal meio de pesquisar a IA tem sido confiar em modelos animais. Zauchner observa que existem mais de 20 diferentes, alguns usando ratos, outros usando peixes ou até cães. “Os experimentos com animais apresentam uma série de restrições”, diz ela, sendo a principal delas o fato de serem extremamente caros. “É por isso que estamos tentando criar um modelo in vitro para OI. Nosso objetivo é incorporar células de pessoas com OI no hidrogel, com o objetivo de descobrir quais processos estão funcionando mal.” Zauchner está pronto para iniciar os primeiros experimentos usando células de um jovem paciente com OI no Hospital Infantil de Zurique.

O projeto OI faz parte do Programa Nacional Suíço de Pesquisa “Advancing 3R”. Seu objetivo geral é explorar como trazer a abordagem 3R de Substituir, Reduzir e Refinar para experimentos com animais.

O grupo de Qin procura obter uma melhor compreensão geral dos processos que regem a forma como os ossos se formam, se desenvolvem e se degradam. Para tanto, as atividades do grupo não se limitam ao novo modelo de OI. Noutro projecto, para o qual Qin recebeu recentemente uma prestigiosa ERC Starting Grant, a equipa está a desenvolver um modelo para doenças ósseas degenerativas, como a osteoporose. O foco aqui está nos osteócitos, que são células ósseas diferenciadas terminalmente. “Queremos usar esses osteócitos para construir um modelo in vitro”, diz Qin. Ninguém conseguiu isso ainda – exceto talvez a sua própria equipe: “No modelo que acabamos de revelar, encontramos osteócitos imaturos, bem como osteoblastos.”

Referência

Zauchner D, Müller M, Horrer M, Bissig L, Zhao F, Fisch P, Lee SS, Zenobi-Wong M, Müller R, Qin XH: Hidrogéis microporosos biodegradáveis ​​sintéticos para cultura 3D in vitro de redes funcionais de células ósseas humanas. Comunicações da Natureza 2024, doi: 10.1038/s41467’024 -49280-3

Nik Walter

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