Crédito: Instituto de Ciências Weizmann
Sem óvulo, esperma ou útero: modelos sintéticos de embriões de camundongo criados exclusivamente a partir de células-tronco
Um óvulo encontra um espermatozóide – esse é um primeiro passo necessário no início da vida. Na pesquisa de desenvolvimento embrionário, também é um primeiro passo comum. No entanto, em um novo estudo publicado em 1º de agosto de 2022, na revista Célula, pesquisadores do Weizmann Institute of Science desenvolveram modelos de embriões sintéticos de camundongos fora do útero, começando apenas com células-tronco cultivadas em uma placa de Petri. Isso significa que eles são cultivados sem o uso de ovos fertilizados. Este método abre novos horizontes para estudar como as células-tronco formam vários órgãos no embrião em desenvolvimento. Também pode um dia tornar possível o cultivo de tecidos e órgãos para transplante usando modelos de embriões sintéticos.
Um vídeo mostrando um modelo de embrião sintético de camundongo no dia 8 de seu desenvolvimento; tem um coração pulsante, um saco vitelino, uma placenta e circulação sanguínea emergente.
“O embrião é a melhor máquina de produção de órgãos e a melhor bioimpressora 3D – tentamos imitar o que ele faz”, diz o professor Jacob Hanna, do Departamento de Genética Molecular de Weizmann, que liderou a equipe de pesquisa.
Hanna explica que os cientistas já sabem como restaurar as células maduras ao “tronco”. Na verdade, os pioneiros dessa reprogramação celular ganharam um Prêmio Nobel em 2012. No entanto, ir na direção oposta, ou seja, fazer com que as células-tronco se diferenciem em células especializadas do corpo, para não falar de órgãos inteiros, provou ser muito mais difícil.
“Até agora, na maioria dos estudos, as células especializadas eram muitas vezes difíceis de produzir ou aberrantes, e tendiam a formar uma mistura em vez de tecido bem estruturado adequado para transplante. Conseguimos superar esses obstáculos liberando o potencial de auto-organização codificado nas células-tronco.”
(Da esquerda para direita): Noah Noverschtern, Prof. Jacob Hanna, Alexander Aguilera-Castrejon, Shadi Tarazi e Carine Joubran. Crédito: Instituto de Ciências Weizmann
A equipe de Hanna baseou-se em dois avanços anteriores em seu laboratório. Um foi um método eficiente para reprogramar as células-tronco de volta a um estado ingênuo – ou seja, ao seu estágio inicial – quando elas têm o maior potencial de se especializar em diferentes tipos de células. O outrodescrito em um artigo científico em Natureza em março de 2021, foi o dispositivo controlado eletronicamente que a equipe desenvolveu ao longo de sete anos de tentativa e erro para cultivar embriões naturais de camundongos fora do útero. O dispositivo mantém os embriões banhados em uma solução nutritiva dentro de béqueres que se movem continuamente, simulando a forma como os nutrientes são fornecidos pelo fluxo sanguíneo do material para a placenta e controla de perto a troca de oxigênio e a pressão atmosférica. Na pesquisa anterior, a equipe usou com sucesso esse dispositivo para cultivar embriões naturais de camundongos do dia 5 ao dia 11.
Foi assim que os modelos sintéticos de embriões de camundongos cresceram fora do útero: um vídeo mostrando o dispositivo em ação. Os béqueres em movimento contínuo simulam o suprimento natural de nutrientes, enquanto a troca de oxigênio e a pressão atmosférica são rigidamente controladas.
No novo estudo, a equipe se propôs a cultivar um modelo de embrião sintético exclusivamente a partir de células-tronco de camundongo ingênuas que haviam sido cultivadas por anos em uma placa de Petri, dispensando a necessidade de começar com um óvulo fertilizado. Essa abordagem é extremamente valiosa porque poderia, em grande medida, contornar as questões técnicas e éticas envolvidas no uso de embriões naturais em pesquisa e biotecnologia. Mesmo no caso de camundongos, certos experimentos são atualmente inviáveis porque exigiriam milhares de embriões, enquanto o acesso a modelos derivados de células embrionárias de camundongos, que crescem aos milhões em incubadoras de laboratório, é praticamente ilimitado.
“O embrião é a melhor máquina de fazer órgãos e a melhor bioimpressora 3D – tentamos imitar o que ele faz.”
Antes de colocar as células-tronco no dispositivo, os pesquisadores as separaram em três grupos. Em um, que continha células destinadas a se desenvolver em órgãos embrionários, as células foram deixadas como estavam. As células dos outros dois grupos foram pré-tratadas por apenas 48 horas para superexpressar um dos dois tipos de genes: reguladores mestres da placenta ou do saco vitelino. “Demos a esses dois grupos de células um impulso transitório para dar origem a tecidos extraembrionários que sustentam o embrião em desenvolvimento”, diz Hanna.
Desenvolvimento de modelos de embriões sintéticos do dia 1 (canto superior esquerdo) ao dia 8 (canto inferior direito). Todos os seus progenitores de órgãos primitivos haviam se formado, incluindo um coração pulsante, uma circulação sanguínea emergente, um cérebro, um tubo neural e um trato intestinal. Crédito: Instituto de Ciências Weizmann
Logo após serem misturados dentro do dispositivo, os três grupos de células se reuniram em agregados, a grande maioria dos quais não conseguiu se desenvolver adequadamente. Mas cerca de 0,5 por cento – 50 de cerca de 10.000 – passaram a formar esferas, cada uma das quais mais tarde se tornou uma estrutura alongada semelhante a um embrião. Como os pesquisadores rotularam cada grupo de células com uma cor diferente, eles puderam observar a placenta e os sacos vitelinos se formando fora dos embriões e o desenvolvimento do modelo ocorrendo como em um embrião natural. Esses modelos sintéticos se desenvolveram normalmente até o dia 8,5 – quase metade da gestação de 20 dias do camundongo – quando todos os progenitores de órgãos iniciais se formaram, incluindo um coração pulsante, circulação de células-tronco sanguíneas, um cérebro com dobras bem formadas, um sistema neural. tubo e um trato intestinal. Quando comparados com embriões naturais de camundongos, os modelos sintéticos apresentaram uma semelhança de 95% tanto na forma das estruturas internas quanto nos padrões de expressão gênica de diferentes tipos de células. Os órgãos vistos nos modelos deram todas as indicações de serem funcionais.
Dia 8 na vida de um embrião de camundongo: um modelo sintético (em cima) e um embrião natural (em baixo). Os modelos sintéticos apresentaram uma semelhança de 95% tanto na forma das estruturas internas quanto nos padrões de expressão gênica de diferentes tipos de células. Crédito: Instituto de Ciências Weizmann
Para Hanna e outros pesquisadores de células-tronco e desenvolvimento embrionário, o estudo apresenta uma nova arena: embrião. E como nosso sistema, ao contrário de um útero, é transparente, pode ser útil para modelar defeitos de nascimento e implantação de embriões humanos”.
Além de ajudar a reduzir o uso de animais em pesquisas, os modelos de embriões sintéticos podem no futuro se tornar uma fonte confiável de células, tecidos e órgãos para transplante. “Em vez de desenvolver um protocolo diferente para o crescimento de cada tipo de célula – por exemplo, as do rim ou do fígado – podemos um dia criar um modelo sintético semelhante ao embrião e isolar as células de que precisamos. Não precisaremos ditar aos órgãos emergentes como eles devem se desenvolver. O próprio embrião faz isso melhor.”
Um diagrama mostrando o método inovador para o cultivo de modelos sintéticos de embriões de camundongos a partir de células-tronco – sem óvulo, esperma ou útero – desenvolvido no laboratório do Prof. Jacob Hanna. Crédito: Instituto de Ciências Weizmann
Referência: “Post-Gastrulation Synthetic Embryos Generated Ex Uterine from Naive Mouse ESCs” por Shadi Tarazi, Alejandro Aguilera-Castrejon, Carine Joubran, Nadir Ghanem, Shahd Ashouokhi, Francesco Roncato, Emily Wildschutz, Montaser Haddad, Bernardo Oldak, Elidet Gomez-Cesar , Nir Livnat, Sergey Viukov, Dmitry Lukshtanov, Segev Naveh-Tassa, Max Rose, Suhair Hanna, Calanit Raanan, Ori Brenner, Merav Kedmi, Hadas Keren-Shaul, Tsvee Lapidot, Itay Maza, Noah Novershtern e Jacob H. Hanna, agosto 2022, Célula.
DOI: 10.1016/j.cell.2022.07.028
Esta pesquisa foi co-liderada por Shadi Tarazi, Alejandro Aguilera-Castrejon e Carine Joubran do Departamento de Genética Molecular de Weizmann. Os participantes do estudo também incluíram Shahd Ashouokhi, Dr. Francesco Roncato, Emilie Wildschutz, Dr. Bernardo Oldak, Elidet Gomez-Cesar, Nir Livnat, Sergey Viukov, Dmitry Lokshtanov, Segev Naveh-Tassa, Max Rose e Dr. Noa Novershtern da Weizmann’s Molecular Genetics Departamento; Montaser Haddad e Prof. Tsvee Lapidot do Departamento de Imunologia e Biologia Regenerativa de Weizmann; Dr. Merav Kedmi do Departamento de Instalações Básicas de Ciências da Vida da Weizmann; Dr. Hadas Keren-Shaul do Centro Nacional de Medicina Personalizada de Nancy e Stephen Grand Israel; e Dr. Nadir Ghanem, Dr. Suhair Hanna e Dr. Itay Maza do Campus de Saúde de Rambam.
A pesquisa do Prof. Jacob Hanna é apoiada pelo Instituto Dr. Barry Sherman de Química Medicinal; o Instituto Helen e Martin Kimmel para Pesquisa de Células-Tronco; e Pascal e Ilana Mantoux.
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