Neurociência na era dos minicérebros

Estudar o desenvolvimento do sistema nervoso humano sempre foi um desafio – em parte, pela complexidade de fatores que podem influenciar nesse processo, mas também pela carência de um modelo experimental adequado. Por isso, em 2013, quando pesquisadores austríacos e britânicos anunciaram a criação, em laboratório, de uma estrutura em três dimensões formada por neurônios humanos, criou-se uma imensa expectativa sobre as possibilidades que seriam abertas para a neurociência. Cinco anos depois, especialistas de vários países, incluindo o Brasil, já colheram resultados importantes de experimentos com organoides cerebrais, ou minicérebros, como ficaram conhecidos. No Instituto D’Or de Pesquisa e Ensino (IDOR), eles são modelo para estudo dos impactos de doenças como zika e transtornos psiquiátricos, além de pesquisas sobre os efeitos de substâncias psicodélicas sobre o cérebro.

Ao contrário do que se possa imaginar, as células neurais que compõem os organoides nunca habitaram o cérebro de alguém. Elas são geradas por meio da tecnologia da reprogramação celular, em que células da pele ou da urina de um voluntário são induzidas, em laboratório, a voltarem ao estágio de células-tronco, com potencial de se transformarem em qualquer tecido do corpo humano – são, por isso, chamadas células-tronco de pluripotência induzida (iPS). Em seguida, as iPS são transformadas em neurônios e outras células do sistema nervoso.

O pulo do gato para a formação dos minicérebros é cultivar as células nervosas em um líquido com nutrientes semelhantes àqueles encontrados no ambiente de desenvolvimento do embrião humano. Depois de cerca de um mês e meio, já é possível observar que as células se aglomeram em uma estrutura tridimensional que, ainda que de maneira rudimentar, pode ser comparada aos primeiros estágios de desenvolvimento do cérebro.

Embora diminutos – um organoide cerebral pronto para ser estudado tem, em média, dois a quatro milímetros de diâmetro –, os minicérebros representam um avanço gigante para a neurociência, por muitos motivos: reduzem a necessidade de uso de modelos animais, permitem a observação experimental em células humanas e, mais do que isso, a criação de organoides a partir de células de pacientes específicos, o que abre novas oportunidades para o desenvolvimento da tão falada medicina personalizada.

“Cada pessoa tem sua própria genética, e o tratamento que funciona bem para alguns pode ter efeito diferente em outros. Testar fármacos no organoide cerebral de um paciente poderia, no futuro, indicar o melhor caminho a seguir durante o planejamento terapêutico. Isso reduziria o sofrimento do paciente e de seus familiares com tratamentos ineficientes”, destaca Carolina Pedrosa, pós-doutoranda no IDOR.

Embora sua aplicação em medicina personalizada seja ainda distante, a testagem de substâncias com potencial terapêutico em minicérebros já é realidade. “O desenvolvimento de novos fármacos norteado pelos minicérebros pode indicar que drogas têm maior chance de sucesso nos humanos”, aposta o pesquisador do IDOR Gabriel de Freitas, que também atua na área clínica como neurologista da Universidade Federal Fluminense e do Hospital Quinta D’Or.

Antes dos modelos 3D, um dos modelos in vitro mais aproximados ao sistema nervoso humano eram as culturas de células neurais em placas 2D. Embora tenha possibilitado avanços importantes, o cultivo em duas dimensões possui limitações, em especial porque não permite avaliar como as células neurais se organizam e se comunicam umas com as outras – uma barreira vencida pelos organoides cerebrais, que permitem observar o comportamento celular em condições normais ou na presença de doenças ou fatores ambientais específicos, como a presença de toxinas.

 

Minicérebros, neuroesferas e outros modelos

No IDOR, a pesquisa mais marcante com a utilização de organoides cerebrais foi responsável por identificar, em 2016, a relação entre zika e microcefalia. Em laboratório, os cientistas infectaram organoides cerebrais com o vírus e observaram que ele matava, em uma semana, as células neurais, comprometendo o correto desenvolvimento do cérebro. O trabalho, desenvolvido em parceria com a Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e com a Fundação Oswaldo Cruz (Fiocruz), foi publicado na prestigiosa revista Science.

De lá para cá, além de dar continuidade à investigação dos efeitos da zika, a equipe do IDOR começou a estudar outras condições com impacto sobre o cérebro, como a disgenesia do corpo caloso, um tipo de má-formação cerebral congênita. Além disso, utilizou os minicérebros para avaliar o efeito de substâncias psicodélicas, como a dimetiltriptamina presente no Ayahuasca, sobre o sistema nervoso humano. “Substâncias psicodélicas são consumidas há décadas, mas seus possíveis efeitos terapêuticos sempre foram pouco explorados. Com os minicérebros, podemos investigar como elas funcionam no sistema nervoso humano”, afirmam Luiz Guilherme Hendrisky, doutorando do IDOR, e José Salerno, mestrando pela UFRJ e pelo IDOR.

Além de realizar investigações próprias utilizando minicérebros, o grupo do IDOR produz e fornece para outros pesquisadores iPS geradas a partir de células de pacientes específicos para seus estudos. Além dos minicérebros, essas células podem gerar também modelos menores e mais simples conhecidos como neuroesferas, que medem menos de um milímetro e já foram utilizados, por exemplo, em investigações sobre a esquizofrenia.

Recentemente, o grupo conseguiu ainda obter, a partir das iPS, um tipo especial de neurônios chamados sensoriais, relacionados, por exemplo, à sensibilidade à dor e à percepção da temperatura. Esse tipo de célula será usado para aperfeiçoar os modelos disponíveis de pele artificial e, também, para investigar a síndrome de Dravet, um tipo de epilepsia.

 

Perspectivas futuras

Uma das preocupações da equipe do IDOR é aperfeiçoar as técnicas e os modelos utilizados nas pesquisas. “Os organoides cerebrais são estruturas bastante frágeis”, conta o biólogo Marcelo Costa, um dos responsáveis por cultivar os minicérebros usados nas pesquisas do Instituto. “O tempo todo é necessário monitorar se o crescimento dos organoides está adequado e se estão formando as estruturas esperadas para a fase do desenvolvimento em que se encontram. Além disso, é preciso muito cuidado para evitar contaminação por fungos e bactérias. Tudo isso assegura que o modelo vai estar pronto para ser testado em cada uma das pesquisas”.

Recentemente, o grupo compartilhou novo trabalho em que propõe um protocolo otimizado para a produção de organoides cerebrais, mais barato, mais eficiente e que favorece o desenvolvimento de estruturas cerebrais complexas. O objetivo é popularizar a utilização de minicérebros e diversificar as iniciativas que se valem do modelo. “Nosso estudo oferece um protocolo robusto e acessível para a produção de organoides”, afirma Livia Goto, pós-doutoranda no IDOR e uma das autoras do estudo.

Para o futuro, um dos principais desafios é a criação de minicérebros com vascularização própria – sem a qual a formação do cérebro humano é impossível, e cuja ausência compromete o crescimento dos organoides pela falta da oferta adequada de nutrientes às células. Se essa dificuldade for vencida, será possível usar minicérebros para estudar etapas mais avançadas do desenvolvimento neural.

Por outro lado, o aperfeiçoamento dos minicérebros levanta também desafios de outra ordem. Quanto mais parecidos com o cérebro humano os organoides se tornarem, maiores serão as implicações éticas de pesquisá-los em laboratório. Será que, um dia, os minicérebros serão capazes, por exemplo, de guardar memórias? Qual será o limite ético dos estudos com esse modelo? Essas questões precisam ser discutidas não apenas na comunidade científica, mas também com outros atores da sociedade, como advogados, pacientes e seus familiares.