Cientistas desenvolvem ratos com cérebro ‘meio humano’ para estudar doenças neurológicas

Pesquisadores da Stanford Medicine, nos Estados Unidos, desenvolveram uma nova espécie de modelo experimental que combina tecido cerebral humano com o cérebro de camundongos. O estudo, publicado em 16 de setembro na revista científica Nature, utiliza animais geneticamente modificados para receber grandes quantidades de tecido cerebral humano e pode ajudar a investigar doenças neurológicas e do desenvolvimento.

A técnica envolve os chamados organoides corticais, estruturas tridimensionais produzidas em laboratório a partir de células-tronco humanas que reproduzem algumas características do córtex cerebral em desenvolvimento. Em vez de mantê-los apenas em placas de laboratório, os cientistas transplantaram esses tecidos para camundongos cujo córtex cerebral havia sido quase totalmente eliminado por alterações genéticas.

O resultado foi um tecido humano que sobreviveu, cresceu e estabeleceu conexões com o sistema nervoso dos animais. Em alguns dos camundongos, chamados pelos pesquisadores de “xenocorticais”, o tecido de origem humana passou a representar mais de 90% do volume cortical.

A estratégia foi desenvolvida pela equipe liderada por Sergiu Pasca, professor de psiquiatria e ciências comportamentais da Stanford Medicine. Segundo os pesquisadores, o novo modelo pode superar algumas limitações dos organoides cultivados exclusivamente em laboratório, que não possuem a complexidade de um cérebro vivo.

Como funciona o experimento

Os organoides corticais são produzidos a partir de células humanas reprogramadas para adquirir características de células-tronco. Em condições específicas, elas se organizam em estruturas que reproduzem parte da arquitetura e dos tipos celulares encontrados no córtex cerebral humano.

Esses modelos já permitiam estudar etapas do desenvolvimento neurológico, mas apresentavam limitações. Em uma placa, por exemplo, o tecido não recebe todas as informações provenientes de outras regiões do sistema nervoso e não conta com uma rede completa de conexões, circulação sanguínea e interação com outros tipos de células presentes no cérebro.

A equipe de Stanford já havia transplantado organoides humanos para cérebros de ratos em um estudo anterior. Os neurônios humanos apresentaram desenvolvimento mais avançado e estabeleceram conexões com células do animal. Porém, o espaço disponível no cérebro do roedor e a competição entre os sistemas nervosos humano e animal restringiam o crescimento do tecido transplantado.

Na nova pesquisa, os cientistas buscaram eliminar esse obstáculo. Para isso, criaram camundongos nos quais células responsáveis pela formação de grande parte do córtex e do hipocampo não se desenvolvem normalmente.

Esses animais receberam o nome de “apallial mice”, ou camundongos apalliais. Na idade adulta, eles apresentavam apenas cerca de 2% do conteúdo cortical equivalente ao de camundongos comuns, deixando uma grande cavidade no cérebro.

Os pesquisadores então implantaram organoides corticais humanos em camundongos recém-nascidos. Cada organoide continha cerca de 100 mil células. A maioria dos procedimentos teve sucesso: 86,2% dos animais analisados apresentaram sobrevivência do tecido transplantado.

Depois do transplante, o tecido humano cresceu rapidamente. Entre dois e três meses após o procedimento, o volume do enxerto aumentou cerca de 4,7 vezes. Aos três meses, o tecido derivado dos organoides correspondia, em média, a 91,9% do volume cortical combinado dos animais analisados.

Formação de conexões

O experimento não produziu apenas um aglomerado de células humanas dentro do cérebro dos camundongos. Os pesquisadores identificaram evidências de que os neurônios transplantados formaram conexões com outras partes do sistema nervoso.

Projeções de neurônios humanos foram observadas em regiões do cérebro dos animais e também na medula espinhal. Os cientistas utilizaram diferentes técnicas de rastreamento para acompanhar essas conexões e identificar sinais de integração entre o tecido humano e o sistema nervoso do hospedeiro.

O tecido também apresentou atividade elétrica espontânea. Por meio de técnicas de monitoramento da atividade dos neurônios, os pesquisadores registraram ondas de atividade que percorriam grandes áreas do enxerto.

Em alguns experimentos, os períodos de atividade cerebral coincidiram com movimentos do rosto dos animais. Registros elétricos feitos diretamente no tecido transplantado também mostraram eventos sincronizados, indicando que os neurônios humanos haviam formado uma rede funcionalmente ativa.

Apesar disso, os autores ressaltam que a integração ainda não corresponde a um córtex humano completamente maduro. O tecido transplantado permanecia em uma fase relativamente inicial de desenvolvimento e não apresentava algumas características de um córtex adulto, como organização completa das camadas e maturação total de determinados circuitos.

Identificação de VENs e o seu potencial

Um dos resultados considerados mais relevantes pelos pesquisadores foi a identificação de neurônios semelhantes aos chamados neurônios de von Economo, ou VENs.

Essas células são grandes, possuem formato característico e são encontradas em determinadas regiões do cérebro de humanos e de outros animais de cérebro grande. Elas já foram observadas em espécies como grandes primatas, elefantes, golfinhos e baleias, mas não são encontradas normalmente em camundongos.

Os VENs também são difíceis de produzir em organoides cultivados em laboratório. No novo modelo, entretanto, os cientistas identificaram células com características morfológicas semelhantes às dessas estruturas em todos os camundongos xenocorticais analisados.

Segundo o estudo, os neurônios semelhantes aos VENs representaram cerca de 0,16% das células marcadas nas amostras examinadas. O tamanho médio do corpo celular dessas células era significativamente maior do que o observado na maioria dos demais neurônios.

A descoberta pode ser importante para pesquisas sobre doenças que afetam essas células. Os VENs são particularmente associados a estudos sobre demência frontotemporal, uma doença neurodegenerativa que pode provocar alterações de comportamento, personalidade e linguagem.

A possibilidade de produzir células humanas a partir de indivíduos saudáveis ou de pacientes e acompanhá-las em um organismo vivo pode permitir que os cientistas investiguem como alterações genéticas interferem no funcionamento dos circuitos cerebrais.

Quais experiências já foram feitas

Uma das aplicações testadas pelos pesquisadores envolveu a falta de oxigênio, condição associada a danos cerebrais durante a gestação ou próximo ao nascimento e que pode estar relacionada à paralisia cerebral.

Os camundongos foram submetidos durante cinco horas a uma atmosfera contendo apenas 5% de oxigênio. Nos animais com tecido cerebral humano, os pesquisadores identificaram sinais celulares de resposta à hipóxia no enxerto.

Também foram observadas alterações em células da glia, como astrócitos e micróglias, que participam da resposta do sistema nervoso a lesões.

Os efeitos também apareceram em testes comportamentais. Após a exposição à baixa concentração de oxigênio, os camundongos xenocorticais apresentaram alterações na marcha e na coordenação dos membros. Os animais de controle submetidos ao mesmo protocolo não apresentaram alterações equivalentes.

Por que os resultados são promissores

Para os pesquisadores, o resultado demonstra uma possível forma de estudar, em um organismo vivo, como o tecido cerebral humano reage a uma agressão durante o desenvolvimento.

A mesma plataforma poderá ser utilizada para investigar condições como esquizofrenia, epilepsia, autismo e paralisia cerebral. Uma das possibilidades seria criar organoides a partir de células de pessoas com determinadas doenças e transplantá-los para os camundongos, permitindo acompanhar alterações celulares e circuitos associados aos transtornos.

Apesar do potencial científico, os próprios pesquisadores destacam que o modelo exige cuidados éticos. À medida que o tecido humano se torna mais integrado ao cérebro de animais, surgem questões sobre o grau de desenvolvimento que esses modelos devem alcançar e sobre como interpretar eventuais alterações comportamentais.

O que ainda falta descobrir

O estudo também aponta limitações que ainda precisam ser investigadas. Embora os neurônios humanos tenham estabelecido conexões com o cérebro e a medula espinhal dos camundongos, ainda não está completamente determinado quanto dessas conexões é funcional nem se elas são responsáveis diretamente por comportamentos específicos.

Além disso, o enxerto ainda não apresenta todas as características de um córtex humano maduro. Os pesquisadores afirmam que estudos futuros deverão avaliar como o tecido se comporta em estágios mais avançados de desenvolvimento e quais serão as consequências de uma integração ainda maior com o sistema nervoso dos animais.

A expectativa é que o modelo permita observar doenças neurológicas em uma escala que os organoides mantidos em laboratório não conseguem reproduzir, além de criar uma plataforma para testar possíveis tratamentos diretamente em circuitos formados por neurônios humanos.

Fique por dentro das principais notícias do dia no Brasil e no mundo. Siga o canal do R7, o portal de notícias da Record, no WhatsApp