Uma equipe liderada por Masaya Hagiwara, do instituto nacional de ciências RIKEN, no Japão, desenvolveu um dispositivo engenhoso, usando camadas de hidrogéis em uma estrutura semelhante a um cubo, que permite aos pesquisadores construir organoides 3D complexos sem o uso de técnicas elaboradas. O grupo também demonstrou recentemente a capacidade de usar o dispositivo para construir organoides que reproduzem fielmente a expressão genética assimétrica que caracteriza o desenvolvimento real dos organismos. O dispositivo tem o potencial de revolucionar a maneira como testamos drogas e também pode fornecer informações sobre como os tecidos se desenvolvem e levar a melhores técnicas para o cultivo de órgãos artificiais.
Os cientistas há muito lutam para criar organoides – tecidos semelhantes a órgãos cultivados em laboratório – para replicar o desenvolvimento biológico real. A criação de organoides que funcionem de forma semelhante a tecidos reais é importante para o desenvolvimento de medicamentos, pois é necessário entender como os medicamentos se movem pelos vários tecidos. Os organoides também nos ajudam a obter informações sobre o próprio processo de desenvolvimento e são um trampolim no caminho para o crescimento de órgãos inteiros que podem ajudar os pacientes.
No entanto, a criação de organoides realistas provou ser difícil. Na natureza, os tecidos se desenvolvem por meio de uma dança elaborada que envolve gradientes químicos e andaimes físicos que orientam as células em certos padrões 3D. Em contraste, os organoides cultivados em laboratório normalmente se desenvolvem deixando as células crescerem em condições homogêneas – criando bolas simples de células semelhantes – ou usando impressão 3D ou tecnologias microfluídicas, que exigem equipamentos sofisticados e habilidades técnicas.
Mas agora, em um artigo inicial publicado em Tecnologias Avançadas de Materiaiso grupo do RIKEN Cluster for Pioneering Research anunciou o desenvolvimento de uma técnica nova e inovadora que permite controlar espacialmente o ambiente em torno de grupos de células baseadas em cubos, usando nada mais elaborado do que uma pipeta.
O método envolve confinar camadas de hidrogéis – substâncias compostas principalmente de água – com diferentes propriedades físicas e químicas dentro de um recipiente de cultura em forma de cubo. No estudo, diferentes hidrogéis foram inseridos no andaime usando uma pipeta e mantidos no lugar com base na tensão superficial. As células podem ser inseridas nos cubos dentro dos hidrogéis individuais ou como pellets que podem se mover para as diferentes camadas, tornando possível criar uma variedade de tipos de tecido.
Em um segundo artigo, publicado em Biologia da Comunicação, o grupo também demonstrou a capacidade de recriar o que é conhecido como padrão de eixo corporal. Essencialmente, quando os vertebrados se desenvolvem, há um padrão de diferenciação celular de cabeça/traseira e costas/estômago. Embora importante para a criação de organoides que recriam fielmente o que acontece em organismos reais, isso tem sido muito difícil de conseguir em laboratório.
Neste trabalho, usando o sistema baseado em cubos, o grupo foi capaz de recriar esse padrão, usando uma tampa de molde para semear com precisão um grupo de células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) dentro de um cubo e, em seguida, permitir que as células sejam expostas a um gradiente de dois fatores de crescimento diferentes. Eles chegaram a “recrutar” um assistente de laboratório e um aluno do ensino médio para realizar o trabalho com sucesso, mostrando que a semeadura das células não exigiria um alto nível de especialização. A equipe também demonstrou que os tecidos resultantes podem ser seccionados para geração de imagens e ainda manter as informações sobre a orientação do gradiente.
De acordo com Hagiwara, “estamos muito entusiasmados com essas conquistas, pois o novo sistema possibilitará aos pesquisadores recriar rapidamente, e sem dificuldades técnicas, organoides que se assemelhem mais à maneira como os órgãos se desenvolvem em organismos reais. Esperamos que uma série de pesquisadores usará nosso método para criar vários novos organoides e contribuir para a pesquisa em diferentes sistemas de órgãos. Eventualmente, esperamos que também contribua para a compreensão de como podemos construir órgãos artificiais reais que podem ajudar os pacientes.”
Hagiwara ingressou na RIKEN em 2019 como RIKEN Hakubi Fellow, um programa que incentiva jovens pesquisadores talentosos a estabelecer seus próprios laboratórios. Seu foco específico é o desenvolvimento de pulmões, mas ele destaca que a tecnologia pode ser usada também para a criação de outros tipos de organoides.