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O que são organoides? Fatos, curiosidades e suas limitações.

O termo organoide tem sido utilizado para abranger as culturas celulares 3D in vitro, derivadas de tecidos primários (sejam pequenas porções de tecido ou células únicas), de células tronco embrionárias (ESCs), ou de células tronco pluripotentes induzidas (iPSCs), capazes de se auto renovar e auto organizar, e que exibem funcionalidades semelhantes às do tecido de origem.

O cultivo de linhagens celulares sempre foi fundamental para auxiliar no entendimento de diversos mecanismos biológicos, como por exemplo, para compreender vias de sinalização celular, identificar potenciais alvos terapêuticos, ou até mesmo para guiar o desenvolvimento de drogas candidatas para diversas patologias. Essa metodologia permitiu inúmeros avanços científicos, no entanto, apresenta um grande gargalo: como extrapolar resultados de um modelo de estudo relativamente simples para um sistema tão complexo, como o corpo humano?

Sabe-se há um bom tempo da capacidade das células de se auto organizar, e a partir disso, os cientistas passaram a explorar a habilidade do cultivo de células em 3D, já que diversos processos do nosso organismo dependem de todo um microambiente que o cultivo de linhagens celular em 2D não é capaz de mimetizar. Assim, o surgimento de culturas celulares humanas 3D, os chamados organoides, tem recebido enorme atenção justamente pelo enorme potencial em ultrapassar essas limitações.

A esperança e o entusiasmo     

Em 2009, houve um grande avanço tecnológico no campo das células tronco com o desenvolvimento de um sistema de cultura celular de um organoide intestinal. Esse sistema era supreendentemente simples, partindo uma matriz de matrigel e utilizando fatores de crescimento para direcionar a diferenciação de células tronco intestinais adultas. Após a divulgação em 2009 desse modelo de estudo promissor, ficou claro que as células tronco têm a habilidade intrínseca de se auto organizar em estruturas 3D que remetem à organismos in vivo, e outros cientistas têm tido sucesso no cultivo de organoides partindo de uma ampla gama de fontes celulares e de diferentes espécies.

Em 2017, a cultura de organoides foi considerada ‘Método do ano 2017’, devido principalmente ao seu uso abrangente em relação aos testes de drogas-alvo.

Basicamente, organoides são modelos que permitem aos cientistas estudar como diferentes células interagem entre si quando em uma determinada estrutura, além de fornecer evidencias dos eventos específicos envolvidos no desenvolvimento dos tecidos, como por exemplo o desenvolvimento cerebral, que não são possíveis de serem observados in vivo. De fato, organoides apresentam um mundo de possibilidades aos pesquisadores.

Fatos e curiosidades sobre os organoides

  • Como os organoides são feitos? Partindo de células tronco, sejam elas células tronco embrionárias (ESCs) ou células tronco pluripotentes induzidas (iPSCs), se estabelece um cluster celular tridimensional, também conhecido como embrióide. Então, utilizando fatores de transcrição e nutrientes específicos, a diferenciação celular é direcionada.
  • Organoides são excelentes modelos de estudo de doenças: Apesar de ser uma tecnologia relativamente recente, os organoides têm sido utilizados com muito entusiasmo para mimetizar doenças e auxiliar na triagem de drogas, por exemplo. Também muito interessantemente, organoides desenvolvidos a partir de iPSCs de pacientes específicos tem auxiliado na avaliação da sensibilidade a diversas drogas, e na validação de variantes genômicas relacionadas a doenças. Ainda, tem sido explorado recentemente o uso de organoides como modelo de estudo para infecções virais, como por exemplo o Zica vírus, e suas consequências para o tecido afetado.
  • Medicina regenerativa e as possibilidades envolvendo organoides: A medicina enfrenta uma grande questão em relação ao transplante halogênico de tecidos saudáveis para substituir tecidos danificados e/ou não funcionais, já que em inúmeras vezes há pouca disponibilidade do tecido saudável, além da possibilidade de rejeição. Nesse sentido, os organoides possibilitam a expansão de tecidos partindo de partes minúsculas de biópsia do paciente para fins de transplante. Também, organoides com origem a partir de tecidos de pacientes com alterações genéticas podem ser corrigidos utilizando metodologias de edição gênica, como CRISPR/Cas9. Ainda, o desenvolvimento de organoides neurais podem ser uma excelente fonte de tecido saudável para o tratamento de doenças neurodegenerativas, como por exemplo, Parkinson.
  • Organoides no entendimento do desenvolvimento humano: Como os organoides tem origem a partir de ESCs e iPSCs, e tecidos fetais geralmente mantém as características do estágio inicial do seu desenvolvimento, é possível obter muitas informações sobre o desenvolvimento embrionário conforme a diferenciação das células é sistematicamente induzida. Já foi demonstrado que as células somáticas, quando reprogramadas para se tornarem iPSCs, recapitulam os padrões de metilação e expressão gênica semelhantes às células embrionárias, mostrando a importância desse modelo no estudo do desenvolvimento humano.
  • Recapitulando a neurogênese em busca de respostas para alterações neurológicas: Sabemos que os organoides são capazes de recapitular os processos do desenvolvimento normal a partir da diferenciação de iPSCs em células progenitoras neurais. Esse modelo já foi utilizado com sucesso, demonstrando que iPSCs derivadas de neurônios apresentam perfil de expressão semelhante a cérebros fetais em um período de desenvolvimento importante para algumas patologias, como por exemplo, o transtorno do espectro autista. Tal abordagem pode auxiliar a compreender de maneira mais ampla os mecanismos relacionados com o desenvolvimento de diversas doenças neurológicas.
  • Organoides são relativamente fáceis de cultivar e produzem imagens incríveis: Organoides são basicamente um upgrade das culturas celulares primárias tradicionais, que cresciam como monocamadas (2D) em placas ou garrafas de cultura. A principal diferença é que, nos organoides, as células crescem em uma base de membrana de gel desenvolvida em formato 3D. As células cultivadas nesse tipo de cultura podem ser selecionadas, ou removidas para refletir a heterogeneidade desejada. Ainda, as células podem ser marcadas de maneira específica para acompanhar seu processo de diferenciação e desenvolvimento.
Figura 1: Organoide do cérebro humano, com marcações especificas para diferentes tipos celulares. Lancaster et al., 2013.
  • Mas nem tudo é tão simples assim… Apesar de estarem sendo amplamente utilizados, os organoides ainda são pouco validados. Não se sabe ao certo qual é o efeito da membrana de gel no comportamento celular, e restam algumas dúvidas como, por exemplo:  essa membrana auxilia na diferenciação natural ou de certa forma reprograma o crescimento celular? Ainda, caso seja observada uma mutação de interesse, é necessário confirmar qual a proporção de células que apresentam essa mutação, para tentar compreender seu impacto no desenvolvimento do organoide.
  • Organoides não são mini órgãos! Apesar de incríveis, é importante lembrar que os organoides não recapitulam totalmente o processo de desenvolvimento humano, não são maduros, ou seja, oferecem apenas uma janela sobre o desenvolvimento inicial de tecidos, não são vascularizados por si só (embora possam ser desenvolvidos para tal), e não são necessariamente funcionais.
  • E quanto às limitações técnicas? Ao utilizar organoides como modelo de estudo, é necessário ter em mente que apesar de oferecer uma morfologia superior caso o objeto de estudo seja um tecido glandular, por exemplo, os organoides não são apropriados caso deseje estudar tecidos estratificados, como a pele. Ainda, seu uso como modelo de estudo de desenvolvimento tumoral é muito debatido, uma vez que a principal característica da maioria dos tumores é o crescimento independente de ancoragem, e isso pode ser alterado pela membrana de gel que serve como base para o crescimento da cultura.
Figura 2: Os organoides são utilizados para compreender os princípios do desenvolvimento, homeostase e regeneração. b) organoides derivados de células tronco de pacientes representam uma ferramenta interessante para o estudo de mecanismos de doença; c) biobancos de organoides podem ser uteis para identificar a eficácia de drogas em relação a um enorme espectro de fenótipos de doenças; d) na medicina personalizada, organoides específicos de determinados pacientes podem auxiliar na identificação da melhor droga para aquele paciente; e) organoides derivados de células de doadores saudáveis, ou de pacientes após edição gênica, podem ser uteis como fontes de células ou tecidos para medicina regenerativa (estrela vermelha: mutação genética patogênica). Rossi et al., 2018.

Questões éticas e desafios futuros dos organoides

Assim como diversos avanços na ciência, será importante seguir investigando e entendendo para alcançar um equilíbrio entre o que é entusiasmo, e o que é realidade. A formação de organoides cerebrais em placas, particularmente associados à edição gênica, necessitarão de considerações éticas, assim como o uso dos organoides como modelos de estudo para o desenvolvimento embrionário humano.

Tecidos complexos, como cérebro, coração e fígado, são formados por diferentes tipos de células, e por isso, o uso de organoides como modelo de estudo tem sido tão desafiador no que diz respeito à robustez e reprodutibilidade, já que uma mínima variação na razão entre determinados tipos celulares, ou do mesmo tipo celular, podem ter um grande impacto no processo de diferenciação. É importante aprofundar o conhecimento sobre a heterogeneidade dos organoides, que a princípio são seu grande diferencial, mas que podem comprometer os resultados de alguns estudos. Ainda assim, apesar dos desafios, os organoides humanos apresentam um enorme potenciar na pesquisa clínica translacional.

A vida acontece, até onde sabemos, em três dimensões, e não seria diferentemente importante mimetizar essas condições em estudos com linhagens de cultura celular. Não há dúvidas de que ainda há muito por vir, e que a aplicação da tecnologia de organoides trará revelações fascinantes em diversos campos da pesquisa biológica. Veremos, nos próximos anos, grandes avanços oriundos dos estudos com organoides nos campos da medicina regenerativa, desenvolvimento humano, resposta a drogas, entre outros, ao passo em que o conhecimento sobre essa tecnologia avança. De fato, temos aqui uma grande prova de que apesar de todos os grandes avanços científicos, será sempre necessário recorrer à pesquisa ‘básica’ para compreender inúmeros processos complexos.

Referências:

– Fatehullah A, Tan SH, Barker N. Organoids as an in vitro model of human development and disease. Nature Cell Biology. Mar;18(3):246-254. 2016

– Griesi-Oliveira, K., Fogo, M.S., Pinto, B.G.G. et al. Transcriptome of iPSC-derived neuronal cells reveals a module of co-expressed genes consistently associated with autism spectrum disorder. Mol Psychiatry. 2020

– Lancaster, M., Renner, M., Martin, C. et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature 501, 373–379. 2013.

– Rossi, G., Manfrin, A. & Lutolf, M.P. Progress and potential in organoid research. Nat Rev Genet 19, 671–687. 2018

– Sato, T. et al. Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature 459, 262–265. 2009

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