Cientistas de Stanford cultivam milhares de mini cérebros humanos usando aditivo alimentar comum

Lançado em 2018 como parte do Instituto de Neurosciências Wu Tsai de Stanford através de sua iniciativa de Grandes Ideias em Neurociência, o programa reúne especialistas em neurociência, química, engenharia e outras disciplinas. Juntos, investigam 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 progresso do programa: a ampliação da produção. Para entender profundamente o desenvolvimento cerebral, estudar distúrbios do desenvolvimento ou testar terapias potenciais, os pesquisadores precisam produzir milhares de organoides que sejam uniformes em tamanho e forma. No entanto, essas estruturas delicadas tendem a grudar umas nas outras, dificultando o crescimento de grandes lotes consistentes.

Uma equipe liderada pelos afiliados do Wu Tsai Neuro, Sergiu Pasca, Professor Kenneth T. Norris, Jr. de Psiquiatria e Ciências Comportamentais, e Sarah Heilshorn, Professora Rickey/Nielsen de Engenharia, recentemente encontrou uma solução inesperadamente simples. Conforme relatado na Nature Biomedical Engineering, a chave para evitar que os organoides se aglomerassem foi a goma xantana, um aditivo alimentar amplamente utilizado.

“Agora conseguimos fazer 10.000 deles facilmente,” disse Pasca, o Diretor Bonnie Uytengsu e Família do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford. Em conformidade com o compromisso do programa de tornar suas técnicas amplamente disponíveis, eles já compartilharam sua abordagem para que outros possam se beneficiar dela. “Isso, assim como todos os nossos métodos, é aberto e acessível livremente. Já existem diversos laboratórios que implementaram essa técnica.”

Tão poucos que você poderia nomeá-los

Esse nível de produtividade era uma vez inimaginável. Há cerca de doze anos, Pasca havia desenvolvido um modo de transformar células-tronco em tecidos tridimensionais que mais tarde seriam conhecidos como organoides neurais regionalizados. Na época, ele conseguia fazer apenas uma handful deles.

“Nos primeiros dias, eu tinha oito ou nove deles, e nomeei cada um deles com nomes de criaturas mitológicas,” disse Pasca.

Mas o objetivo de Pasca era muito maior: descobrir como o cérebro em desenvolvimento pode sair do caminho em condições como autismo ou síndrome de Timothy, e explorar como os medicamentos poderiam afetar esse desenvolvimento. “Precisávamos produzir milhares de organoides, e todos deveriam ser iguais,” disse ele.

Ele também reconheceu que o sucesso exigiria uma equipe diversificada de especialistas. “Eu pensei: ‘Este é um campo emergente e existem muitos problemas que enfrentaremos, e a maneira como vamos enfrentá-los e resolvê-los é implementando tecnologias inovadoras,'” disse Pasca.

Para alcançar essa visão, Pasca colaborou com Karl Deisseroth, um bioengenheiro e neurocientista afiliado ao Wu Tsai Neuro, reunindo um grupo interdisciplinar que lançou oficialmente o Programa de Organogênese Cerebral de Stanford com o apoio da concessão de Grandes Ideias em Neurociência do Wu Tsai Neuro.

A solução anti-aderente

O problema da aderência surgiu pouco depois. Os organoides estavam se fundindo, resultando em números menores de organoides com formas e tamanhos diferentes.

“As pessoas no laboratório costumavam dizer, ‘Eu fiz cem organoides, mas acabei com vinte,'” disse Pasca.

Isso foi uma bênção e uma maldição. Por um lado, sugeria que os pesquisadores poderiam colar dois tipos diferentes de organoides – digamos, um pequeno cerebelo e uma medula espinhal – para estudar o desenvolvimento de estruturas cerebrais mais complexas. De fato, esses assembloides agora são uma parte fundamental do trabalho de Pasca e seus colegas.

Por outro lado, a equipe ainda precisava ser capaz de criar grandes números de organoides para coletar dados precisos sobre o desenvolvimento cerebral, testar medicamentos em busca de defeitos de crescimento ou realizar qualquer número de outros projetos em grande escala.

Uma possibilidade seria cultivar cada organoide em um prato separado, mas fazê-lo é muitas vezes ineficiente. Em vez disso, o laboratório precisava de algo para manter os organoides separados enquanto os cultivava em lotes, então Pasca trabalhou com Heilshorn, uma colaboradora do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford e engenheira de materiais, para testar algumas opções.

A equipe examinou, em última análise, 23 materiais diferentes com o objetivo de tornar seus métodos acessíveis a outros.

“Selecionamos materiais que já eram considerados biocompatíveis e que seriam relativamente econômicos e simples de usar, para que nossos métodos pudessem ser facilmente adotados por outros cientistas,” disse Heilshorn.

Para testar cada um, eles primeiro cultivaram organoides em um líquido rico em nutrientes por seis dias, depois adicionaram um dos materiais de teste. Após mais 25 dias, a equipe simplesmente contou quantos organoides permaneceram.

Mesmo em pequenas quantidades, a goma xantana impediu que os organoides se fundissem, e isso ocorreu sem efeitos colaterais sobre o desenvolvimento do organoide. Isso significava que os pesquisadores podiam manter os organoides separados sem enviesar seus resultados experimentais.

A ampliação finalmente

Para demonstrar o potencial da técnica, a equipe a usou para abordar um problema do mundo real: os médicos frequentemente hesitam em prescrever medicamentos potencialmente benéficos para pessoas grávidas e bebês, pois não sabem se esses medicamentos podem prejudicar cérebros em desenvolvimento. (Embora os medicamentos aprovados pelo FDA passem por testes extensivos, preocupações éticas significam que geralmente não são testados em pessoas grávidas ou bebês.)

Para mostrar como os organoides ajudam a resolver esse problema, a co-autora principal Genta Narazaki, uma pesquisadora visitante no laboratório de Pasca na época em que a pesquisa foi realizada, primeiro cultivou 2.400 organoides em lotes. Então, Narazaki adicionou um dos 298 medicamentos aprovados pelo FDA a cada lote para ver se algum deles poderia causar defeitos de crescimento. Trabalhando em estreita colaboração com a co-autora principal Yuki Miura no laboratório de Pasca, Narazaki mostrou que vários medicamentos, incluindo um usado para tratar câncer de mama, diminuíram o crescimento dos organoides, sugerindo que poderiam ser prejudiciais ao desenvolvimento cerebral.

Esse experimento mostra que os pesquisadores poderiam descobrir potenciais efeitos colaterais – e fazer isso de forma muito eficiente, disse Pasca: “Um único experimentador produziu milhares de organoides corticais por conta própria e testou quase 300 medicamentos.”

Pasca e seus colegas do Programa de Organogênese Cerebral de Stanford agora esperam usar sua técnica para avançar em uma série de transtornos neuropsiquiátricos, como autismo, epilepsia e esquizofrenia. “Abordar essas doenças é realmente importante, mas, a menos que você amplie, não há como fazer a diferença,” disse Pasca. “Esse é o objetivo agora.”