Corpo humano em chips

Os cientistas criaram modelos em miniatura (“organoides”) de coração, fígado e pulmão em microrreatores e os combinaram em um sistema integrado, o corpo-em-chip alimentado com fluido rico em nutrientes, imitando o sangue.

Olá querido leitor. Já faz um tempo que nós não conversamos sobre os avanços da Microfluídica & Engenharia Química. Para compensar esse longo tempo, hoje nós iremos ver como microrreatores e impressoras 3D, dois assuntos que nós gostamos bastante, podem reproduzir a resposta do corpo humano aos agentes químicos e biológicos prejudiciais e desenvolver possíveis tratamentos.

Uma equipe de cientistas do Instituto Wake Forest para Medicina Regenerativa, e outras nove outras instituições criaram miniaturas 3D de corações, pulmões e fígados humanos para conseguir testes mais realistas de como o corpo humano responde a novos medicamentos. O projeto “body-on-a-chip“, financiado pela Agência de Redução de Ameaças à Defesa, tem como objetivo ajudar a reduzir o custo estimado de 2 bilhões de dólares e a taxa de falência de 90% que as empresas farmacêuticas enfrentam ao desenvolver novos medicamentos. A pesquisa foi divulgada na revista Scientific Reports (DOI: 10.1038/s41598-017-08879-x), publicado pela Nature.

Usando a mesma experiência que eles empregaram para construir novos órgãos para pacientes (o leitor pode ler um texto do Exame Informática sobre impressão 3D de órgãos clicando aqui), os pesquisadores conectaram órgãos-em-chips de fígado, coração e pulmão (ou “organoides”) em uma única plataforma para monitorar esses órgãos. O coração e o fígado foram escolhidos para o sistema porque a toxicidade desses órgãos é uma das principais razões para a falha de potenciais remédios. E os pulmões foram selecionados porque são o ponto de entrada para partículas tóxicas e para aerossóis, como inaladores de asma.

O atual teste de medicamentos e o que muda com o novo sistema

Os compostos dos medicamentos são atualmente selecionados no laboratório usando células humanas e depois testados em animais. Mas esses métodos não replicam adequadamente como as drogas afetam os órgãos humanos. “Se você aplica um medicamento apenas nos fígados, por exemplo, você nunca verá um potencial efeito colateral nos outros órgãos”, explica o Prof. Aleks Skardal, autor principal do trabalho.

Em muitos casos, durante o teste de novos candidatos a medicamentos e às vezes mesmo depois que os medicamentos foram aprovados para uso, os medicamentos também têm efeitos tóxicos inesperados em tecidos não direcionados diretamente para eles, explicou o Prof. “Ao usar um sistema de órgão-em-chip multitecido, você pode identificar os efeitos colaterais tóxicos no início do processo de desenvolvimento de medicamentos, o que poderia salvar vidas e milhões de dólares”.

“Existe uma necessidade urgente de sistemas aprimorados para prever com precisão os efeitos de medicamentos, produtos químicos e agentes biológicos no corpo humano”, disse Anthony Atala, diretor de dados do instituto. “Os dados mostram uma resposta tóxica significativa ao medicamento, bem como a mitigação pelo tratamento, refletindo com precisão as respostas observadas em pacientes humanos”.

Triagem* avançada de medicamentos e medicina personalizada

Os cientistas testaram vários cenários para garantir que o sistema de corpo-em-chip imite uma resposta multiórgão. Por exemplo, eles introduziram um medicamento usado para tratar o câncer no sistema. Conhecida por causar cicatrizes nos pulmões, o medicamento também afetou inesperadamente o coração do sistema. (Um experimento de controle usando apenas o coração não conseguiu mostrar uma resposta.) Os cientistas teorizam que o medicamento causou a circulação de proteínas inflamatórias do pulmão em todo o sistema. Como resultado, o coração aumentou as batidas e, mais tarde, parou completamente, indicando um efeito colateral tóxico. “Isso foi completamente inesperado, mas é o tipo de efeito colateral que pode ser descoberto com este sistema no desenvolvimento de medicamentos”, observou Skardal.

Os cientistas agora estão trabalhando para aumentar a velocidade do sistema para triagem em larga escala e adicionar órgãos adicionais. “Eventualmente, esperamos demonstrar a utilidade de um sistema de corpo-em-chip contendo muitos dos principais órgãos funcionais do corpo humano”, disse Atala. “Este sistema tem o potencial de triagem avançado de medicamentos e também para ser usado em medicina personalizada, para ajudar a prever a resposta individual de um paciente ao tratamento”.

Como o sistema funciona?

Design geral e estratégia de implementação para o sistema de órgãos-em-chip de 3 tecidos usando uma variedade de abordagens de biofabricação. (Crédito: Aleksander Skardal et al./Scientific Reports)

O sistema de órgãos-em-chip de 3 tecidos combina orgãos de fígado, coração e pulmão. Na parte de cima da figura os módulos de fígado e cardíaco são criados por bioimpressão de organoides esféricos usando biotintas personalizadas, resultando em construções de hidrogel 3D (superior esquerda da figura) que são colocados nos microrreatores. No estudo os cientistas utilizaram microdispositivos fabricados por montagem de componentes de polidimetilsiloxano (PDMS) formados por litografia macia (para mais informações desse processo clique aqui). Os microrreatores consistiram em blocos de PDMS para guiar o fluxo, que são mantidos fixos em cima e em baixo por pinças de PMMA (acrílico).

Na parte de baixo da figura os módulos de pulmão são formados criando camadas de células sobre membranas porosas dentro de dispositivos microfluídicos. Os eletrodos de resistência elétrica transendotelial personalizados (TEER) foram integrados ao microdispositivo para monitoramento da função de barreira tissular (tecido) ao longo do tempo.

Os três organoides são colocados em um sistema selado e monitorado com uma câmera em tempo real. Um líquido cheio de nutrientes que circula pelo sistema mantém os organoides vivos e é usado para introduzir potenciais medicamentos no sistema.

Fígado em um chip: Resposta no chip ao paracetamol, contramedida de Acetilcisteína. (Crédito: Aleksander Skardal et al./Scientific Reports)

Um teste realizado pelos cientistas foi observar a resposta do fígado em um chip a dois medicamentos para demonstrar a relevância clínica. A resposta à toxicidade do fígado foi avaliada após a exposição ao paracetamol (APAP) e à contramedida Acetilcisteína (NAC).

Na parte (b), à esquerda é apresentado o chip contendo o órgão de figado sem nenhum fármaco. Na (c), concentração de fármaco de 1mM e na parte (d) concentração de APAP de 10 mM. Essas figuras mostram perda progressiva de função e morte celular, em comparação com APAP 10 mM + 20 mM NAC (e), que atenuou esses efeitos negativos.

Os dados mostram uma resposta citotóxica significativa (danos celulares) em resposta a atuação do APAP, bem como sua mitigação pelo tratamento com NAC, refletindo com precisão as respostas clínicas observadas em pacientes humanos.

Até semana que vem querido leitor!

Fonte: Wake Forest e Kurzweil.

* Segundo o Wikipédia, Triagem é o processo pelo qual se determina a prioridade do tratamento de pacientes com base na gravidade do seu estado.

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