Testando novos medicamentos com “ALS-on-a-chip”

Anne Trafton | MIT News Office

Não há cura para a esclerose lateral amiotrófica (ELA), uma doença que gradualmente mata os neurônios motores que controlam os músculos e é diagnosticada em cerca de 6.000 pessoas por ano nos Estados Unidos.

Em um avanço que poderia ajudar os cientistas a desenvolver e testar novas drogas, os engenheiros do MIT projetaram um chip microfluídico no qual eles produziram o primeiro modelo de tecido humano 3-D da interface entre neurônios motores e fibras musculares. Os pesquisadores usaram células de indivíduos saudáveis ​​ou de pacientes com ELA para gerar os neurônios no modelo, permitindo-lhes testar a eficácia de drogas potenciais.

"Encontramos diferenças marcantes entre as células saudáveis ​​e as células ALS, e temos sido capazes de mostrar os efeitos de duas drogas que estão em ensaios clínicos agora", diz Roger Kamm, o Cecil e Ida Green Distinguished Professor of Mecânica e Engenharia Biológica no MIT e autor sênior do estudo.

O pós-doutorado do MIT, Tatsuya Osaki, é o principal autor do artigo, que aparece na edição de 10 de outubro de Science Advances. Sebastien Uzel, ex-aluno de pós-graduação do MIT, também é autor do artigo.

junções tridimensionais

Os cientistas começaram a desenvolver modelos de tecido das conexões entre neurônios motores e células musculares, também chamadas de junções neuromusculares, décadas atrás. No entanto, estes foram limitados a estruturas bidimensionais, que não replicam totalmente a fisiologia complexa do tecido.

Kamm e seus colegas desenvolveram a primeira versão de seu modelo de junção neuromuscular 3-D há dois anos. O modelo consiste em neurônios e fibras musculares que ocupam compartimentos adjacentes de um chip microfluídico. Uma vez colocados nos compartimentos, os neurônios estendem longas fibras chamadas neurites, que eventualmente se ligam aos músculos, permitindo que os neurônios controlem seus movimentos.

Os neurônios são projetados para que os pesquisadores possam controlar sua atividade com a luz, usando uma técnica chamada optogenética. As fibras musculares são enroladas em torno de dois pilares flexíveis, então, quando os neurônios são ativados pela luz, os pesquisadores podem medir o quanto as fibras musculares se contraem, medindo o deslocamento dos pilares.

Na versão de 2016 do modelo, os pesquisadores usaram células de ratos para cultivar os neurônios e músculos, mas as diferenças entre as espécies podem afetar a triagem de drogas. No novo estudo, eles usaram células-tronco pluripotentes induzidas de humanos para gerar tanto as células musculares quanto os neurônios. Depois de demonstrar que o sistema funcionava, eles começaram a incorporar neurônios gerados a partir de células-tronco pluripotentes induzidas de um paciente com ALS esporádica, que responde por 90% de todos os casos.

Este modelo de ALS mostrou diferenças significativas em relação às junções neuromusculares criadas a partir de células saudáveis. As neurites cresceram mais lentamente e pareciam incapazes de formar fortes conexões com as fibras musculares, diz Kamm.

“Você pode ver que os neurites saudáveis ​​estão indo diretamente para os myotubes individuais e, em seguida, ativando-os. No entanto, os neurônios ALS não parecem ser capazes de se conectar muito bem ”, diz ele.

Isso se traduziu em um controle muscular mais fraco: após duas semanas, os músculos inervados pelos neurônios motores da ELA estavam gerando apenas cerca de um quarto da força produzida pelos músculos controlados por neurônios saudáveis. Isso também sugeriu que os neurônios motores da ELA atacavam tecidos musculares esqueléticos saudáveis.

“O uso de células neuronais derivadas de humanos de pacientes com ELA, combinado com células musculares derivadas de células-tronco – e a formação de uma junção neuromuscular funcional – é um grande avanço no campo de modelos de tecido em um chip, Diz Rashid Bashir, professor de engenharia elétrica e de computação e bioengenharia da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, que não esteve envolvido na pesquisa.

Drogas promissoras

Os pesquisadores então usaram seu modelo para testar duas drogas que estão agora em ensaios clínicos para tratar a ALS – rapamicina e bosutinibe. Eles descobriram que a administração de ambas as drogas juntas restaurava a maior parte da força muscular que havia sido perdida nas unidades motoras do ALS. O tratamento também reduziu a taxa de morte celular normalmente observada na unidade motora ALS.

Trabalhando com uma empresa de biotecnologia local, Kamm e seus colegas esperam coletar células-tronco pluripotentes induzidas de 1.000 pacientes com ELA, permitindo-lhes realizar estudos de drogas em larga escala. Eles também planejam ampliar a tecnologia para que possam testar mais amostras de uma vez e adicionar mais tipos de células, como as células de Schwann e as microgliais, que desempenham papéis de apoio no sistema nervoso.

Este modelo de tecido também pode ser usado para estudar outras doenças musculares, como a atrofia muscular espinhal, que afeta as células nervosas encontradas na coluna vertebral.

A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation através do Centro de Ciência e Tecnologia em Comportamentos Emergentes de Sistemas Celulares Integrados.

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