Um novo modelo para entender as células imunológicas do cérebro humano e distúrbios neurológicos

Um novo modelo para entender as células imunológicas do cérebro humano e distúrbios neurológicos

Cientistas da Salk estabelecem modelo organoide para entender como as células imunológicas do cérebro afetam as condições cerebrais, como o transtorno do espectro autista e a doença de Alzheimer

LA JOLLA—Situada na interseção do sistema imunológico humano e do cérebro estão as microglias, células imunes especializadas do cérebro que desempenham um papel crucial no desenvolvimento e na doença. Embora a importância da microglia seja indiscutível, modelá-la e estudá-la continua sendo uma tarefa difícil.

Ao contrário de algumas células humanas que podem ser estudadas fora do corpo ou em modelos não humanos, a micróglia humana é difícil de estudar quando removida do ambiente semelhante ao cérebro humano. Para superar essa barreira, os cientistas da Salk desenvolveram um modelo organoide – uma coleção tridimensional de células que imita as características dos tecidos humanos. Este modelo permite que os pesquisadores estudem o desenvolvimento e a função da microglia humana pela primeira vez em tecidos vivos derivados de humanos. Além disso, os cientistas examinaram a micróglia derivada de pacientes de crianças com transtorno do espectro do autismo macrocefálico (uma condição em que a circunferência da cabeça infantil é maior que 97% de outras crianças) para determinar se o ambiente cerebral influencia o desenvolvimento de micróglias mais reativas.

Os resultados, publicados na Célula em 11 de maio de 2023, destacam a importância da interação das células imunes e do cérebro e melhoram a compreensão das doenças neurodegenerativas e do desenvolvimento, como o transtorno do espectro do autismo e a doença de Alzheimer.

“Fora do ambiente cerebral, a micróglia perde quase toda função e significado”, diz o professor medidor enferrujado, autor sênior e titular da Vi and John Alder Chair for Research on Age-Related Neurodegenerative Disease. “Sabíamos que, se encontrássemos uma maneira de replicar o ambiente do cérebro humano em um organoide para estudar a micróglia humana, finalmente teríamos uma ferramenta para examinar como o cérebro saudável e doente influencia a micróglia e, reciprocamente, como saudável e doente microglia influenciam o cérebro.”

Surgindo há cerca de 10 anos, os organoides se tornaram uma ferramenta predominante para preencher a lacuna entre estudos celulares e humanos. Os organoides podem imitar o desenvolvimento humano e a geração de órgãos melhor do que outros sistemas de laboratório, permitindo que os pesquisadores estudem como drogas ou doenças afetam as células humanas em um ambiente mais realista. Os organoides cerebrais são normalmente cultivados em pratos de cultura, mas os organoides são estrutural e funcionalmente limitados pela falta de vasos sanguíneos, curto tempo de sobrevivência e incapacidade de sustentar diversos tipos de células (como microglia).

“Para criar um modelo organoide cerebral que contém micróglia madura e nos permite pesquisá-los, usamos uma nova técnica de transplante para criar um ambiente semelhante ao do cérebro humano”, diz o co-autor Abed Mansour, ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Gage e agora professor assistente na Universidade Hebraica de Jerusalém. “Então, finalmente poderíamos fazer um organoide do cérebro humano que tivesse todas as características necessárias para orquestrar o crescimento, o comportamento e a função da microglia humana”.

Ao contrário dos modelos anteriores, os pesquisadores criaram um organoide do cérebro humano que tinha micróglia e um ambiente semelhante ao do cérebro humano, que finalmente permitiu que eles observassem as influências ambientais na microglia durante o desenvolvimento do cérebro. Eles descobriram que uma proteína característica chamada SALL1 apareceu logo após onze semanas de desenvolvimento e serviu para confirmar a identidade microglial e promover a função madura. Além disso, eles descobriram que fatores específicos do ambiente cerebral, como as proteínas TMEM119 e P2RY12, eram necessários para o funcionamento da microglia.

“Criar um modelo de cérebro humano que possa efetivamente replicar o ambiente do cérebro humano é muito empolgante”, diz o professor associado Axel Nimmerjahn, outro autor do estudo. “Com este modelo, podemos finalmente investigar como a micróglia humana funciona dentro do ambiente do cérebro humano”.

À medida que a equipe aprendia mais sobre a micróglia, a importância da relação entre o ambiente cerebral e a micróglia tornou-se clara – especialmente em cenários de doenças. O laboratório previamente examinado neurônios derivados de pessoas com transtorno do espectro do autismo e descobriram que seus neurônios cresceram mais rápido e tinham ramos mais complexos do que os neurotípicos. Com o novo modelo organoide, a equipe poderia perguntar se essas diferenças neuronais alteravam o ambiente cerebral e influenciavam o desenvolvimento da microglia.

Para fazer isso, eles compararam microglia derivada de amostras de pele de três indivíduos com transtorno do espectro do autismo macrocefálico versus três indivíduos neurotípicos com macrocefalia. Os pesquisadores descobriram que indivíduos com transtorno do espectro autista exibiam as diferenças neuronais que a equipe havia notado anteriormente e que a microglia era influenciada por essas diferenças em seu ambiente de crescimento. Por causa dessa mudança ambiental dependente de neurônios, a microglia tornou-se mais reativa a danos ou intrusos – uma descoberta que pode explicar a inflamação cerebral observada em alguns indivíduos com transtorno do espectro autista.

Como este foi um estudo preliminar com um pequeno tamanho de amostra, a equipe planeja examinar mais microglia de outras pessoas no futuro para verificar suas descobertas. Eles também pretendem expandir suas pesquisas para estudar outras doenças neurodegenerativas e de desenvolvimento para ver como a microglia está contribuindo para o aparecimento de doenças.

“Em vez de desconstruir o cérebro, decidimos construí-lo nós mesmos”, diz o co-primeiro autor Simon Schafer, ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Gage e agora professor assistente na Universidade Técnica de Munique. “Ao construir nosso próprio modelo cerebral, podemos trabalhar de baixo para cima e ver soluções que podem ser impossíveis de ver de cima para baixo. Estamos ansiosos para continuar melhorando nosso modelo e desvendar a relação entre o cérebro e o sistema imunológico”.

Outros autores incluem Monique Pena, Saeed Ghassemzadeh, Lisa Mitchell, Amanda Mar, Daphne Quang, Sarah Stumpf e Clara Baek do Salk Institute; Johannes CM Schlachetzki, Addison J. Lana e Christopher K. Glass da UC San Diego; Irene Santisteban da Universidade Técnica de Munique; e Raghad Zaghal da Universidade Hebraica de Jerusalém.

O trabalho foi apoiado pelo National Institutes of Health (R01 AG056306, R01 AG057706, R01 AG056511, R01 AG061060, R01 NS108034, U19 NS123719, NCI CCSG: P30; Allen Frontiers Group (concessão 014195PABHI30), a Fundação de Pesquisa do Cérebro e Comportamento (014195 e 19), a Fundação de Pesquisa Alemã (34610000), a Fundação de Pesquisa da Via Láctea, Annette C. Merle-Smith e a Fundação Robert e Mary Jane Engman, a Organização Europeia de Biologia Molecular (ALTF 27685-30421), Programa Human Frontier Science (LT500300695/1214), Conselho Europeu de Pesquisa, Fundação Chapman, Fundação JBP e Helmsley Charitable Trust.

DOI: 10.1016 / j.cell.2023.04.022