Nossa compreensão do funcionamento interno do cérebro humano há muito tem sido retida pela dificuldade prática e ética de observar os neurônios humanos se desenvolverem, se conectarem e interagirem. Hoje em um novo estudo publicado em Natureza, neurocientistas da Universidade de Stanford liderados por Sergio Paşca relatam que encontraram uma nova maneira de estudar neurônios humanos - transplantando tecido semelhante ao cérebro humano em ratos com apenas alguns dias de idade, quando seus cérebros ainda não estão totalmente formados. Os pesquisadores mostram que os neurônios humanos e outras células cerebrais podem crescer e se integrar ao cérebro do rato, tornando-se parte do circuito neural funcional que processa sensações e controla aspectos de comportamentos.
Usando esta técnica, os cientistas devem ser capazes de criar novos modelos vivos para uma ampla gama de transtornos do neurodesenvolvimento, incluindo pelo menos algumas formas de transtorno do espectro do autismo. Os modelos seriam tão práticos para estudos de laboratório neurocientíficos quanto os modelos animais atuais, mas seriam melhores substitutos para distúrbios humanos porque consistiriam em células humanas reais em circuitos neurais funcionais. Eles podem ser alvos ideais para ferramentas modernas de neurociência que são muito invasivas para serem usadas em cérebros humanos reais.
“Esta abordagem é um passo à frente para o campo e oferece uma nova maneira de entender os distúrbios do funcionamento neuronal," disse Madeline Lancaster, neurocientista do MRC Laboratory of Molecular Biology em Cambridge, Reino Unido, que não esteve envolvido no trabalho.
O trabalho também marca um novo capítulo emocionante no uso de organoides neurais. Quase 15 anos atrás, os biólogos descobriram que as células-tronco humanas podiam se auto-organizar e crescer em pequenas esferas que continham diferentes tipos de células e se assemelhavam ao tecido cerebral. Esses organoides abriram uma nova janela para as atividades das células cerebrais, mas a visão tem seus limites. Embora os neurônios em um prato possam se conectar uns aos outros e se comunicar eletricamente, eles não podem formar circuitos verdadeiramente funcionais ou atingir o crescimento total e a capacidade computacional de neurônios saudáveis em seu habitat natural, o cérebro.
Trabalho pioneiro por vários grupos de pesquisa provou anos atrás que os organoides do cérebro humano podem ser inseridos no cérebro de ratos adultos e sobreviver. Mas o novo estudo mostra pela primeira vez que o cérebro em desenvolvimento de um rato recém-nascido aceitará neurônios humanos e permitirá que eles amadureçam, ao mesmo tempo em que os integra em circuitos locais capazes de conduzir o comportamento do rato.
Paşca apontou que havia “mil razões para acreditar que isso não funcionaria”, dadas as diferenças drásticas em como e quando os sistemas nervosos das duas espécies se desenvolvem. E, no entanto, funcionou, com as células humanas encontrando as pistas de que precisavam para fazer conexões essenciais.
“Este é um estudo muito necessário e elegante que orienta o campo na direção certa de procurar abordagens para avançar a relevância fisiológica dos organoides do cérebro humano para modelar estágios posteriores do desenvolvimento do cérebro humano”, disse o pesquisador. Giorgia Quadrato, neurocientista da Universidade do Sul da Califórnia.
Compreender os processos celulares e moleculares que dão errado nos neurônios e levam a distúrbios cerebrais sempre foi a motivação de Paşca. [Nota do editor: Veja o entrevista acompanhante com Paşca sobre sua vida, carreira e motivações para seu trabalho.] Como muitos distúrbios psiquiátricos e neurológicos se enraízam no cérebro durante o desenvolvimento – mesmo que os sintomas não surjam até anos depois – observar como os neurônios se desenvolvem parece ser a melhor maneira de preencher as lacunas em nossa compreensão. É por isso que o objetivo de Paşca é transplantar organoides do cérebro humano em ratos recém-nascidos desde que ele começou a trabalhar com neurônios em um prato há 13 anos.
No novo trabalho - que também foi liderado por colegas de Stanford de Paşca Felicity Gore, Kevin Kelley e Omer Revah (agora na Universidade Hebraica de Jerusalém) – a equipe inseriu organoides corticais do cérebro humano no córtex somatossensorial de filhotes de ratos muito jovens, antes que os circuitos cerebrais dos filhotes estivessem totalmente estabelecidos. Isso deu aos neurônios humanos a chance de receber conexões de longo alcance de uma região-chave que processa as informações sensoriais recebidas. Em seguida, os pesquisadores esperaram para ver se o organoide cresceria em conjunto com o resto do cérebro em desenvolvimento do rato.
“Descobrimos que, se colocarmos o organoide naquele estágio inicial… ele cresce até nove vezes maior do que inicialmente em um período de quatro ou cinco meses”, disse Paşca. Isso se traduziu em uma área de tecido cerebral semelhante ao humano que cobria cerca de um terço de um dos hemisférios cerebrais do rato.
Mas mesmo que os neurônios humanos permanecessem juntos na área cortical onde foram colocados cirurgicamente, os pesquisadores demonstraram que eles se tornaram partes ativas do circuito neural enfiado profundamente no cérebro do rato. A maioria dos neurônios humanos transplantados começou a responder às sensações de toque dos bigodes do rato: quando sopros de ar eram direcionados aos bigodes, os neurônios humanos se tornavam mais eletricamente ativos.
Ainda mais surpreendente, o fluxo de sinais neurais também pode correr na outra direção e influenciar o comportamento. Quando os neurônios humanos foram estimulados com luz azul (por meio de uma técnica chamada optogenética), desencadeou um comportamento condicionado nos ratos que os fez buscar uma recompensa lambendo com mais frequência uma garrafa de água.
“Isso significa que realmente integramos células humanas no circuito”, disse Paşca. “Não está mudando os circuitos. … É só que as células humanas agora fazem parte disso.”
As células transplantadas não imitavam perfeitamente o tecido cerebral humano em seu novo cenário. Por exemplo, eles não se organizaram na mesma estrutura multicamada vista no córtex humano. (Nem seguiram a liderança dos neurônios de ratos circundantes e formaram as colunas semelhantes a barris características do córtex somatossensorial de ratos.) Mas os neurônios transplantados individuais mantiveram muitas das propriedades elétricas e estruturais humanas normais.
As células aproveitaram uma grande vantagem de estar dentro de um cérebro: elas se conectaram com sucesso ao sistema vascular do cérebro do rato, permitindo que os vasos sanguíneos permeissem o tecido para fornecer oxigênio e hormônios. Acredita-se que a falta de suprimento sanguíneo seja a principal razão pela qual os neurônios humanos que crescem em um prato rotineiramente não amadurecem completamente, juntamente com a falta de entradas de sinais neurais que provavelmente são necessárias para moldar o desenvolvimento, explicou Paşca. Quando sua equipe comparou os neurônios humanos transplantados com aqueles que vivem em um prato, eles descobriram que os neurônios transplantados eram seis vezes maiores, com tamanho e perfil de atividade elétrica mais próximos aos neurônios do tecido cerebral humano natural.
“Há algo sobre o ambiente in vivo – então, os nutrientes e os sinais elétricos que eles estão recebendo no cérebro – que leva as células humanas a outro nível de maturação”, disse Paşca.
Como os neurônios humanos amadureceram tanto no cérebro dos ratos, Paşca e seus colegas puderam ver diferenças incomuns no desenvolvimento de organoides cerebrais derivados de pessoas com um distúrbio genético chamado síndrome de Timothy, que geralmente causa autismo e epilepsia. Nos cérebros de ratos, os neurônios humanos transplantados carregando genes para a síndrome de Timothy desenvolveram ramos dendríticos anormais que fizeram conexões incomuns. Crucialmente, alguns desses desenvolvimentos atípicos só podiam ser vistos em neurônios humanos crescendo dentro do córtex de rato, e não em neurônios organoides em um prato.
Paşca enfatiza que, até agora, esses tipos de mudanças sutis nos neurônios em maturação que afetam a função cerebral e levam a distúrbios neurológicos e psiquiátricos foram amplamente escondidos de nós.
“Os resultados são muito empolgantes”, disse Bennett Novitch, neurocientista e biólogo de células-tronco da Universidade da Califórnia, em Los Angeles. Estudos in vitro de tecidos neurais ainda serão mais rápidos e práticos para muitos tipos de estudos neurológicos e testes de drogas, observou ele, mas o novo artigo “ilustra como revelar as características maduras dos neurônios humanos … .”
Paşca espera que poder estudar neurônios humanos maduros em ratos finalmente aproxime os tratamentos para distúrbios psiquiátricos e condições neurológicas. Outros no campo também estão esperançosos. “Se essa estratégia de transplante de organoides pode realmente imitar as assinaturas de doenças, isso pode realmente acelerar nosso caminho em direção à cura”, disse Joel Blanchard, neurocientista da Escola de Medicina Icahn no Monte Sinai.
A natureza do novo trabalho pode levantar questões sobre o bem-estar e o tratamento ético dos ratos. Por esse motivo, Paşca e seus colegas mantiveram discussões ativas com especialistas em ética desde o início. Como em todos os experimentos envolvendo animais, havia uma exigência legal de que os ratos fossem monitorados extensivamente por técnicos de laboratório com autoridade para interromper o experimento a qualquer momento. Mas nenhuma diferença foi encontrada nos ratos com organoides do cérebro humano transplantados em uma série de testes comportamentais e cognitivos.
Insoo Hyun, um bioeticista afiliado ao Centro de Bioética da Harvard Medical School, disse que não tem nenhuma preocupação ética com os experimentos atuais. A equipe de Paşca seguiu todas as diretrizes desenvolvidas pela International Society for Stem Cell Research que regem a pesquisa com organoides do cérebro humano e a transferência de células humanas para animais. “Para mim, a questão é realmente entender: para onde você vai a partir daí?” ele disse.
Hyun está mais preocupado com outras equipes de pesquisa que agora podem se interessar em transplantar organoides do cérebro humano em espécies mais semelhantes às nossas, como primatas não humanos. “Você teria que ter uma conversa muito intensa no nível de supervisão sobre por que você está justificado em ir para algo mais complexo”, disse Hyun.
Paşca diz que ele e seus colegas não têm interesse em tais experimentos de empurrar limites. Ele também acha que a dificuldade de cultivar e sustentar organoides para transplante irá restringir a maioria das pesquisas potencialmente imprudentes. “Há poucos lugares com a infraestrutura e a expertise necessárias para fazer isso”, disse ele.
Os desafios científicos mais imediatos e práticos estão em melhorar os organoides do cérebro humano que são transplantados em ratos. Inquestionavelmente, ainda há um longo caminho a percorrer. O tecido semelhante ao cérebro humano está faltando muitas células cerebrais importantes além dos neurônios, como microglia e astrócitos, bem como neurônios envolvidos na inibição da atividade de outros neurônios. A equipe de Paşca está atualmente trabalhando em experimentos que irão transplantar “assembloids” – conjuntos de organoides que representam diferentes regiões do cérebro cujas células migram e interagem umas com as outras.
Pode haver limites para o quanto as descobertas de neurônios humanos dentro de um cérebro de rato podem se aplicar a um cérebro humano natural. Os ratos usados nestes estudos de transplante nascem com um sistema imunológico defeituoso, devido a uma mutação genética. Isso os torna adequados para transplantes, já que seu sistema imunológico é menos propenso a rejeitar as células humanas implantadas. Mas isso também significa que estudos de doenças neurodegenerativas como Alzheimer, que são conhecidas por terem componentes imunológicos, podem ser mais difíceis. E não importa quão realistas sejam os organoides do cérebro humano transplantados, desde que estejam em um cérebro de rato, eles serão expostos a sangue de rato, com seu perfil único de nutrientes e hormônios, em vez de sangue humano. Os neurocientistas podem, portanto, estar estudando sistemas que ficam um pouco aquém da realidade dentro do crânio humano.
Mas para Paşca, esse novo sistema oferece a oportunidade de se aproximar mais do que nunca da verdade básica sobre como processos neurobiológicos alterados causam distúrbios neurológicos e psiquiátricos. O transplante de organoides em ratos recém-nascidos finalmente oferece uma maneira de empregar toda a força das ferramentas modernas da neurociência na pesquisa sobre o desenvolvimento de neurônios e circuitos humanos.
“Problemas difíceis, como entender distúrbios psiquiátricos que são condições exclusivamente humanas, exigirão abordagens ousadas”, disse Paşca.
