Os vírus obedecem às leis da física, e a compreensão desses princípios abre caminho para a criação de novas abordagens terapêuticas. Este texto, escrito em colaboração com Karin Wuertz-Kozak e Maureen Ferran, foi originalmente publicado no site The Conversation, que reúne materiais de pesquisadores.
A atração de engenheiros biomédicos e biólogos pela mecano-biologia — o estudo do efeito das forças físicas na biologia — é parcialmente devida à beleza da física em escala celular. A física está presente em toda parte: desde como as células das paredes das artérias reagem ao fluxo sanguíneo, até como as células vertebrais suportam peso ou como as células pulmonares se expandem ciclicamente a cada inspiração.
Como cada elemento estrutural do corpo está sujeito a certas combinações de forças físicas, os vírus que o infectam também são forçados a interagir com essas forças. A maneira como os vírus interagem com essas forças afeta sua capacidade de infectar células e causar doenças graves.
Quando partículas virais microscópicas entram no organismo, elas dependem do mecanismo das células hospedeiras para continuar seu ciclo de vida. Muitos vírus primeiro se ligam a receptores na superfície da célula. O movimento da membrana celular, fornecido pelo citoesqueleto interno, causa sua deformação e englobamento da partícula invasora, formando uma pequena bolha que a transporta para dentro. Este processo, chamado endocitose, leva à absorção do vírus pela célula.
Após a penetração, o vírus move-se pela estrutura interna da célula, libera seu material genético e utiliza o aparato celular para produzir suas cópias. Em seguida, novas partículas virais deixam a célula para infectar células vizinhas.
Cada uma dessas etapas é, essencialmente, um processo físico. A tensão da membrana celular pode promover ou impedir a incorporação do vírus. O citoesqueleto, que transporta essas partículas virais, é a mesma estrutura que as células usam para detectar e aplicar pressão no ambiente. Além disso, a rigidez do meio celular determina como a célula se espalha e se organiza, o que pode alterar sua suscetibilidade ao invasor.
Um indivíduo saudável geralmente se recupera rapidamente de uma infecção. No entanto, pessoas com condições preexistentes, como fibrose pulmonar — na qual o tecido pulmonar endurece e não consegue mais expandir completamente —, podem ter uma infecção viral agravada. Essa predisposição mecânica dos tecidos à infecção é uma das razões pelas quais os profissionais de saúde aconselham evitar contato com idosos e pessoas com sistema imunológico enfraquecido durante a doença.
Nosso laboratório estuda a mecano-biologia de diferentes tipos de tecidos para entender como as cargas físicas diárias podem exacerbar doenças. Por exemplo, levantar e carregar pesos repetidamente pode desgastar os discos intervertebrais, e a ventilação mecânica pode esticar e danificar excessivamente os pulmões.
No entanto, cultivar células em uma placa de Petri de plástico — um método padrão na maioria dos laboratórios de virologia — mostra apenas parte do quadro. O plástico usado para cultivar tecidos é significativamente mais rígido do que os tecidos vivos, assemelhando-se mais a uma superfície de trabalho do que a um pulmão. As células percebem essa diferença durante os experimentos; a rigidez do ambiente pode afetar tanto seu comportamento quanto sua resposta à infecção.
Para transferir a mecânica do corpo humano para o laboratório, cultivamos células pulmonares em finas camadas de polímero de silicone flexível chamado PDMS, que ajustamos para corresponder à maciez do tecido pulmonar real. Essas camadas são colocadas em pequenas câmaras que se esticam e relaxam ciclicamente sob comando de um computador que determina o grau e a duração do alongamento. Isso nos permite imitar os movimentos físicos da respiração.
Podemos usar um vírus geneticamente modificado para fazer com que as células infectadas brilhem em vermelho sob o microscópio, rastreando como ele se espalha entre as células. Mas como rastrear a mudança na mecânica celular durante a infecção? Nossa equipe monitora a atividade de duas proteínas importantes chamadas YAP e TAZ, que atuam como sensores de força celular. Quando o tecido experimenta rigidez ou tensão, esses sensores migram para o núcleo e ativam genes relacionados ao crescimento e reparo. Na ausência de tais forças, como geralmente ocorre em tecidos mais macios, YAP e TAZ permanecem inativos e fora do núcleo.
Sabe-se que alguns vírus utilizam esse mesmo caminho de sinalização; portanto, estudar YAP e TAZ pode fornecer informações sobre como as forças mecânicas e a infecção interagem. Usando a ferramenta de edição genética CRISPR, podemos anexar uma marca fluorescente ao YAP ou TAZ e observar sua ativação em tempo real sob o microscópio, quando eles respondem não apenas a forças mecânicas, mas potencialmente também à infecção.
Com esta plataforma, podemos responder melhor a perguntas como: as células pulmonares reagirão à infecção de maneira diferente sob diferentes forças? Ou essas forças mudarão a eficácia da infecção viral? Atualmente, nossos resultados preliminares mostram que a rigidez do meio celular afeta o grau de infecção das células: células pulmonares cultivadas em superfícies mais rígidas, semelhantes a fibrose, parecem ser mais fortemente infectadas.
A compreensão da mecânica da infecção viral é de grande interesse para pesquisadores e médicos, dada a prevalência constante de infecções respiratórias em todo o mundo. Um resfriado comum, COVID-19 e gripe são apenas uma pequena parte das infecções virais: sabe-se que mais de 200 tipos de vírus infectam os humanos.
A mecano-biologia pode ser tão importante para o ciclo de infecção quanto seus aspectos bioquímicos ou imunológicos. Sob o microscópio, as diferenças são evidentes entre um pulmão rígido e sobrecarregado e um pulmão macio e saudável, e os vírus podem se mover nesses ambientes de forma adaptativa.
À medida que os cientistas mapeiam esses sinais mecânicos, surgem novas oportunidades para a prevenção e tratamento de infecções. Entre elas, terapias que podem reduzir a tensão física nos tecidos ou até mesmo biomarcadores que podem informar aos pacientes se estão sujeitos ao endurecimento dos tecidos ou a certos caminhos de infecção e danos potenciais que podem causar. O corpo humano é tão mecânico quanto químico, e isso se aplica às infecções com as quais ele enfrenta.
