Maria Brophy Marcus
Neurocientistas que estudam o cérebro há muito tempo tentam desvendar os mistérios neurais da esquizofrenia e do transtorno bipolar. Essas doenças podem ser difíceis de diagnosticar e ainda mais difíceis de tratar.
Um grupo de cientistas da Johns Hopkins University, nos Estados Unidos, pode estar um passo mais perto de diagnosticar com maior precisão esses transtornos cerebrais. Os pesquisadores criaram "minicérebros" cultivados em laboratório com neurônios funcionais derivados de células de pessoas com esquizofrenia ou com transtorno bipolar e usaram um novo "processo" de aprendizado de máquina para identificar os padrões de ativação neural ligados a esses quadros. A pesquisa foi publicada recentemente no periódico APL Bioengineering.
Como criar um ‘minicérebro’ do zero?
Os cientistas iniciaram o estudo gerando, por indução, células-tronco totipotentes — células adultas reprogramadas para um estado semelhante ao embrionário e que podem então ser diferenciadas em qualquer tipo de célula de que o pesquisador precise.
“Assim, posso pegar uma célula do cabelo, uma célula da pele ou até mesmo células sanguíneas e produzir células-tronco totipotentes”, disse a neurocientista Dra. Annie Kathuria, Ph.D., coautora do estudo e professora assistente de engenharia biomédica na Johns Hopkins University. Ela indicou que os cientistas Shinya Yamanaka e Sir John B. Gurdon receberam o Prêmio Nobel em 2012 por terem criado essa tecnologia.
A Dra. Annie e seus colaboradores usaram células sanguíneas de pacientes com esquizofrenia ou com transtorno bipolar para criar células-tronco totipotentes.
“O interessante é que as células sanguíneas trazem a assinatura genética da pessoa de quem foram obtidas, então são muito personalizadas para aquele paciente”, disse a pesquisadora. “Isso é muito, muito útil para estudar transtornos neuropsiquiátricos, por serem quadros de natureza muito diversa e que acometem cada pessoa de uma forma diferente.”
Por exemplo, existe o transtorno esquizofrênico, mas também existe o transtorno esquizoafetivo. Existe ainda a esquizofrenia refratária. Existem dois tipos de transtorno bipolar. Os médicos observam variações semelhantes nos transtornos de ansiedade, acrescentou Dra. Annie.
Após a produção das células-tronco, a equipe de colaboradores da Dra. Annie, que é engenheira de tecidos, utilizaram-nas para gerar "estruturas semelhantes ao cérebro em laboratório".
“Nós agregamos essas células-tronco. Basicamente, muitos biólogos do desenvolvimento descobriram modos de acrescentar pequenas moléculas químicas em diferentes etapas do desenvolvimento, agregando-as literalmente em estruturas em forma de bolas; são estruturas minúsculas, parecidas com bolas”, disse Dra. Annie, explicando que o caldo de cultura química no qual essas estruturas crescem contém primariamente uma mistura de açúcar e alguns nutrientes.
Nessa fase, ainda não são visíveis a olho nu, mas crescem e se expandem ao longo do tempo, e acabam por se tornar visíveis. Isso pode levar tempo — os minicérebros ficam em cultura por seis meses antes de atingirem de 3 a 4 mm de diâmetro.
“Imagine uma pequena ervilha ou um pequeno mirtilo”, disse Dra. Annie.
Do nada aos neurônios
Ao fornecer diferentes moléculas às esferas celulares em momentos distintos, os cientistas conseguem desagregá-las para que se tornem o tipo de estrutura que eles querem estudar — neste caso, os neurônios, as células funcionais primárias do cérebro.
“Começamos com o desenvolvimento neural, fazendo a formação do tubo neural. Quando ele está formado (o que leva cerca de sete dias na cultura), o próximo passo depende da região do cérebro que estou estudando”, disse Dra. Annie. “Eu divido ou direciono as células para que sigam na direção desejada. Então, se estou tentando criar o córtex pré-frontal, adiciono moléculas que irão ativar essa via do desenvolvimento cerebral. Se estou tentando obter o tronco encefálico ou a medula espinhal para estudar distúrbios do movimento, uso outras moléculas.”
A pesquisadora disse que, em relação aos transtornos neuropsiquiátricos, o córtex pré-frontal é sempre acometido, sendo a região do cérebro responsável pela cognição — ou seja, pela tomada de decisões.
À medida que as células se desenvolvem em organoides, “algumas vezes precisamos ajustar a dose e o momento da administração”, disse Dra. Annie. “É aí que entra a engenharia genética — descobrir quais vias e qual dose utilizar. E então, quando as células se desenvolvem em pequenas estruturas semelhantes a cérebros e atingem um tamanho suficiente, nós as colocamos em uma matriz extracelular.”
A matriz extracelular é o sistema de massa esquelética do corpo que fornece aos seres humanos a estrutura de suporte para que as células possam se expandir e crescer.
“É como uma cola pegajosa”, disse Dra. Annie, e pode levar dois meses ou mais após o estágio de célula-tronco para chegar ao estágio de organoide cerebral. A partir de uma única célula-tronco, os pesquisadores podem produzir centenas desses organoides semelhantes ao cérebro.
Esmiuçar e usar aprendizado de máquina
Depois que os cientistas criaram organoides semelhantes a cérebros a partir de células de pessoas com esquizofrenia ou transtorno bipolar, estavam prontos para as próximas etapas. A Dra. Annie e seus colaboradores fatiaram os minicérebros e, usando a microscopia, coraram os cortes em busca de diferentes proteínas.
“Analisamos todos os tipos de células que diferenciamos a partir das células-tronco. Também fizemos muito sequenciamento de RNA — sequenciamento de RNA de núcleo único. Isso significa que eu literalmente desmonto a estrutura organoide, extraio e sequencio os núcleos dos neurônios para entender quais marcadores de tipo celular eles estão expressando”, disse Dra. Annie.
Uma vez que a forma pela qual as células cerebrais se comunicam (ou deixam de se comunicar) é considerada um fator-chave para os distúrbios cerebrais, Dra. Annie e sua equipe também coletaram muitos dados eletrofisiológicos — de atividade de corrente elétrica — dos organoides. A seguir, processaram esses dados por meio de um novo procedimento (ou algoritmo) de aprendizado de máquina, criado com "muita matemática e programação" pelo engenheiro biomédico Dr. Kai Cheng, Ph.D., e pela Dra. Sridevi V. Sarma, Ph.D., professora de engenharia biomédica na Johns Hopkins University. O objetivo era identificar os padrões de disparo neural associados a minicérebros saudáveis e adoecidos.
“Nós fomos cegados. Não sabíamos qual organoide era o de controle, qual era o da esquizofrenia e qual era o do transtorno bipolar”, disse Dra. Annie.
A pesquisadora disse que o programa basicamente criou um mapa — uma assinatura — da atividade elétrica de cada organoide, servindo como biomarcadores da esquizofrenia e do transtorno bipolar. Os pesquisadores conseguiram identificar com 83% de precisão quais organoides eram provenientes de pacientes com esses transtornos mentais.
O que isso significa
A bióloga Dra. Constanza Morén, Ph.D., pesquisadora do Laboratori de Recerca Bàsica i Translacional en Esquizofrènia no Hospital Clínic de Barcelona e professora da Universitat de Barcelona, ambos na Espanha, afirmou: “Considero este um campo de pesquisa fascinante e altamente promissor. O estudo utilizou organoides cerebrais e inteligência artificial para detectar padrões eletrofisiológicos específicos da esquizofrenia e do transtorno bipolar, representando uma abordagem inovadora e voltada para o futuro na identificação de biomarcadores objetivos na saúde mental”.
A Dra. Constanza, que não participou do estudo, afirmou que os principais pontos fortes da pesquisa são o uso de modelos de células-tronco totipotentes por indução obtidas de pacientes, a combinação de estimulação elétrica com análise de aprendizado de máquina e a capacidade da diferenciação de alta precisão entre os grupos.
No entanto, ela afirmou que as futuras pesquisas devem incluir uma amostra maior (o estudo em tela teve 12 participantes), “com grupos medicados e sem medicação para separar os efeitos da doença dos efeitos do tratamento, e incorporando coortes geneticamente caracterizadas para refinar a interpretação dos resultados”.
Dra. Constanza observou que a genética não é 100% responsável pelos problemas de saúde mental, mas que "poderia ser valioso o uso de amostras de pacientes diagnosticados com mutações diretamente relacionadas ao início da doença, como as deleções 22q11.2, a mutação SHANK3e outras".
A pesquisadora também ressaltou que os procedimentos utilizados na pesquisa são dispendiosos em termos de tempo e recursos, o que "levanta a questão de quão perto estamos realmente de traduzir essas ferramentas promissoras para a prática clínica".
O Dr. Henry Brem, médico, professor titular da Cátedra Harvey Cushing e Diretor de Neurocirurgia da Johns Hopkins University, disse: "É um trabalho realmente inovador, porque pega problemas psiquiátricos muito complexos e, em um modelo de laboratório, permite que os pesquisadores estudem características únicas específicas de cada paciente e criem tratamentos a partir daí”.
Dr. Henry, que é da mesma instituição acadêmica que Dra. Annie, mas não participou do estudo, disse: “A ideia de ter diferentes assinaturas eletrofisiológicas associadas aos transtornos psiquiátricos é extraordinária. E poder testar diferentes tratamentos em laboratório, de forma segura, e observar se essa eletrofisiologia se altera abre enormes oportunidades tanto para a melhor compreensão dessas doenças quanto para a descoberta de medicamentos personalizados adequados para os pacientes”.
Dr. Henry também afirmou que a abordagem "é um grande passo adiante" na tentativa de abandonar o uso de animais nas pesquisas e, em vez disso, usar outros modelos para estudar as doenças.
O que nos aguarda?
Dra. Annie disse que o próximo objetivo são estudos maiores.
“Com este artigo, estabelecemos um fluxo de trabalho de aprendizado de máquina e agora podemos criar mapas de diferentes organoides cerebrais derivados de células de uma pessoa saudável (grupo de controle), uma pessoa com esquizofrenia e uma pessoa com transtorno bipolar. Até o momento, testamos o método em apenas 12 amostras, portanto precisamos aumentar esse número para tornar o estudo mais robusto”, disse a professora.
Dra. Annie também afirmou que gostaria de realizar um estudo semelhante, acrescentando os resultados do eletroencefalograma dos mesmos pacientes que fornecerem as células-tronco para os minicérebros.
"Gostaria de fazer a mesma análise e o mapeamento eletrofisiológico usando dados do eletroencefalograma que fizemos nos organoides neste estudo, para verificar a precisão dos nossos resultados em comparação com o eletroencefalograma do cérebro humano", disse a professora.
O estudo foi financiado por subsídios dos National Institutes of Health. Os autores informaram não ter conflitos de interesses.
Este conteúdo foi traduzido do Medscape
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