Reconstruindo como a coluna toma sua forma

Desde que se lembra, Marina Sanaki-Matsumiya queria entender os mecanismos que moldam os ossos que formam nossos esqueletos. Nascido com uma doença genética esquelética, o biólogo do desenvolvimento primeiro estabeleceu um modelo in vitro para estudar os tecidos embrionários transitórios de camundongos chamados somitos que formam a coluna vertebral.¹ Ela então se juntou ao laboratório de Miki Ebisuya no campus EMBL em Barcelona como bolsista de pós-doutorado para continuar este trabalho com células-tronco pluripotentes induzidas por humanos (iPSCs).² Em um recente Comunicações da Natureza estudo, Sanaki-Matsumiya descreveu como criar organoides somitos humanos, ou somitoides, que imitam o desenvolvimento do tecido in vivo.

P. Por que é necessário estudar a formação de somitos humanos in vitro?
A somitogênese é um processo de desenvolvimento complexo que envia ondas de mudanças de expressão gênica em intervalos precisos, chamados de relógio de segmentação, através do mesoderma pré-somítico para brotar somitos na extremidade anterior do tecido. Estudamos a somitogênese em organismos modelo, como camundongos, pintinhos e peixes-zebra, mas, embora o processo geral seja muito semelhante, existem algumas diferenças importantes. Como a formação de somitos ocorre durante a embriogênese, não podemos estudar como esse tecido se desenvolve em humanos ou como as mutações que causam doenças esqueléticas em humanos afetam o processo. É por isso que queríamos desenvolver um modelo in vitro que imitasse a formação e diferenciação de somitos em humanos.

P. Como você cultiva somitoides?
Começamos cultivando iPSCs humanas e formamos agregados em placas de poços de fundo em U. Em seguida, trocamos o meio basal por um meio de indução que fará com que os agregados se diferenciem em mesoderma pré-somítico e, em seguida, revestimos os agregados ovais em Matrigel™ para apoiar seu crescimento. Nesse momento, os tecidos se auto-organizam e formam um eixo ântero-posterior. É também quando os genes do relógio de segmentação são induzidos, para que possamos ver ondas oscilatórias de expressão gênica que vão da extremidade posterior à anterior do tecido. Quando essas ondas atingem a extremidade anterior, ela induz uma população de células a se epitelizar, comprimindo um somito. Esse processo leva cerca de cinco a seis horas em nosso somitoide humano, mas leva apenas duas a três horas em camundongos, então o tempo desse processo é bem diferente entre as espécies. Em média, cada agregado formará cerca de 10 somitos.

P. Qual parte desse processo mais o desafiou?
A parte mais difícil deste projeto foi otimizar o protocolo. Passamos mais de dois anos variando cada passo e reagente, mas ainda não conseguimos ver os somitos se desenvolverem. O último reagente que troquei foi o meio basal em que cultivamos os organoides. Tentei diferentes marcas comerciais, mas nenhuma funcionou. Finalmente, voltei ao meio caseiro que usei durante meu doutorado para cultivar tecidos semelhantes a somitos a partir de células-tronco embrionárias de camundongo (ESCs). Embora este meio basal tenha a mesma composição do seu homólogo comercial, apenas aquele que nós mesmos confeccionamos suportava a somitogênese. Então, você realmente tem que ser persistente. Leva muito tempo para desenvolver o protocolo, e há muitos aspectos diferentes que você pode mudar.

P. Quais são seus próximos passos para este projeto?
Agora que criamos um modelo in vitro que recapitula a somitogênese humana, nosso objetivo é entender melhor os mecanismos que regulam o relógio de segmentação e seu tempo. Para isso, planejamos criar um “zoológico de somitoides”, usando o mesmo protocolo para criar somitoides de camundongos, coelhos, vacas e outros. Temos ESCs e iPSCs de muitas espécies, obtidos através de colaboradores maravilhosos, e queremos entender melhor os mecanismos subjacentes à somitogênese e como isso difere entre diferentes organismos. Nosso laboratório também estuda a disostose espondilocostal, uma doença esquelética que afeta a coluna e as costelas. Estamos tentando identificar os genes que causam essa condição por meio do sequenciamento completo do genoma e planejamos desenvolver modelos de somitoides usando iPSCs de pacientes para entender melhor o que dá errado durante o desenvolvimento do esqueleto.

Referências

1. M. Matsumiya et al., “Tecidos pré-somíticos semelhantes a mesoderme derivados de células ES para análise de oscilações sincronizadas no relógio de segmentação”, Desenvolvimento145(4):dev156836, 2018.
2. M. Sanaki-Matsumiya et al., “Formação periódica de somitos epiteliais de células-tronco pluripotentes humanas”, Nat Comum13(1):2325, 2022.