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Sociedade Científica

Acabamos de dar um passo importante em direção ao cultivo de órgãos de substituição

Publicado em 12 julho 2017

Mais uma etapa vencida para se acabar com a longa espera (e mortalidade) em filas de transplantes de órgão.

Os cientistas acabam de dar um passo significativo para o objetivo de cultivo de órgãos humanos de substituição, identificando que uma encontrada nas células estaminais, é fundamental para promover o crescimento muscular.

Descobrir como cultivar nossos próprios órgãos de substituição seria uma revolução na medicina. Isso traria um fim à longa fila em listas de doadores de órgãos, salvando a vida de milhares de pessoas todos os anos, que não podem ter um transplante de órgãos ou que morrem enquanto esperam por um.

Pesquisadores da Universidade de Monash na Austrália encontraram a relação entre a proteína e crescimento celular estudando peixe-zebra, um pequeno peixe de crescimento rápido que são nativos do Sudeste Asiático e que são frequentemente usados como modelo de estudo para o corpo humano por causa de semelhanças biológicas

Assim como nós, o peixe-zebra tem dois olhos, uma boca e cérebro, sangue, ossos e dentes. Tanto os seres humanos como o peixe-zebra têm muitos dos mesmos órgãos, incluindo um rim e um coração e setenta por cento dos genes humanos também são encontrados no peixe-zebra. Leia abaixo sobre o uso em pesquisas de peixe-zebra.

“Antes do nosso trabalho neste campo, nem sequer sabíamos que essas células-tronco específicas de crescimento existiam ou como elas eram usadas”, diz Peter Currie, investigador principal. “Só saber que eles existem nos leva à possibilidade de orquestração, controlando-os ou reativando-os para reescrever o tecido danificado”.

Os cientistas estudaram há muito o crescimento do órgão em condições de laboratório, mas como as células-tronco produzem tanto tecido vivo no corpo permanecia um mistério — e até que seja resolvido, não poderemos cultivar nossos próprios órgãos de substituição.

Um estudo recém publicado encontrou evidências de deriva clonal no peixe-zebra, o que significa que as células-tronco não estavam se dividindo e crescendo ao acaso, mas empurrando para frente um pequeno número de células-tronco clonadas para ajudar os músculos a crescer.

Em outras palavras, apenas algumas células-tronco específicas são usadas para desenvolver a maior parte do tecido orgânico necessário, e a proteína Meox1 está ajudando a escolher quais células-tronco são essas.

Nós continuamos de algum modo sem ser capazes de cultivar corações, fígados no laboratório tão logo alguém precise deles, mas os cientistas agora têm uma melhor compreensão de como nossas engrenagens moleculares podem estar mudando e zumbindo para produzir mais tecido dentro do corpo .

Esse processo de como o crescimento dos órgãos é regulado pelas células-tronco é “uma das últimas fronteiras da biologia do desenvolvimento”, dizem os pesquisadores.

Mais adiante, entender esses mecanismos também poderá nos ajudar a combater danos causados pelo corpo por doenças como o câncer. E os cientistas estão fazendo um progresso constante neste campo — no ano passado, pesquisadores dos EUA conseguiram regenerar com sucesso o tecido humano do coração, apesar de ainda usar células de um órgão doado. Agora estamos um passo mais perto, graças ao peixe-zebra.

Por que usar peixe-zebra para estudar doenças humanas?

Os peixes-zebras que agora nos revelaram alguns dos segredos por trás do funcionamento de células estaminais e da proteína Meox1 nessa pesquisa publicada no periódico Cell Stem Cell são comumente usados para estudar doenças humanas. Mas por que usar peixe-zebra?

Os cientistas usam uma variedade de técnicas de laboratório para investigar a causa genética de doenças humanas. A pesquisa frequentemente utiliza células de pacientes ou amostras de tecido, mas para determinar se uma mutação em um gene específico pode causar os sintomas de um paciente, muitas vezes precisamos de modelos experimentais de animais.

Enquanto ratos e camundongos foram escolhas comuns para modelagem de doenças humanas no passado, o uso do peixe-zebra (zebrafish, como também é conhecido) está rapidamente ganhando popularidade. Isso te surpreende?

O peixe-zebra (nome científico Danio rerio, citado na literatura científica como Brachydanio rerio, até sua transferência para o gênero Danio) é um peixe tropical de água doce na família “minnow”. O nome “Minnow” é usado frequentemente para descrever pequenos peixes prateados. Na verdade, “minnow” é o nome comum para a maior família de peixes encontrados na América do Norte, a família Cyprinidae. O nome “peixe-zebra” vem das listras horizontais azuis em cada lado de seu corpo.

Zebrafish (Danio rerio, Hamilton-Buchanan, 1822) adulto, São assim chamados devido às suas listras e preferem viver em grandes cardumes. Zebrafish (Danio rerio, Hamilton-Buchanan, 1822) adulto, Foi anteriormente identificado no meio científico Brachydanio rerio.

Como modelar uma doença humana em peixes?

Embora seres humanos e peixes-zebras parecem ser extremamente diferentes do peixe-zebra, na verdade somos muito mais parecidos com eles do que você pensa. Compartilhamos 70% de nossos genes com esse pequeno peixe.

Além disso, o peixe-zebra tem dois olhos, uma boca, cérebro, medula espinhal, intestino, pâncreas, fígado, via biliar, rim, esôfago, coração, orelha, nariz, músculos, sangue, ossos, cartilagem e dentes. Muitos dos genes e caminhos críticos que são necessários para desenvolvimento esses tecidos são altamente conservados entre humanos e peixes-zebras. Assim, qualquer tipo de doença que provoca alterações nessas partes do corpo em seres humanos, em tese, pode ser modelada no peixe-zebra.

Mas por que usar peixe-zebra quando podemos modelar genes também em camundongos? Acontece que, enquanto os ratos são evolutivamente mais parecidos com os seres humanos porque são mamíferos, o peixe-zebra tem várias vantagens em relação aos seus concorrentes peludos.

Uma vantagem importante do peixe-zebra é que os adultos são pequenos e preferem ser alojados em grandes grupos, ou cardumes. Como resultado, eles exigem muito menos espaço e são mais baratos de manter do que os ratos.

Os tanques das instalações de criadouros de peixes-zebras no NIH Zebrafish Core, que abriga centenas de milhares de peixes-zebras em instalações de ponta. O NIH é um órgão de pesquisa do US Department of Health and Human Services, nos Estados Unidos. No Brasil, o peixe-zebra é usado em universidades como a UFRGS e a PUC-RS.

Outra vantagem é que o peixe-zebra adulto procria facilmente (aproximadamente a cada 10 dias) e pode produzir até 50 a 300 ovos por vez. Isto é bastante diferente dos camundongos, pois geralmente produzem ninhadas de um a 10 filhotes e só podem suportar aproximadamente três ninhadas durante a vida. As experiências científicas geralmente são repetidas várias vezes, a fim de provar que os resultados são precisos, de modo que ter um animal que pode produzir um grande número de filhos de uma vez é bastante útil.

Os embriões de peixe-zebra também são postos e fertilizados externamente, o que permite que eles sejam facilmente manipulados de diversas maneiras. A fertilização in vitro pode ser realizada, se necessário. Os ovos fertilizados com uma célula podem ser facilmente injetados com DNA ou RNA para modificar a composição genética e, assim, gerar linhagens transgênicas (os knock-out zebrafish) com a característica que se pretende pesquisar. Trabalhar com ratos dessa forma é muito mais complicado. Os embriões de ratos se desenvolvem dentro da mãe e, para acessá-los e manipulá-los, a mãe teria que ser sacrificada. Para manter os embriões vivos depois de fertilizá-los ou injetá-los com material genético novo, eles também precisam ser transplantados para outro camundongo feminino.

A larva de “Zebrafish”, que tem fase de desenvolvimento entre três e trinta dias pós-fertilização, possuindo comprimento de aproximadamente 3,5 a 8 milímetros. Crédito: NIH IRP

Além disso, os embriões de peixe-zebra são transparentes, o que permite que os cientistas vejam ao microscópio os ovos fertilizados crescerem totalmente até bebê de peixes. Sua transparência também permite a visualização de tecidos marcados na forma fluorescente em embriões transgênicos. Os embriões de ratos não são assim, de fácil visualização, e se desenvolvem no interior do corpo materno e, portanto, a observação do desenvolvimento de embriões vivos como aquela feita no peixe-zebra não é possível.

No entanto, existe um limite em que tipos de doenças podem ser estudadas no peixe-zebra. As doenças humanas causadas por genes que não existem no peixe zebra requerem um modelo animal diferente. Além disso, o peixe-zebra não é um modelo útil para doenças humanas que ocorre principalmente em um tipo de tecido ou parte do corpo que o peixe-zebra não tem (por exemplo, próstata, glândulas mamárias, pulmões).

Como exatamente são usados peixes-zebras para investigar doenças humanas?

Muitas vezes, o DNA de um paciente é sequenciado para encontrar uma mutação em um gene que potencialmente pode causar os sintomas da doença. Para determinar se a perda de função desse gene pode causar os sintomas observados no paciente, o mesmo gene é mutado ou então é dado “knock-out” no gene peixe-zebra e, em seguida, o peixe é examinado para a verificação da ocorrência dos sintomas. Embora seja muito mais difícil de fazer, a mutação exata do paciente também pode ser introduzida no genoma do peixe-zebra – e a isso é chamado de “knock-in“.

Se um ou mais dos sintomas do paciente forem observados nos modelos knock-out ou knock-in do peixe-zebra, o peixe-zebra pode ser usado para novos estudos para ajudar a determinar por que a mutação nesse gene causa a doença. Por exemplo, a estrutura das fibras musculares pode ser examinada no microscópio quanto à anormalidades se o paciente tiver uma doença muscular. Ou se os sintomas da doença do paciente começam durante o desenvolvimento no útero, os embriões de peixe-zebra knock-out ou knock-in podem ser examinados para acompanhamento das mudanças da expressão gênica (em comparação com embriões sem a mutação) que poderiam levar a um desenvolvimento anormal. Para um paciente com uma doença neurológica, os neurônios de embriões knock-out podem ser rotulados de forma fluorescente para ver se se formam incorretamente.

Além de utilizar modelos de doenças do peixe zebra para caracterizar doenças humanas, os pesquisadores também podem identificar e testar novos medicamentos para tratar as doenças que estão sendo modeladas. A capacidade do peixe-zebra para gerar muitos embriões cada vez que eles os procriam, são especialmente úteis para a triagem de drogas que necessitam alto rendimento.

Esta figura mostra diferenças visuais no músculo entre larva de peixe zebra de tipo selvagem (A, B, C) e larva distrofia (A ‘, B’, C ‘). Fonte: NIH

Quais são alguns exemplos de doenças humanas que foram modeladas com êxito no peixe zebra?

Um geração de um gene knocked-out da distrofina no peixe-zebra mostrou-se semelhante em gravidade e progressão para a distrofia muscular de Duchenne na doença humana. Foram identificadas em pacientes com distrofia muscular de Duchenne mutações genéticas para a distrofina e verificada fraqueza muscular infantil que piora progressivamente. Tanto em humanos quanto no modelo de peixe-zebra, a perda de distrofina leva gradualmente a fibras musculares necróticas, que são substituídas por células inflamatórias e fibrose, e fibras musculares de tamanho anormal.

O melanoma humano também foi modelado com êxito no peixe-zebra. A mutação mais comumente identificada em melanomas humanos — uma mudança de único aminoácido no gene BRAF — foi introduzida no peixe-zebra para fazer um modelo knock-in. Uma vez que os cânceres são causados por uma combinação de várias alterações genéticas, esta linha de peixe-zebra batida foi usada para detectar outras potenciais mutações causadores de câncer. Quando outra mutação de melanoma comumente observada do gene SETDB1 foi adicionada ao peixe-zebra BRAF knock-in, um melanoma rapidamente se desenvolveu. Esses resultados ajudaram a estabelecer que o SETDB1 é um gene importante no crescimento do melanoma.

Esses exemplos de como humanos e peixes-zebra podem manifestar a mesma doença, apesar da diferença que apreciamos, é fácil entender por que o peixe-zebra está se tornando um modelo animal bem aceito. No Programa de Doenças Não Diagnosticadas do NIH, um programa de pesquisa dos Institutos Nacionais de Saúde (NIH) nos Estados Unidos, são realizados estudos usando peixe-zebra como uma das várias abordagens para investigar o potencial envolvimento de genes alterados nas doenças extremamente raras de pacientes humanos. Embora os ratos tenham sido a ponte animal predominante entre o laboratório e o doente no passado, estudos recentes demonstraram o potencial do peixe-zebra para servir como uma alternativa fácil aos ratos. O momento da adoção do peixe-zebra como um organismo modelo emergente não poderia ser melhor, pois estudos com modelos em ratos e camundongos muitas vezes não conseguem se traduzir para seres humanos. Embora nenhum animal possa modelar perfeitamente uma doença humana, acredita-se que esses pequenos nadadores listrados têm grande potencial para avançar pesquisas médicas no futuro.

Referências:

NGUYEN, Phong Dang et al. “Muscle Stem Cells Undergo Extensive Clonal Drift during Tissue Growth via Meox1-Mediated Induction of G2 Cell-Cycle Arrest” Cell Stem Cell. 2017. http://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(17)30229-1; NGUYEN, Phong Dang et al. “Haematopoietic stem cell induction by somite-derived endothelial cells controlled by meox1”. Nature, 2014. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25119043; NIELD, David. We’re Another Step Closer to Growing Replacement Body Organs, Science Alert, 2017. Acesso em 12/07/2017; Study clears way to growing replacement body organs. Phys.org, 2017. Acesso em 12/07/2017; “Why Use Zebrafish to Study Human Diseases?“. NIH, 2016. Acesso em 12/07/2017; “Um Peixe Modelo“. Pesquisa FAPESP, 2013. Acesso em 12/07/2017.