NML, 03/12/2023
Por Sanchari Sinha
Num estudo recente publicado na Advanced Science, os cientistas desenvolveram e caracterizaram pequenos antroporobôs a partir de células pulmonares humanas adultas. Esses antrobôs são capazes de se movimentar em uma placa de cultura e desencadear o processo de cicatrização de feridas em neurônios humanos cultivados.
Background
O desenvolvimento de novo de estruturas biológicas ganhou atenção considerável na última década. Os biobots, que são uma classe especial de estruturas sintéticas móveis, são um dos exemplos desses esforços. Alguns exemplos de biobots incluem estruturas híbridas compostas por substâncias químicas inertes, como géis ou estruturas impressas tridimensionais (3D), e células vivas de mamíferos, bactérias ou linhas celulares projetadas criadas para amplificar as funções intrínsecas das células biológicas.
O primeiro biobot totalmente biológico foi desenvolvido através da montagem de células embrionárias do coração e da pele de rãs africanas, o que levou à formação de uma estrutura organoide com cílios. Os cílios são pequenas estruturas semelhantes a cabelos presentes na superfície das células dos mamíferos que desempenham um papel vital na locomoção. Este organoide alimentado por cílios foi capaz de se mover sem qualquer força externa.
Apesar deste avanço, permanecem preocupações sobre a possibilidade de rejeição imunológica deste biobot baseado em anfíbios pelo sistema humano. Para superar este desafio, os cientistas do presente estudo desenvolveram biobots multicelulares, autoconstruídos, totalmente biológicos e móveis a partir de células epiteliais brônquicas humanas adultas que foram referidas como “antrobôs”.
Desenvolvimento e caracterização de antroporobôs
Células epiteliais brônquicas humanas (NHBE) foram usadas para desenvolver antrobôs devido à sua plasticidade inerente, e à presença de cílios na superfície celular que os ajudam a se mover para frente e para trás. Essas células foram isoladas de doadores e incorporadas em uma estrutura 3D obtida de tecidos de ratos e se assemelhavam ao ambiente brônquico humano.
As células se multiplicaram e formaram pequenos organoides após duas semanas de cultura; entretanto, os cílios das células ficavam dentro desses organoides e, por isso, não podiam participar da locomoção. Posteriormente, a composição química do meio de crescimento da cultura celular foi alterada, o que levou ao desenvolvimento bem-sucedido de cílios na superfície organoide.
Apesar da composição genética semelhante, os organoides diferiam em forma e tamanho, pois eram esféricos ou elipsoidais com diâmetros entre 30-500 mícrons. Os cílios foram colocados em toda a superfície celular ou agrupados em manchas discretas.
O tamanho, a forma e a colocação dos cílios nos organoides dependem principalmente da localização na matriz onde as células se instalam, bem como da viscosidade do meio de crescimento. Além disso, o padrão de movimento desses organoides foi determinado pelas suas características morfológicas. Dependendo de sua forma, tamanho e posicionamento dos cílios, os organoides individuais exibiram padrões de motilidade distintos, variando de laços apertados a linhas retas e velocidades de cinco a 50 mícrons por segundo.
As células epiteliais brônquicas humanas se autoconstroem em arquiteturas vivas móveis multicelulares. A) Fluxo de trabalho para produção de Anthrobots. A transição de entrada apical para saída de células NHBE é facilitada primeiro por cultivá-las em matriz extracelular (ECM) sob condições apropriadas de indução de diferenciação, durante as quais os esferóides de entrada apical se autoconstroem a partir de células únicas a.1), e após a conclusão deste período de 14 dias a.2) liberando esferóides maduros do ECM a.3) e continuando a cultivá-los em ambiente de baixa adesão. B) Imagens de contraste de fase de um esferoide apical-in b.1) e apical-out b.2), capturados imediatamente após a dissolução da ECM (dia 0) e 7 dias após a dissolução (dia 7), respectivamente. Os esferóides do dia 0 não apresentam motilidade, enquanto os esferóides do dia 7 apresentam motilidade drasticamente aumentada. C) Porcentagem de esferóides cumulativos (fração total de esferoide móvel desde o dia 0) e recentemente móveis (fração de esferoide móvel que atingiu a motilidade desde o ponto de tempo anterior) nas 3 semanas após a dissolução. Dos 2.281 esferóides caracterizados no total, ≈50% não mostraram consistentemente sinais de motilidade (apesar da maioria ter cílios) dentro deste período de 3 semanas e são chamados de não-movimentadores. Os dados mostrados neste gráfico incluem apenas os bots móveis, N = 1127. D) Imunocoloração de dois esferóides separados do dia 0 e dia 7 com a-tubulina (marcador de cílios), Zonula occludens (ZO)-1 (marcador de junção apertada) , e a coloração nuclear 4',6-diamidino-2-fenilindole (DAPI). A quantidade de células multiciliadas na superfície do esferóide mostra um aumento drástico no dia 7. E) Um Anthrobot do dia 7 com informações profundas para mostrar a cobertura total dos cílios. Os bots nos painéis D, E foram imunocorados com α-tubulina (marcador de cílios), ZO-1 (marcador de junção estreita) e DAPI (coloração nuclear). As cores representam a profundidade do tecido. Todas as barras de escala nesta figura apresentam 50 um.
Avaliação funcional de antroporobôs
Os cientistas exploraram se esses antroporobôs podem interagir com células humanas. Para tanto, foi realizado um ensaio de arranhão, método bem estabelecido para avaliar a cicatrização de feridas, em células nervosas humanas.
Para este fim, células nervosas humanas foram cultivadas e “feridas” ao arranhar a camada celular. Depois disso, as células nervosas foram tratadas com antrobôs, o que posteriormente desencadeou uma rápida reparação da área afetada.
Para iniciar o processo de cicatrização de feridas, foram desenvolvidos conjuntos de “superbots”, permitindo que os antrobôs se autoagregassem e formassem grandes estruturas. Esses superbots foram colocados ao longo do arranhão para permitir que abrangessem toda a largura do arranhão e “pontessem” os dois lados da ferida como um ponto mecânico. Dentro de 72 horas, foi observado um novo crescimento significativo de células nervosas abaixo da “ponte do superbot”, levando assim à cicatrização de feridas, como evidenciado pelo fechamento da lacuna.
Significância do estudo
O presente estudo descreve o desenvolvimento e caracterização de antroporobôs biológicos multicelulares em forma de esferóide com habilidades de locomoção, e propriedades de reparo de tecidos. No futuro, a capacidade funcional destes antrobôs pode ser melhorada através da modificação do seu genoma para funções desejadas, como a entrega de medicamentos. Além disso, esses antrobôs podem ser usados para fins de triagem de drogas e compreensão das interações entre medicamentos e doenças.
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