Engenheiros do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveram uma metodologia inovadora que possibilita o controle do desenvolvimento de vasos sanguíneos através da aplicação de estímulos mecânicos. Este progresso aborda um dos maiores obstáculos na engenharia de tecidos: a criação de sistemas vasculares estruturados, essenciais para nutrir órgãos e tecidos sintéticos.
Os pesquisadores buscam cultivar tecidos e órgãos vivos a partir de células com o intuito de substituir partes do corpo humano que estejam doentes ou danificadas. Embora já tenham obtido sucesso na produção de diversos tecidos artificiais, como músculos, fígado, rim e pele, faltava um método confiável para formar redes vasculares com padrões exatos, incluindo capilares ultrafinos. Sem essa rede de suprimento, os tecidos artificiais não conseguem receber nutrientes suficientes para operar corretamente.
A equipe do MIT demonstrou que é viável planejar e guiar esse crescimento utilizando o estiramento mecânico. Os achados foram divulgados na revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Para conduzir o experimento, os cientistas montaram um modelo de «vaso sanguíneo em um chip», que consistia em uma artéria central feita de células endoteliais humanas. Esta estrutura foi inserida em um gel nutritivo contendo um pequeno ímã.
Ao mover um ímã externo para deslocar o ímã interno no gel, forçando a artéria a oscilar lateralmente, os pesquisadores observaram a reação do vaso principal ao estímulo físico. Os testes revelaram que o movimento repetitivo da artéria induzia o aparecimento de novos capilares. Adicionalmente, ao modificar a direção do estiramento, foi possível direcionar o crescimento desses vasos, e a variação na intensidade do estiramento permitiu modular a quantidade de novos capilares formados.
Os autores consideram esta técnica uma nova abordagem para desenhar vasos sanguíneos artificiais e programar seus padrões de desenvolvimento. Ritu Raman, professora associada de engenharia mecânica do MIT e coautora principal, ressalta que «tecidos saudáveis dependem de redes organizadas de vasos sanguíneos, mas os protocolos mais avançados não permitem fabricar tais redes dentro de tecidos artificiais». Ela acrescenta que a habilidade de programar o crescimento vascular com estímulos físicos pode tornar possível a fabricação reprodutível e escalável de tecidos implantáveis para restaurar funções após lesões ou doenças graves.
Os pesquisadores enfatizam que os vasos sanguíneos permanecem entre as estruturas mais difíceis de replicar por métodos tradicionais. Embora as impressoras 3D consigam gerar grandes artérias e veias, elas carecem da precisão necessária para construir redes complexas de capilares muito finos. Outra via, o cultivo celular em placas de Petri, enfrenta o desafio de controlar precisamente onde essas estruturas irão emergir. Raman explica que, embora seja possível usar sinais químicos, como fatores de crescimento, para orientar o crescimento, a precisão é limitada, exigindo assim outros estímulos padronizáveis.
A pesquisa atual evoluiu de um protocolo anterior usado para cultivar músculos e nervos artificiais, onde o movimento mecânico do gel influenciava o crescimento celular. No novo experimento, o chip, menor que um selo postal, foi preenchido com gel nutritivo e um ímã. Um canal oco foi criado no gel e revestido com células endoteliais vivas. Após as células assumirem o formato do canal, novos vasos capilares começaram a brotar. O dispositivo foi posicionado sob uma plataforma motorizada com ímãs suspensos, cujas direções e intensidades foram variadas para monitorar a resposta vascular.
Raman conclui que esticar o vaso de um lado para o outro aumenta o número de novos capilares. Enquanto o vaso ficava parado, surgiam poucos vasos aleatoriamente; com o movimento repetitivo, a quantidade aumentava drasticamente. Testes também mostraram que esticar o gel em 5% de sua largura gerava muitos novos vasos, enquanto o estiramento para 15% reduzia a quantidade, mas aumentava o comprimento dos vasos formados. Além disso, os novos vasos seguiam a direção do estiramento quando este era alterado.
Os cientistas investigaram a razão da resposta vascular ao estímulo mecânico, focando no gene PIEZO1. Inspirados por uma palestra do biólogo molecular Ardem Patapoutian, laureado com o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2021 por descobrir canais iônicos sensíveis à pressão mecânica (PIEZO1 e PIEZO2), os pesquisadores formularam a hipótese de que o exercício mecânico ativaria esses canais, promovendo a formação de novos vasos.
Para verificar essa teoria, eles empregaram edição genética para diminuir a atividade do gene PIEZO1 nas células endoteliais. O resultado confirmou a hipótese: células com o gene PIEZO1 suprimido produziram significativamente menos vasos sanguíneos sob o mesmo estímulo mecânico, indicando que o crescimento vascular depende da ativação desses canais iônicos.
Com a comprovação do controle sobre a quantidade e a direção do crescimento vascular, a equipe planeja aplicar este protocolo para construir redes vasculares organizadas capazes de suprir tecidos e órgãos artificiais. Jessica Shah, coautora, afirmou que estão investigando como o direcionamento preciso desse crescimento pode otimizar a função muscular. O estudo recebeu suporte financeiro parcial do Early Career Program e do PECASE Grant do Army Research Office, do Departamento de Guerra dos Estados Unidos, além de um DURIP Program Grant deste mesmo departamento.
Pesquisadores da Universidade de Minnesota anunciaram um feito notável no campo da biologia sintética: a criação de células artificiais denominadas SpudCell. Essas estruturas sintéticas foram desenvolvidas com a capacidade de realizar funções vitais, como nutrir-se, proliferar e replicar-se, embora não sejam consideradas vida no sentido tradicional.
As SpudCells são sistemas projetados para mimetizar processos fundamentais de uma célula biológica real. Embora não constituam organismos completos, elas demonstram características notáveis, incluindo crescimento, divisão e competição por recursos. O sistema é significativamente simplificado em comparação com células naturais; enquanto o genoma humano possui aproximadamente 20 mil genes e a bactéria Escherichia coli ultrapassa 4 mil, as SpudCells operam com apenas 36 genes.
Os componentes utilizados neste experimento incluem 36 genes responsáveis por funções primárias, como a cópia de DNA, além de proteínas e moléculas que viabilizam reações químicas cruciais. Também foram empregadas vesículas lipídicas, que atuam como membranas artificiais, e ribossomos fornecidos externamente para a síntese proteica.
Kate Adamala, bióloga sintética da Universidade de Minnesota, liderou este projeto. Sua equipe combinou diversas substâncias químicas para formar estruturas aptas a executar reações típicas de células vivas. Para isso, foram incorporados genes provenientes de vírus e da bactéria Escherichia coli. Em ambiente controlado de laboratório, o sistema passou a se auto-organizar.
Um aspecto fundamental deste trabalho é que ele não se trata de uma simulação digital, mas sim de uma interação direta entre matéria e matéria. As células emergem após a mistura dos ingredientes e, posteriormente, conseguem se separar graças a proteínas que promovem o dobramento de suas membranas.
Apesar do progresso, os criadores enfatizam que as SpudCells não devem ser classificadas como organismos vivos plenos. Kate Adamala ressalta essa cautela ao declarar que 'a vida não é binária', indicando que não há uma fronteira estrita entre o que é vivo e o que não é.
A comunidade científica reagiu positivamente ao achado. John Glass, do J. Craig Venter Institute, expressou admiração pela funcionalidade integrada de tantos elementos em um só sistema. Drew Endy, da Universidade Stanford, caracterizou o experimento como algo construído, mas que exibe comportamento celular.
As possibilidades decorrentes deste estudo são vastas, podendo auxiliar na compreensão dos requisitos mínimos para a existência da vida e pavimentar o caminho para aplicações futuras, como a produção farmacêutica ou a captura de carbono. Teoricamente, versões futuras dessas células poderiam sintetizar compostos complexos atualmente difíceis de obter em laboratório.
Para fomentar este avanço, os pesquisadores estabeleceram a iniciativa Biotic, cujo objetivo é unir cientistas e facilitar o acesso aos materiais necessários para a criação de novas SpudCells. Contudo, existe uma consideração delicada: sistemas mais sofisticados podem gerar receios sobre seu uso inadequado, motivando a manutenção do desenvolvimento em um formato aberto e colaborativo. Drew Endy fez uma analogia com o primeiro voo dos irmãos Wright: um início modesto, mas transformador.
Atualmente, as SpudCells ainda dependem de suprimentos externos e sua sobrevivência é limitada a poucas gerações, mas o avanço já é reconhecido como um marco significativo na biologia sintética.
