Nova concessão à vida: por que a medicina regenerativa está finalmente pronta para alcançar seu potencial

Por Michael Blanding | Retratos de Danilo Agutoli

The Engine Blocked Unblock Seguir Seguindo 4 de janeiro Células do músculo esquelético pluripotentes induzidas por células-tronco humanas. O vermelho e
e manchas verdes são para proteínas específicas do músculo esquelético MYOD1 e Myosin Heavy
Corrente, respectivamente, e os núcleos são corados de azul com DAPI. Imagem cortesia de Cellino .

Vinte e sete anos atrás, o filho de Doug Melton, Sam, acordou doente e vomitou, e ele e sua esposa levaram seu bebê de seis meses para o hospital. Um médico lhes deu um diagnóstico sóbrio: Sam tinha diabetes tipo 1, o que significa que seu corpo estava atacando as células beta do pâncreas que produziam insulina. Sem injeções regulares, ele não sobreviveria. O pronunciamento enviou a família à turbulência. "Você tem um filho de seis meses e eles não podem lhe dizer, parem de me procurar no meio da noite e me espetar com essa agulha", diz Melton, então biólogo de Harvard que está pesquisando o desenvolvimento de rãs. “Eles têm que observar o que comem, medir seu açúcar no sangue, injetar insulina. Com que idade você dá ao seu filho a responsabilidade de aceitar isso, sabendo que, se não o fizer, ele morrerá?

No ano seguinte, Melton mudou completamente sua prática de pesquisa para se concentrar em encontrar uma cura para a doença, um projeto que se tornou mais urgente quando sua filha Emma também recebeu um diagnóstico aos 14 anos. Agora co-diretor do Harvard Stem Cell Institute, Melton Colocou suas esperanças em uma proposta ousada: usar células-tronco para regenerar as células beta dentro do corpo para produzir mais insulina. No final do corredor do escritório de Melton, técnicos de laboratório dentro de uma “fundição” de células beta pegam células-tronco – células que ainda não se diferenciaram em um tipo de tecido específico – e as submetem a uma receita complexa de moléculas pequenas e fatores de crescimento. Após cerca de 15 etapas diferentes ao longo de seis semanas, a solução se assemelha a refrigerante de morango rosa contendo minúsculos flocos de neve, cada agrupamento contendo cerca de 6.000 células.

Em 2015, o laboratório de Melton relatou um avanço: a criação das primeiras células beta funcionais, quando injetadas em camundongos diabéticos, permitiu que produzissem insulina por seis meses, demonstrando que a cura para a doença poderia ser possível. "Agora a questão é que podemos descobrir como colocá-lo em humanos?", Diz Melton. Ele criou uma empresa, a Semma Therapeutics (em homenagem a Sam e Emma) para testar essa questão, arrecadando mais de US $ 150 milhões em financiamento, com a esperança de entrar em testes clínicos nos próximos dois anos. O mercado potencial para tal terapia é enorme. Atualmente, até 40 milhões de pessoas no mundo sofrem de diabetes tipo 1, gastando cerca de US $ 17 bilhões por ano em injeções de insulina. Para alcançar o sucesso, no entanto, a empresa de Melton não apenas produzirá células beta humanas viáveis, mas também garantirá que elas produzam a quantidade certa de insulina no corpo e protejam as células de serem rejeitadas pelo paciente que estão tentando ajudar. .

Células beta não são as únicas terapias com células-tronco que estão se mostrando promissoras. Outros pesquisadores – muitos na área de Cambridge e Boston – estão usando a edição de genes e outras técnicas avançadas para transformar células-tronco em músculos do coração e neurônios capazes de regenerar células danificadas no corpo. Eles já usaram células-tronco para efetivamente curar algumas doenças raras do sangue. Essas terapias regenerativas poderiam produzir novos órgãos transplantáveis e até mesmo curar doenças incuráveis hoje. "Acredito sinceramente que isso é possível em toda a nossa vida", diz Melton. "Isso não vai acontecer daqui a alguns anos, mas se pudermos combinar a modificação genética com a capacidade de produzir células, isso pode mudar a prática da medicina."

Retratos, da esquerda para a direita: Doug Melton, co-diretor do Harvard Stem Cell Institute; Bob Nelsen, diretor executivo da ARCH Venture Partners; Jerel Davis, diretor administrativo da Versant Ventures; David Scadden, co-diretor do Harvard Stem Cell Institute

A magia das células-tronco

Células-tronco têm sido vistas como uma cura para todos os males, liberando o potencial do corpo humano para se curar. "De certa forma, é o melhor farmacêutico", diz Bob Nelsen, diretor administrativo da ARCH Venture Partners, que financiou a Semma e co-fundou a empresa de células-tronco Fate Therapeutics. "Você pode tratar doenças, ou prevenir doenças, ou reverter o envelhecimento através das células." Apesar da promessa da chamada medicina regenerativa, no entanto, a realidade ainda não atingiu a expectativa. Sob o foco da controvérsia sobre as células-tronco embrionárias, a pesquisa sobre os tratamentos ficou para trás nos anos 90. Órgãos artificiais criados usando células-tronco simplesmente se desfizeram. Os biólogos se esforçaram para encontrar maneiras de proteger as células-tronco de serem atacadas pelos hospedeiros que estavam tentando curar, enquanto as linhas do tempo previam, com otimismo, alguns anos esticados em dez ou mais.

Recentemente, no entanto, cientistas e empresários viram novas esperanças para o campo, à medida que surgiram técnicas para criar células-tronco sem embriões. Desde 2013, os cientistas aceleraram a transformação celular usando a tecnologia de edição de genes CRISPR / Cas9, uma técnica para identificar e substituir trechos específicos de DNA usando RNA-guia, que funciona como pequenos códigos postais para encontrar o lugar certo na cadeia de DNA para alterar precisamente genoma. Juntamente com essa tecnologia, novas técnicas de triagem de alto rendimento permitiram que o biólogo testasse rapidamente vários compostos moleculares para transformar as células-tronco. “Estamos constantemente tentando olhar para uma bola de cristal e entender o que vai ser a próxima fronteira na medicina”, diz Jerel Davis, diretor administrativo da Versant Ventures, que ajudou a fundar a empresa BlueRock Therapeutics. "Há alguns anos, colocamos a medicina regenerativa em nossa lista como uma inevitabilidade, algo que vai revolucionar fundamentalmente o modo como desenvolvemos a terapêutica."

Além do trabalho na produção de novas terapias celulares, Davis diz que as empresas estão desenvolvendo novas maneiras de fabricá-las em massa, e os reguladores estão cada vez mais abertos a aprová-las, colocando a ciência potencialmente à beira de uma era de ouro da medicina regenerativa. "Cada tipo de célula no corpo humano é uma nova plataforma para novas terapias", diz ele. Embora os cientistas tenham feito grandes progressos na criação de novas células-tronco em placas de petri, o desafio agora é descobrir como obtê-los em corpos humanos onde eles curam pacientes. "A parte que ainda não aconteceu", diz Nelsen, "é realmente entender como entregar e direcionar todas essas células in vivo ".

Apesar da novidade das terapias com células-tronco atuais, os cientistas sabem sobre o papel das células-tronco no desenvolvimento de embriões animais por mais de 100 anos. Na década de 1950, os biólogos começaram a explorar o papel de dois tipos de células-tronco na medula óssea humana: as células-tronco hematopoiéticas (HSCs), que criam novas células sangüíneas; e células-tronco mesenquimais (MSCs), que crescem novas células de gordura, osso e cartilagem.

O primeiro transplante de medula óssea para tratar pacientes que sofrem de câncer no sangue, como a leucemia, começou no final dos anos 1950. Por muitos anos depois, no entanto, os transplantes de medula óssea permaneceram como tratamento de último recurso, pois exige a eliminação do sistema imunológico existente dos pacientes com quimioterapia ou radiação intensiva antes do transplante de novas células-tronco capazes de criar células saudáveis. As taxas de sobrevivência foram de apenas 60 por cento quando começaram, subindo para 85 por cento hoje, e mesmo aqueles que sobrevivem podem sofrer complicações, incluindo atraso no desenvolvimento e infertilidade. "Levamos as pessoas à beira da morte", diz David Scadden, co-diretor do Harvard Stem Cell Institute, cujo escritório fica um andar abaixo do de Melton. “Foi quase nos limites do que era ético. Mas quando funcionou, foi milagroso ”.

Como Melton, Scadden estava motivado a estudar as células-tronco por meio de uma conexão pessoal: a dor sofrida pela mãe com a leucemia. Atualmente, ele passou grande parte de seu tempo no laboratório focado em criar técnicas mais seguras e melhores para transplantes de medula óssea para tratar o câncer. A Scadden está se concentrando no “nicho” do HSC, o único ambiente químico dentro da medula sanguínea que permite que as células-tronco se desenvolvam. Com base na análise de telas químicas e genéticas de alta produtividade, seu laboratório está tentando recriar esse ambiente em um prato para produzir mais células-tronco que funcionem melhor. “Durante muito tempo, foi um debate no campo se as células tinham sua própria lógica interna e seguiam seu próprio programa”, diz Scadden. “Mas isso não é verdade. Nós fomos capazes de mostrar que eles não se governam; eles ouvem os sinais ao redor deles. Se um bairro ficar ruim, isso pode corromper uma célula ”.

Scadden está agora examinando maneiras de tratar as células cancerosas – não matando-as, mas tratando-as como células-tronco que ficaram presas em seu desenvolvimento. Se os médicos podem “mudar o bairro” com drogas para alterar a composição química do nicho de uma célula. “Talvez tratar o câncer não seja acabar com o esquecimento com um martelo”, ele diz, “mas liberando o freio que o fez ficar preso. Talvez uma célula cancerígena não seja uma célula desonesta, mas uma célula que tenha algumas características normais, mas foi corrompida em seu programa de diferenciação de uma forma que fez com que ela crescesse de maneira desregulada. ”Expondo-as ao ambiente correto de produtos químicos, talvez – apenas talvez – eles podem ser reformados para se tornarem contribuintes saudáveis para o corpo. Por meio de uma empresa que ele fundou, a Magenta Therapeutics, ele tem trabalhado para desenvolver remédios.

Transformações celulares

Outras terapias regenerativas se concentraram não em injetar células-tronco no corpo, mas em transformar células-tronco em outros tipos de células para reparar células danificadas dentro do corpo. Em 1974, Rudolph Jaenisch e Beatrice Mintz conseguiram usar um retrovírus para substituir uma sequência de DNA nos núcleos de células-tronco de camundongos a fim de alterar permanentemente seu genoma. Este primeiro mouse “aberto” abriu novas possibilidades para terapias com células-tronco para superar um de seus principais desafios: o fato de que novas células inseridas no corpo poderiam ser rejeitadas pelo sistema imunológico, levando a uma complicação séria conhecida como enxerto. doença do hospedeiro versus (GVHD). Se as células-tronco pudessem ser criadas a partir do DNA ou células de um paciente, então o corpo teoricamente aceitaria a célula como sua.

John Gurdon, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, demonstrou que a transferência de DNA para células-tronco era possível décadas antes, inserindo o DNA em uma célula-tronco embrionária, que se desenvolveu com sucesso em um clone de um sapo adulto. Em 1998, cientistas haviam isolado células-tronco embrionárias em seres humanos (CES). Na época, porém, a controvérsia sobre o uso de células-tronco embrionárias humanas ameaçou interromper a pesquisa em medicina regenerativa, e Jaenisch e outros começaram a procurar uma nova maneira de criar células-tronco que não envolvessem o uso de embriões humanos. As experiências de Gurdon mostraram que qualquer célula do corpo tinha dentro de si todo o material genético necessário para criar qualquer outra célula.

Marinna Madrid, Co-Fundadora, Cellino & Nabiha Sakyalen, Co-Fundadora e CEO, Cellino.
Foto por Doug Levy.

Digite Shinya Yamanaka e Kazutoshi Takahashi no início dos anos 2000. Como pesquisadores da Universidade de Kyoto, no Japão, eles identificaram apenas quatro genes ativos que poderiam, juntos, tornar qualquer célula pluripotente, criando essencialmente o equivalente a uma célula-tronco embrionária de uma célula adulta. Eles criaram as primeiras células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) de ratos e humanos em 2006. (Gurdon e Yamanaka dividiram o Prêmio Nobel por essas descobertas em 2012.) Essa invenção há pouco mais de uma década abriu as comportas da medicina regenerativa, mostrando que sem nenhum embrião, os cientistas poderiam criar células-tronco a partir do próprio sangue ou células da pele de um paciente.

Jaensich, agora no Instituto Whitehead do MIT, foi o primeiro a usar iPSCs terapeuticamente em animais em 2007, quando, juntamente com Tim Townes, da Universidade do Alabama, em Birmingham, conseguiu tirar células da cauda de um rato com anemia falciforme. e induzi-los a se tornarem células-tronco. Os pesquisadores então diferenciaram as células em HSCs saudáveis, sem a mutação falciforme, e as inseriram na medula óssea do camundongo, criando novos glóbulos vermelhos saudáveis.

Os pesquisadores agora estão usando todos esses tipos de células-tronco – HSCs, MSCs, ESCs e iPSCs – para desenvolver medicamentos para o tratamento de doenças em humanos. Donald Kohn, da UCLA, por exemplo, modificou geneticamente as HSCs dos pacientes para tratar a imunodeficiência combinada severa deficiente em adenosina deaminase (ADA-SCID), também conhecida como doença bolha-bebê, devido à sua grave inibição do sistema imunológico que pode causar resfriado comum fatal. No ano passado, ele anunciou que nove entre dez crianças em testes clínicos foram curadas da doença.

Outros ensaios clínicos estão em andamento para usar as HSCs geneticamente modificadas dos pacientes para tratar outras doenças do sangue, como anemia falciforme e beta-talassemia da mesma forma – removendo as células-tronco dos pacientes, modificando-as geneticamente e devolvendo-as ao organismo. onde esperamos produzir glóbulos vermelhos saudáveis. Atualmente, três empresas – Intellia Therapeutics, CRISPR Therapeutics e Editas Medicine – estão usando a tecnologia CRISPR para editar o DNA em HSCs para atacar doenças. A CRISPR Therapeutics, com sede na Suíça e Cambridge, começou a inscrever pacientes em um novo teste clínico em outubro para remover HSCs de pacientes com anemia falciforme, modificá-los geneticamente para corrigir a mutação que os impede de manter hemoglobina suficiente e depois inseri-los de volta em pacientes. Espera-se iniciar outro ensaio visando a beta talassemia na Europa até o final do ano.

Embora a tecnologia CRISPR tenha avançado na edição de material genético, ainda pode ser um desafio colocar o RNA guia nas células para fazer as substituições necessárias. A engenharia genética tradicional usando vírus é cara e pode potencialmente introduzir mudanças genômicas não intencionais (e indesejadas) nas células; a lipofecção, que usa moléculas de gordura para penetrar nas membranas celulares, só funciona com certas células; e nanopartículas podem deixar resíduos metálicos e poliméricos para trás. Para resolver esse problema, a startup Cellino, baseada em Cambridge, desenvolveu uma nova técnica usando pulsos de laser para obter material genético nas células. “Ele permite que você gerencie com precisão a entrega desses códigos postais na célula no momento certo e na ordem correta”, afirma o CEO Nabiha Saklayen.

A empresa cresceu a partir da Escola de Engenharia de Harvard e do Instituto Wyss, e agora é financiada e baseada no The Engine, construído pelo MIT. A técnica de Cellino usa uma superfície de nanopadrão repleta de pequenas pirâmides cobertas por um revestimento de metal. As células iPSC são cultivadas diretamente na superfície e um laser é pulsado através dessa mesma superfície. À medida que a energia do laser é absorvida, cria-se uma nanobolha que abre temporariamente um buraco na célula, permitindo que o RNA guia que flutua em solução entre nas células. Dentro de 20 a 30 segundos, a membrana celular se fecha com o material interno.

A tecnologia pode acelerar a criação de células sobre outras técnicas, diz Saklayen. "Um tipo de célula que leva mais de 90 dias em um prato, conseguimos criar em três dias", diz ela. "Isso abre um mundo de possibilidades". Segundo o diretor de ciência Stan Wang, ex-Harvard Medical School, a empresa planeja usar um sistema de alta produtividade para rapidamente experimentar engenharia diferentes tipos de células relevantes para o tratamento de doenças humanas como no próximo ano.

Começando com o sangue

Não é por acaso que as primeiras terapias com células-tronco envolvem doenças do sangue. Ter células únicas em um meio líquido facilita a entrada e saída das células do corpo e ainda faz com que elas funcionem. Novas pesquisas, no entanto, começaram a se concentrar na regeneração de outros tipos de células e tecidos. A BlueRock Therapeutics, sediada em Cambridge e financiada por uma parceria de US $ 225 milhões entre a Versant e a gigante farmacêutica Bayer AG, concentrou-se em células derivadas de CTEs e iPSCs, incluindo células dopaminérgicas para tratar a doença de Parkinson e cardiomiócitos para reparar células musculares no coração. “Queríamos criar uma solução comercial identificando populações de células onde sabemos qual é a deficiência”, diz Davis, da Versant. "No Parkinson, por exemplo, sabemos que você perde neurônios dopaminérgicos e isso leva aos sintomas, então a abordagem da BlueRock é substituir esse tipo de célula exata."

Para fazer isso, a empresa planeja usar uma combinação de fatores de transcrição, proteínas e pequenas moléculas, a fim de empurrar os iPSCs para o caminho de se tornar um tipo específico de célula sem editar diretamente seu DNA. Para as células dopaminérgicas, por exemplo, será utilizado um protocolo desenvolvido por Lorenz Studer, diretor do Centro de Biologia de Células-Tronco no Memorial Sloan-Kettering em Nova York e co-fundador científico da empresa. O processo usa uma combinação de três moléculas para desencadear algo chamado "caminho de sinalização do site de integração MMTV sem asas (WNT)" para transformar as iSPCs em células nervosas funcionais. Essas células serão então implantadas no cérebro, na tentativa de restaurar a função motora perdida.

Para as células do coração, a empresa planeja submeter as células a um processo semelhante, a fim de reparar o tecido danificado após um ataque cardíaco. Para esse processo, a empresa está trabalhando com Michael Laflamme e Gordon Keller, da Universidade de Toronto, que conseguiram direcionar as células iPSC pelo caminho das células do músculo cardíaco. Eles estão atualmente trabalhando para aumentar a maturidade das células, a fim de reduzir a probabilidade de arritmia (batimentos cardíacos irregulares) antes de estarem prontos para implantar em seres humanos. BlueRock planeja entrar em ensaios clínicos sobre as células dopaminérgicas até o final do ano, com cardiomiócitos a seguir.

Retratos, da esquerda para a direita: Stan Wang, co-fundador e CSO, Cellino; Kevin D'Amour, CSO, ViaCyte; Paul Laikind, CEO da ViaCyte

Uma empresa que já está envolvida em testes clínicos em humanos é a ViaCyte, que, como a Semma Therapeutics, de Melton, está buscando uma terapia baseada em células-tronco para combater o diabetes do tipo 1. A empresa usou pequenas moléculas para conduzir as células-tronco embrionárias a algo chamado células precursoras do pâncreas, na esperança de que, uma vez implantadas no corpo, as células continuem a evoluir para células endócrinas que produzirão insulina. "Eles não são funcionais no momento do transplante, mas eles se tornam tão após o desenvolvimento in vivo ", diz o diretor de ciência da ViaCyte, Kevin D'Amour. Ao contrário da maioria das doenças, em que os pesquisadores precisam se preocupar com o corpo rejeitando as células implantadas, toda a natureza do diabetes tipo 1 é que o corpo ataca suas próprias células beta, sejam elas de outro doador ou não.

Células ilhotas derivadas de células-tronco proprietárias da Semma Therapeutics, ou “ilhotas SC”.
Imagem cortesia de Semma Therapeutics.

Por causa disso, o ViaCyte teve que trabalhar para criar uma cápsula para conter as células implantadas que as separariam das células do sistema imunológico do corpo que procuram destruí-lo. Pesquisadores costumam compará-lo a um “saquinho de chá”, uma membrana semipermeável que pode prender as células e permitir que elas infundem o corpo sem entrar diretamente em contato com o sangue. Depois de implantá-los em pacientes a partir de 2015, no entanto, os pesquisadores descobriram que o corpo emparedou a cápsula com uma camada de células da pele. "Vimos uma resposta bastante agressiva", diz Paul Laikind, CEO da ViaCyte. "O corpo está realmente tentando isolar esse corpo estranho." A empresa suspendeu o teste enquanto trabalhava com WL Gore, os fabricantes de Gore-Tex, para projetar um tecido para resistir à reação do corpo estranho.

Nesse meio tempo, ela começou a realizar outro teste clínico no ano passado com uma cápsula projetada diferentemente que permitirá que os vasos sanguíneos penetrem na cápsula e entrem em contato direto com as células beta. Embora isso deva evitar as dificuldades com a rejeição da cápsula, ela também exigirá terapia de imunossupressão para impedir que o corpo ataque as próprias células. Mesmo assim, ViaCyte está esperançoso de que pode alcançar níveis terapêuticos de insulina no curto prazo. "Esperamos que seja possível demonstrar a eficácia em seis a doze meses", diz Laikind. Não tendo nada como garantido, a empresa também se associou à empresa de edição de genes CRISPR Therapeutics para tentar modificar geneticamente suas células precursoras, a fim de protegê-las da resposta imune do corpo.

Novas descobertas

Embora os desenvolvimentos na biologia de células-tronco a partir de HSCs para células-tronco embrionárias para iPSCs abriram novas possibilidades na medicina regenerativa, um dos desenvolvimentos mais interessantes é a descoberta de que o corpo tem vários tipos de células-tronco específicas para órgãos, que podem ter a capacidade para se auto-curar, se os cientistas puderem descobrir como ligá-los. Até o momento, essas células-tronco endógenas foram encontradas no fígado, nos pulmões e no intestino e, possivelmente, no coração, e prometem regenerar seus órgãos correspondentes dentro e fora do corpo.

Em 2009, Eduardo Marban, da Cedar-Sinai, relatou os resultados do primeiro ensaio clínico envolvendo essas células-tronco endógenas, tomando células derivadas dos corações dos pacientes de ataque cardíaco, cultivando-as e infundindo-as de volta ao corpo. Os resultados, publicados no The Lancet em 2012, mostraram a regeneração do músculo cardíaco saudável, a primeira terapia bem-sucedida do gênero. Apesar de tal promessa, no entanto, os pacientes não obtiveram melhora significativa na função cardíaca, e estudos posteriores realizados por Marban e outros mostraram resultados mistos.

Derrick Rossi, co-fundador da Intellia
Terapêutica Terapêutica e Magenta

Uma nova direção na terapia com células-tronco é no tratamento de células-tronco endógenas enquanto elas ainda estão dentro do corpo, ao invés de removê-las e reinseri-las. "A premissa é que as células-tronco endógenas já existem dentro do corpo, se pudermos estimulá-las a fazer o que normalmente fariam", diz Derrick Rossi, pesquisador do Hospital Infantil de Boston e co-fundador da Intellia Therapeutics e Magenta Therapeutics. . Ele recentemente se tornou presidente e diretor executivo de uma nova empresa, a Convelo Therapeutics, de Cleveland, que está tentando usar células-tronco endógenas no sistema nervoso central para tratar a esclerose múltipla. Essa doença é causada pela destruição da bainha de mielina que envolve e isola os nervos dentro do corpo, levando a uma série devastadora de sintomas, desde a visão prejudicada até a perda da função muscular.

Convelo baseia-se na ciência de Paul Tesar e Drew Adams, da Case Western Reserve, que descobriram algo chamado células progenitoras de oligodendrócitos (OPCs) dentro do sistema nervoso central, que poderiam se transformar em células responsáveis pela remielinização dos nervos. Eles descobriram que, tendo como alvo essas OPCs com uma combinação de pequenas moléculas, elas poderiam bloquear enzimas específicas que inibem seu crescimento e desencadear a regeneração da mielina. Com o financiamento de US $ 7,8 milhões de doadores privados, a empresa está agora se movendo para testar as drogas dentro do corpo.

Tesar e Adams não só usaram células-tronco em sua terapia de células nervosas, mas também usaram células-tronco em laboratório para construir tecido cerebral humano para testar suas teorias, em vez de usar camundongos ou ratos. Pesquisadores têm usado tais "organoides" desde 2008, quando Yoshiki Sasai, biólogo do instituto de pesquisa japonês RIKEN, mostrou que as células-tronco embrionárias poderiam ser induzidas a um prato para se reunirem em estruturas de tecido tridimensionais. Desde então, cientistas produziram organoides a partir de iPSCs e células-tronco endógenas, criando corações, pulmões, cérebros, rins, fígados e intestinos virtuais. O desenvolvimento poderia reduzir o custo e as preocupações éticas de usar animais para pesquisa, bem como permitir que os pesquisadores experimentassem diretamente o tecido humano, o que poderia produzir resultados mais precisos antes do uso de ratos, ratos ou macacos. Os cientistas poderiam até criar organoides específicos de pacientes que poderiam permitir que eles personalizassem o teste de possíveis tratamentos.

O cultivo de tecidos de organoides tão pequenos em órgãos completos que poderiam um dia ser transferidos para o corpo humano para substituir um órgão danificado ou defeituoso, no entanto, provou ser um esforço muito mais desafiador. Nos anos 1990, Joseph Vacanti, do Hospital Geral de Massachusetts, e Robert Langer, do MIT, foram pioneiros em uma técnica para construção de órgãos usando andaimes de polímeros biodegradáveis, semeados com células-tronco. Construí-lo, eles pensaram, e as células fariam o resto, povoando os andaimes e executando as funções para as quais foram projetados. Embora o processo forneça aos cientistas insights importantes sobre como as células operam, isso acabou sendo um fracasso.

Até agora, houve poucos transplantes bem-sucedidos de um órgão artificial criado por um andaime sintético. Em 2006, Anthony Atala, da Escola de Medicina Wake Forest, conseguiu cultivar bexigas artificiais e transplantá-las com sucesso em pacientes. Desde então, ele também usou as técnicas para construir vaginas artificiais. Em 2011, o cirurgião Paolo Macchiarini, da Universidade Karolinska, implantou uma traquéia artificial em um paciente com câncer. Macchiarini repetiu o procedimento com meia dúzia de outros pacientes; no entanto, quase todos eles morreram, e a universidade suspendeu seus esforços após uma investigação questionando os métodos de Macchiarini que o consideravam culpado de violações éticas na forma como ele representava o tratamento.

Todos esses órgãos, no entanto, são relativamente simples em estrutura e função. Para órgãos mais complexos, nenhuma estrutura de polímero foi desenvolvida nos anos 90 e início dos anos 2000, que foi capaz de replicar sua estrutura afinada, especialmente a vascularização de milhões de vasos sangüíneos necessários para mantê-los saudáveis e vivos. "Na época, não havia um bom andaime que pudesse gerar um órgão em escala humana", diz Harald Ott, cirurgião cardíaco e engenheiro de órgãos da Mass General. "O coração não é apenas uma bolha." No entanto, as tentativas de regenerar o músculo cardíaco através da infusão de células-tronco em pacientes também pareciam não estar funcionando. "Teria sido ótimo se tivesse acontecido", diz Ott, "mas não é necessariamente surpreendente que não tenha sido uma bala mágica".

Órgãos Crescentes

A partir de 2005, Ott começou a buscar uma nova abordagem para a criação de um novo andaime, usando órgãos de doadores, mas removendo-os de suas células originais que poderiam ser rejeitadas por um novo hospedeiro, deixando a matriz extracelular intacta. Então, teoricamente, esse andaime poderia ser repovoado com as próprias células do paciente. Ott tentou várias técnicas e substâncias químicas diferentes na tentativa de remover órgãos de suas células. “Até o dia em que funcionou, todos no laboratório disseram, podemos colocá-lo em nosso papel se o seu não der certo. Foi um projeto louco de alto risco. ”Finalmente, Ott atingiu a terra com uma combinação de detergentes, incluindo sódio-dodecil sulfato (SDS), que fez as células lisarem ou se romperem, enquanto mantinha intacta a matriz extracelular e seu núcleo de proteína resistente .

O próximo problema foi colocar novas células nessa matriz. Ott começou com uma matriz cardíaca de rato, semeando com células de cardiomiócitos fetais, que já são parcialmente diferenciadas em células do músculo cardíaco. Após apenas oito dias de maturação, as células cresceram o suficiente para que pudessem ser estimuladas com um pulso elétrico para produzir um batimento cardíaco. O laboratório de Ott, desde então, usou técnicas semelhantes usando iPSCs para criar corações, rins, fígado e pâncreas para ratos e porcos, e começou a trabalhar em órgãos humanos. Recentemente, ele criou um intestino de rato semeado com células-tronco humanas que foi capaz de absorver nutrientes por quatro semanas, e um pâncreas do tamanho de um rato que foi capaz de curar o diabetes por semanas. Apesar desses sucessos, ele é realista sobre o quão complicado uma estrada ele ainda tem que viajar. “Ainda é uma pesquisa de alto risco”, diz Ott, “É difícil para mim conseguir o apoio financeiro para realizar esse tipo de pesquisa e desenvolvimento acadêmico, e encontrar os pesquisadores que estão dispostos a tomar essa decisão de alto risco por sua carreira. .

Um par de pulmões de porco descelularizados em um biorreator.
Imagem cortesia do The Ott Lab / Massachusetts General Hospital.

Se os cientistas conseguirem criar órgãos artificialmente, no entanto, isso pode melhorar drasticamente as chances de sobrevivência daqueles que necessitam de transplantes de órgãos devido a doenças ou lesões. De acordo com estatísticas do governo, no ano passado, cerca de 35.000 transplantes de órgãos foram realizados nos EUA; No entanto, mais de 100.000 pessoas estão atualmente na lista de espera de um órgão. Todos os dias, 20 pessoas morrem à espera de um transplante. O colega de Ott no Mass General, Martin Yarmush, está trabalhando em maneiras de prolongar a vida de órgãos removidos do corpo para que mais órgãos possam sobreviver para serem transplantados. "Há milhões de cadáveres, de acidentes de moto e outros, que são espécimes perfeitos de seres humanos, mas depois de 30 minutos, um órgão perderá toda a sua função", diz Yarmush, diretor fundador do Centro de Engenharia em Medicina.

Seu laboratório tem trabalhado em técnicas para perfundir órgãos que foram privados de oxigênio e nutrientes, para que possam ser transplantados. Até agora, ele foi capaz de tomar um fígado de rato que foi 60 minutos fora do corpo à temperatura ambiente. "Você coloca em um dispositivo de perfusão e perfuma com mídia e outras guloseimas, e você pode obter quase 100 por cento taxa de transplante, se você deixá-lo por 60 minutos sem colocá-lo em uma solução de restauração, você recebe zero."

Outro colega do Mass General, Mehmet Toner, está trabalhando em maneiras de prolongar a vida dos órgãos por períodos de tempo ainda maiores. Mesmo que um órgão seja mantido frio, ele diz, ele não pode ser armazenado por mais de um dia fora do corpo. Congelar um órgão até temperaturas criogênicas, no entanto, danifica a função do tecido vital. O laboratório de Toner está trabalhando em maneiras de preservar os órgãos, resfriando-os até temperaturas intermediárias, refrigerados o suficiente para retardar o metabolismo o tempo suficiente para preservá-los por semanas ou meses sem danificá-los. Atualmente, ele foi capaz de preservar um fígado de rato por uma semana antes do transplante sem efeitos prejudiciais. É importante observar que técnicas alternativas de preservação de órgãos usando sangue quente, fluido e rico em nutrientes, como o Sistema de Tratamento de Órgãos Transmedics, representam um avanço fundamental do tradicional armazenamento isquêmico frio, mas não abordam os cronogramas de preservação mais longos investigados pelo laboratório de Toner. .

Retratos, da esquerda para a direita: Harald Ott, Cirurgião Cardíaco e Engenheiro de Órgão, Mass General Hospital; Martin Yarmush, diretor de financiamento do Centro de Engenharia em Medicina do Hospital Geral de Massachusetts; Mehmet Toner, Centro de Engenharia em Medicina, Mass General Hospital; George Church, Fundador da Faculdade de Biologia Sintética, Wyss Institute da Universidade de Harvard

Combinado com técnicas para criar órgãos artificiais, a tecnologia de preservação como a de Toner poderia nos aproximar de um dia em que os órgãos estão disponíveis para pacientes, prontos para serem usados a qualquer momento – sejam eles gerados a partir de suas próprias células. ou criado a partir de iPSCs. "Quando você precisa de uma aspirina, você não liga para alguém que faz isso por você, você vai para o CVS", diz Toner. "Para terapias celulares se tornarem facilmente utilizáveis, você precisa ser capaz de estabilizá-las para que possam ser usadas quando necessário."

Corações de Porco e Impressão de Órgão

Um método mais radical para garantir que tenhamos órgãos viáveis disponíveis quando precisamos deles está sendo desenvolvido por George Church, um geneticista da Harvard Medical School e do Instituto Wyss de Harvard para Engenharia Biologicamente Inspirada que ajudou a inventar CRISPR. Entre outros projetos, ele e o ex-aluno de pós-graduação Luhan Yang estão trabalhando para desenvolver órgãos em porcos para transplante em humanos, um método conhecido como xenotransplante. Anteriormente, diz ele, cientistas exploraram a idéia de usar órgãos de porco como arcabouços, descelularizando-os e substituindo-os por células-tronco humanas. Para Church e Yang, no entanto, isso requer apenas um passo extra. “Você vai sacrificar o animal de qualquer maneira. Com a opção que estamos buscando, um animal pode produzir dezenas de componentes utilizáveis para transplante, e você pode sincronizá-lo antes e depois para que eles estejam prontos quando você precisar deles ”, diz ele.

O uso de órgãos de porco, no entanto, apresenta seus próprios desafios. Uma grande preocupação é a presença de retrovírus endógenos porcinos (PERVs) que poderiam infectar células humanas e causar doenças; a outra preocupação é que o corpo humano rejeite o órgão como um objeto estranho. Church e Yang formaram uma empresa, a eGenesis, para lidar com essas questões. Em 2015, eles conseguiram usar CRISPR para derrubar os genes PERV em mais de 60 lugares diferentes no genoma de um porco; agora, eles estão em processo de criação de uma linhagem de porcos livres de PERV na China. “Não precisamos fazer nenhuma biologia molecular de fantasia; nós podemos apenas criá-los como porcos ”, diz Church. Agora, a empresa está trabalhando em um projeto separado usando CRISPR para derrubar genes de porco que provocam uma resposta no sistema imunológico humano. "Você engana o sistema imunológico humano a acreditar que células incompatíveis estão bem", diz Church. Eventualmente, a esperança é que eles possam criar as duas linhagens de porcos juntas para produzir porcos seguros o suficiente para doar seus órgãos para seres humanos em um suprimento virtualmente infinito.

Tanto a recelularização como o xenotransplante requerem alguma colheita de órgãos para transplantá-los para um novo corpo. Um terceiro método para engenharia de órgãos, no entanto, visa literalmente produzi-los a partir do zero. A colega de Church no Instituto Wyss, Jennifer Lewis, produziu uma bioprinter 3D que ela está usando para imprimir artificialmente órgãos que depois poderiam ser transplantados para seres humanos. A ideia surgiu de técnicas anteriores para produzir órgãos sintéticos a partir de polímeros que pudessem replicar órgãos humanos. No meio de tentar criar análogos sintéticos para tecidos e vascularização, no entanto, Lewis e seus colegas decidiram criar órgãos para o real. “Nós dissemos, não precisamos imitar a biologia. Nós podemos fazer biologia ”, diz ela.

Jennifer Lewis, Core College, Wyss Institute da Universidade de Harvard; Hansjörg
Wyss Professor de Engenharia Biologicamente Inspirada, Harvard John A. Paulson
Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas.
Foto por Doug Levy.

Sua técnica consiste em três tipos diferentes de "tintas" – uma tinta sacrificial que pode ajudar a modelar redes vasculares; uma tinta de biopolímero para criar uma matriz extracelular para o suporte de órgão; e finalmente, uma tinta carregada de células contendo células-tronco mesenquimais, iSPCs ou organoides para replicar as células vivas do órgão. A máquina então coordenaria todas as três tintas para imprimir o órgão. “O desafio, é claro, é replicar a complexidade arquitetônica e a densidade celular do órgão”, diz Lewis. “Se você fizer tudo isso, então, com sorte, isso significa que você tem algo que não apenas se parece com um órgão, mas também funciona como um.”

Tinta fugitiva impressa na forma de um túbulo proximal contorcido no rim.
Cortesia de imagem de Kimberly Homan, Jessica Herrmann, David Kolesky e Jennifer Lewis da Universidade de Harvard e do Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering.

Seu próximo passo é imprimir o tecido que poderia ser usado em animais. “Estamos muito na infância nesse processo”, ela admite, “mas certamente esperamos que nosso trabalho esteja fornecendo uma base fundamental para muitos laboratórios em todo o mundo”.

Além de criar órgãos de trabalho para transplante, a bioimpressão 3D também pode produzir estruturas de órgãos artificiais para pesquisa médica. Os chamados “órgãos em um chip” são como organoides, pois podem consistir em tecido humano real in vitro para testar drogas e toxinas como uma alternativa aos testes em animais. Usando engenharia mecânica e eletrônica, no entanto, eles também podem ser estimulados a recriar a função dos órgãos. "Podemos imitar respiração fisiológica nos pulmões, movimentos peristálticos no intestino e pulsos no coração", diz Don Ingber, diretor fundador do Wyss Institute.

Don Ingber, diretor fundador do Wyss Institute

A Ingber participou pela primeira vez da criação de um pulmão em um chip, recriando o alvéolo e a interface alvéolo-capilar em um chip de metal coberto de borracha de silicone. "Ele incluiu incríveis níveis de funcionalidade", diz Ingber. Enquanto a cultura celular tradicional permite o teste em um único tipo de célula, os órgãos-em-um-chip podem incluir camadas de células diferentes, impressas umas sobre as outras, para simular a função completa do órgão. Isso, por sua vez, poderia ajudar as empresas farmacêuticas a conduzir com mais precisão pesquisas sobre novas terapias. "Setenta e cinco por cento dos medicamentos falham em ensaios clínicos", diz Ingber. "Isso porque modelos animais não prevêem adequadamente o que vai acontecer em humanos."

Ingber é fundador científico da Emulate, uma empresa que trabalha para criar um “corpo sobre um chip” que conectaria vários órgãos artificiais junto com canais para explorar ainda mais as interações entre os órgãos. No futuro, essas estruturas poderiam ser criadas com células-tronco do próprio paciente, a fim de testar a eficácia e os efeitos colaterais de várias drogas, antes de decidir qual delas usar dentro do corpo. Fora do tratamento individualizado, uma empresa farmacêutica poderia criar um órgão ou corpo-em-um-chip personalizado projetado para um determinado subgrupo genético para demonstrar a eficácia de um medicamento que poderia ser visto como um fracasso em modelos animais típicos. "Isso poderia ser um divisor de águas para o desenvolvimento de drogas", diz Ingber.

O futuro da medicina regenerativa provavelmente não virá de nenhuma técnica, mas de uma combinação de múltiplas tecnologias: usar CRISPR para editar genes e pequenas moléculas e fatores de crescimento para direcionar células-tronco para certas linhagens celulares, bem como usar células-tronco para construir órgãos dentro e fora do corpo, a fim de melhorar a saúde humana. “Nos primórdios da biologia das células-tronco, pensamos que oferecia a oportunidade de usar coisas como células-tronco do sangue como peças de reposição”, diz Scadden. Embora, sem dúvida, isso seja verdade, ele diz: “Essa é uma maneira muito estreita de olhar para a medicina regenerativa. Agora está claro que eles também podem nos ajudar a criar modelos para doenças, e também nos dar remédio para acionar as células dentro do nosso corpo para se curar ”.

Essa combinação de terapias, por sua vez, poderia mudar fundamentalmente a maneira como a medicina é praticada e a vida é vivida. Os pacientes poderiam ter terapias individuais desenvolvidas e testadas em órgãos artificiais fora do corpo antes de usá-las no corpo. E dado o progresso que a medicina regenerativa fez nos últimos 50 anos, é provável que nos próximos 50 anos o que uma vez pareceu ficção científica pudesse se tornar uma realidade – um suprimento quase inesgotável de células e órgãos substitutos disponíveis para nós, criado a partir de nossas próprias células ou outros, para reparar e substituir qualquer parte do corpo que falha. Se a medicina regenerativa é capaz de conseguir isso, como parece possível, será verdadeiramente revolucionária.

Texto original em inglês.