Cientistas de Stanford estão desenvolvendo milhares de minúsculos cérebros humanos usando um aditivo alimentar comum

O projeto reunirá especialistas de neurociência, química, engenharia e outras áreas como parte do Instituto de Neurociências Wu Tsai de Stanford em 2018. Juntos, eles exploram circuitos neurais relacionados à dor, genes ligados a distúrbios do neurodesenvolvimento e novos métodos para estudar a conectividade cerebral.

Um desafio persistiu ao longo do andamento do projeto: aumentar a produtividade. Para obter uma compreensão mais profunda do desenvolvimento do cérebro, estudar distúrbios do desenvolvimento ou testar tratamentos potenciais, os pesquisadores devem criar milhares de organelas idênticas em tamanho e forma. No entanto, estas estruturas delicadas tendem a aderir, dificultando o crescimento de blocos grandes e estáveis.

Wu Tsai Neuro afiliados Sergiu Pasca, Kenneth T. Norris, Jr. Uma equipe liderada por Rickey/Nielsen Professor de Engenharia em Psiquiatria e Ciências do Comportamento e Sarah Heilshorn encontrou recentemente uma solução inesperadamente simples. Conforme relatado Engenharia Biomédica da NaturezaA chave para evitar o entupimento dos organoides é a goma xantana, um aditivo alimentar amplamente utilizado.

“Podemos facilmente produzir 10 mil deles agora”, disseram Bonnie Uitengsu e Pasca, diretor do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford. Dado o compromisso do projecto em tornar as suas técnicas amplamente disponíveis, eles já partilharam a sua abordagem para que outros possam tirar partido dela. “É, como todos os nossos métodos, aberto e de livre acesso. Já existem muitos laboratórios que implementaram esta técnica.”

Então você pode citar alguns

Esse nível de produtividade já foi inimaginável. Cerca de doze anos atrás, Baska desenvolveu uma maneira de transformar células-tronco em tecidos tridimensionais que mais tarde ficaram conhecidos como organoides neurais regionalizados. Naquela época, ele só conseguia fazer alguns deles.

“Nos primeiros dias, eu tinha oito ou nove e batizei cada um com o nome de uma criatura mítica”, disse Baska.

Mas o objetivo de Baska era muito maior: descobrir como o desenvolvimento do cérebro pode falhar em condições como o autismo ou a síndrome de Timothy, e explorar como os medicamentos podem afetar esse desenvolvimento. “Tivemos que produzir milhares de organoides, todos idênticos”, disse ele.

Ele também percebeu que o sucesso exigiria uma equipe diversificada de especialistas. “Pensei: ‘Este é um campo em crescimento e vamos enfrentar muitos problemas, e a maneira de enfrentá-los e resolvê-los é através da implementação de tecnologias inovadoras'”, disse Baska.

Para alcançar essa visão, Baska colaborou com Carl Deisseroth, neurocientista e bioengenheiro, para montar uma equipe interdisciplinar que lançou oficialmente o Stanford Brain Organogenesis Project, apoiado por uma bolsa NeuroSai Neuro Big Ideas.

Solução antiaderente

O problema persistente logo apareceu. Os organoides se fundem, resultando em um pequeno número de organoides de diferentes formas e tamanhos.

“As pessoas no laboratório continuam dizendo: ‘Fiz cem organoides, mas acabei com vinte’”, disse Baska.

Foi uma bênção e uma maldição. Por um lado, sugeriu que os investigadores poderiam combinar dois tipos diferentes de organoides – um minúsculo cerebelo e uma medula espinal – para estudar o desenvolvimento de estruturas cerebrais mais complexas. Na verdade, estes assemblóides são agora uma parte importante do trabalho de Baska e dos seus colegas.

Por outro lado, a equipe ainda precisa gerar um grande número de organoides para que possam fazer o desenvolvimento do cérebro, a triagem de drogas para deficiências de desenvolvimento ou qualquer outro projeto.

Cultivar cada organoide em uma dieta separada é uma opção, mas isso costuma ser ineficiente. Em vez disso, o laboratório precisava de algo para fazer enquanto cultivava organoides em lotes, então Baska trabalhou com Heilshorn, colaborador do projeto de organogênese cerebral de Stanford e engenheiro de materiais, para tentar algumas opções.

A equipe finalmente analisou 23 materiais diferentes, com o objetivo de tornar seus métodos acessíveis a outras pessoas.

“Escolhemos materiais que já eram considerados biocompatíveis, relativamente baratos e fáceis de usar, para que nossos métodos pudessem ser facilmente adotados por outros cientistas”, disse Helshorn.

Para testar cada um, eles primeiro cultivaram organoides em um líquido rico em nutrientes durante seis dias e depois adicionaram uma das substâncias de teste. Depois de mais 25 dias, a equipe simplesmente contou quantos organoides restavam.

Mesmo em pequenas doses, a goma xantana impediu que os organoides se fundissem, e o fez sem quaisquer efeitos colaterais no crescimento dos organoides. Isso significa que os pesquisadores podem separar os organoides sem distorcer seus resultados experimentais.

Última medição

Para demonstrar o potencial da técnica, a equipa utilizou-a para resolver um problema do mundo real: os médicos muitas vezes relutam em prescrever medicamentos eficazes a mulheres grávidas e crianças porque não sabem se esses medicamentos podem prejudicar o cérebro em desenvolvimento. (Embora os medicamentos aprovados pela FDA sejam submetidos a testes extensivos, as preocupações éticas geralmente significam que não são testados em mulheres grávidas ou crianças.)

Para mostrar como os organoides resolvem esse problema, o coautor principal Genta Narasaki, pesquisador visitante no laboratório de Baska na época em que o estudo foi realizado, primeiro cultivou 2.400 organoides em lotes. Mais tarde, Narasaki adicionou um dos 298 medicamentos aprovados pela FDA a cada embalagem. Narasaki, que trabalhou em estreita colaboração com o co-autor Yuki Miura no laboratório Baska, descobriu que muitos medicamentos, incluindo medicamentos usados ​​para tratar o cancro da mama, bloqueiam o crescimento de organoides, sugerindo que prejudicam o desenvolvimento do cérebro.

Esse teste mostra que os pesquisadores podem detectar possíveis efeitos colaterais – e fazê-lo com mais eficiência, disse Baska: “Um único experimentador produziu milhares de organoides corticais por conta própria e testou quase 300 medicamentos”.

Baska e seus colegas do Stanford Brain Organogenesis Project esperam agora usar sua técnica para melhorar uma série de distúrbios neuropsiquiátricos, como autismo, epilepsia e esquizofrenia. “Abordar essas doenças é fundamental, mas se você não escalar, não há como fazer a diferença”, disse Baska. “Esse é o objetivo agora.”