Dos ligamentos aos corações: o novo molde 3D que recria o tecido humano com precisão sem precedentes
Dos ligamentos aos corações: o novo molde 3D que recria o tecido humano com precisão sem precedentes
Um dispositivo 3D do tamanho de uma unha permite recriar tecidos complexos para estudar doenças como fibrose, câncer e distúrbios musculoesqueléticos.
Um novo dispositivo 3D permite a criação de tecidos humanos complexos para o estudo de doenças em laboratório. Fonte: Universidade de Washington / DALL-E (composição ERR).
Recriar o comportamento de tecidos humanos em laboratório é um dos grandes desafios da ciência biomédica. Entender como um coração doente se contrai , como um ligamento interage com o osso ou como a fibrose se espalha requer sistemas que imitem o que acontece no corpo. Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Washington desenvolveu um dispositivo impresso em 3D que permite modelar tecidos complexos com precisão sem precedentes.
O dispositivo, chamado STOMP (Suspended Tissue Open Microfluidic Patterning), é pequeno, mas poderoso. Tem o tamanho de uma unha, mas seu impacto potencial é enorme: pode revolucionar a engenharia de tecidos, permitindo o estudo de diferentes tipos de células e seu comportamento em regiões específicas do tecido, como ocorre em doenças da vida real.
Ao contrário de outros métodos que permitem a observação de apenas um tipo de célula por experimento, o STOMP oferece a capacidade de reproduzir múltiplas regiões dentro de um único tecido , imitando com mais fidelidade a complexidade dos órgãos humanos. Essa capacidade é fundamental para o estudo de doenças em que tecidos saudáveis e danificados coexistem, como na fibrose cardíaca ou em distúrbios musculoesqueléticos .
Além disso, ao permitir o controle em nível milimétrico sobre a distribuição celular, o dispositivo abre novos caminhos para o desenvolvimento de terapias personalizadas e melhor compreensão dos processos biológicos em ambientes tridimensionais.
Este é o STOMP, o dispositivo do tamanho da ponta do dedo que está revolucionando a engenharia de tecidos humanos. Fonte: Universidade de Washington
Um sistema que funciona como um molde de gelatina
O STOMP baseia-se em uma versão avançada do método de "moldagem" de tecidos. Semelhante à produção de geleia de frutas, os cientistas misturam células com materiais sintéticos e as colocam em uma pequena estrutura. Lá, a ação capilar distribui os componentes com precisão, de forma semelhante à distribuição de pedaços de frutas em uma geleia.
Essa distribuição precisa permite a criação de regiões distintas dentro do mesmo tecido. Por exemplo, regiões de tecido saudável podem ser geradas ao lado de áreas com células doentes , simulando realisticamente o que ocorre em patologias como a fibrose cardíaca. Isso abre novas possibilidades para o estudo de sinais celulares, interações entre tipos celulares e respostas a tratamentos.
Outra vantagem fundamental do sistema é a capacidade de gerar esses padrões sem a necessidade de equipamentos complexos ou caros. O STOMP utiliza um canal microfluídico aberto com geometrias especialmente projetadas que orientam a distribuição celular por meio de fenômenos físicos naturais.
Graças a essa simplicidade operacional, o dispositivo pode ser facilmente adotado por outros laboratórios, facilitando a expansão de modelos 3D mais realistas em estudos de doenças complexas ou em pesquisas básicas de engenharia de tecidos.
Ciência
É assim que um coração é formado, célula por célula, ao vivo: cientistas registram em vídeo do zero.
Um sistema que funciona como um molde de gelatina
O STOMP baseia-se em uma versão avançada do método de "moldagem" de tecidos. Semelhante à produção de geleia de frutas, os cientistas misturam células com materiais sintéticos e as colocam em uma pequena estrutura. Lá, a ação capilar distribui os componentes com precisão, de forma semelhante à distribuição de pedaços de frutas em uma geleia.
Essa distribuição precisa permite a criação de regiões distintas dentro do mesmo tecido. Por exemplo, regiões de tecido saudável podem ser geradas ao lado de áreas com células doentes , simulando realisticamente o que ocorre em patologias como a fibrose cardíaca. Isso abre novas possibilidades para o estudo de sinais celulares, interações entre tipos celulares e respostas a tratamentos.
Outra vantagem fundamental do sistema é a capacidade de gerar esses padrões sem a necessidade de equipamentos complexos ou caros. O STOMP utiliza um canal microfluídico aberto com geometrias especialmente projetadas que orientam a distribuição celular por meio de fenômenos físicos naturais.
Graças a essa simplicidade operacional, o dispositivo pode ser facilmente adotado por outros laboratórios, facilitando a expansão de modelos 3D mais realistas em estudos de doenças complexas ou em pesquisas básicas de engenharia de tecidos.
Ciência
É assim que um coração é formado, célula por célula, ao vivo: cientistas registram em vídeo do zero.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Reproduzindo um ligamento e um coração doente
O dispositivo permite o estudo de interações teciduais que antes eram difíceis de modelar, como as conexões entre tecido conjuntivo, nervos e músculos. Isso tem implicações para doenças neuromusculares, câncer e fibrose, onde a arquitetura do tecido é fundamental para a compreensão da progressão dos danos.
A equipe de pesquisa testou o dispositivo em duas aplicações biomédicas altamente relevantes . Em um modelo, eles conseguiram recriar o ligamento periodontal , uma estrutura que conecta o dente ao maxilar. Essa área requer uma transição precisa entre diferentes tipos de células e tecidos, algo difícil de ser alcançado em modelos convencionais.
No segundo experimento, eles construíram tecido cardíaco artificial , tanto saudável quanto doente, para comparar seus padrões de contração. Graças ao design do dispositivo, eles conseguiram observar com precisão as diferenças na força e na dinâmica dos batimentos cardíacos, validando sua utilidade para o estudo de doenças cardiovasculares.
A capacidade de reproduzir gradientes de células ou áreas específicas afetadas permite a criação de modelos experimentais realistas. Esses modelos podem ser usados para testar medicamentos ou entender como uma doença se espalha pelos tecidos.
Diagrama do funcionamento do STOMP, o dispositivo que permite a criação de tecidos suspensos com uma ou mais regiões.
(a) Imagem do dispositivo STOMP com seu canal aberto e postes de ancoragem verticais.
(b) O hidrogel com células é introduzido no canal e distribuído por capilaridade até ficar suspenso.
(c) Vista lateral do tecido em uma placa de cultura.
(d) Exemplo de um tecido homogêneo e
(e) detalhe do sistema que interrompe o fluxo do gel.
(f) Imagem fluorescente de células de camundongo coradas em verde e magenta, organizadas em regiões distintas.
(g) Padrão de três zonas usando agarose corada em roxo e amarelo.
(h) Vista lateral do tecido multirregional resultante.
Escalas: 500 µm (f), 2 mm (g, h). Fonte: Advanced Science.
Aplicações para modelagem de doenças humanas complexas
Além do controle espacial, a tecnologia incorpora uma inovação fundamental: paredes laterais feitas de hidrogel degradável. Esses materiais, desenvolvidos pelo grupo do Professor Cole DeForest, permitem que a estrutura do dispositivo seja removida sem danificar o tecido suspenso .
Isso permite que os pesquisadores extraiam tecido intacto e o analisem usando outras técnicas, como microscopia de alta resolução ou estudos moleculares . Essa propriedade expande significativamente os usos potenciais do STOMP em pesquisas biomédicas avançadas.
"Normalmente, quando você coloca células em um gel 3D, elas usam suas próprias forças contráteis para unir tudo, fazendo com que o tecido se encolha e se afaste das paredes do molde", disse Nathan J. Sniadecki, do Instituto de Células-Tronco e Medicina Regenerativa da Universidade de Washington.
"Mas nem todas as células são superfortes, e nem todos os biomateriais podem ser remodelados dessa forma. Então, esse tipo de antiaderência nos deu mais versatilidade."
A capacidade de remover a estrutura sem comprometer a integridade do modelo também favorece seu uso em ensaios farmacológicos . Os tecidos gerados com o STOMP podem ser expostos a medicamentos ou terapias genéticas e, em seguida, facilmente removidos para avaliação detalhada dos efeitos, sem a interferência frequentemente introduzida por outros sistemas de cultura. Isso torna o dispositivo uma ferramenta versátil para diversas disciplinas científicas.
Um design simples que pode ser facilmente adotado
Uma de suas maiores conquistas é a facilidade de uso. Não requer maquinário complexo, pois funciona por capilaridade, e pode ser incorporado a sistemas existentes. O dispositivo se acopla a um sistema de hastes já utilizado para medir a força de contração das células cardíacas.
Isso o torna uma ferramenta acessível para muitos laboratórios de pesquisa. Seu baixo custo, design simples e grande versatilidade podem acelerar a adoção de modelos tridimensionais de tecidos em pesquisas biomédicas.
O desenvolvimento foi possível graças à colaboração entre químicos, bioengenheiros, dentistas e especialistas em medicina regenerativa. O projeto demonstrou o valor da ciência interdisciplinar na resolução de problemas complexos.
Os autores acreditam que o dispositivo pode ser fundamental para estudar o comportamento celular e a regeneração de tecidos. Também pode ser usado em estudos de sinalização, desenvolvimento embrionário ou pesquisa personalizada de medicamentos.
Aplicações para modelagem de doenças humanas complexas
Além do controle espacial, a tecnologia incorpora uma inovação fundamental: paredes laterais feitas de hidrogel degradável. Esses materiais, desenvolvidos pelo grupo do Professor Cole DeForest, permitem que a estrutura do dispositivo seja removida sem danificar o tecido suspenso .
Isso permite que os pesquisadores extraiam tecido intacto e o analisem usando outras técnicas, como microscopia de alta resolução ou estudos moleculares . Essa propriedade expande significativamente os usos potenciais do STOMP em pesquisas biomédicas avançadas.
"Normalmente, quando você coloca células em um gel 3D, elas usam suas próprias forças contráteis para unir tudo, fazendo com que o tecido se encolha e se afaste das paredes do molde", disse Nathan J. Sniadecki, do Instituto de Células-Tronco e Medicina Regenerativa da Universidade de Washington.
"Mas nem todas as células são superfortes, e nem todos os biomateriais podem ser remodelados dessa forma. Então, esse tipo de antiaderência nos deu mais versatilidade."
A capacidade de remover a estrutura sem comprometer a integridade do modelo também favorece seu uso em ensaios farmacológicos . Os tecidos gerados com o STOMP podem ser expostos a medicamentos ou terapias genéticas e, em seguida, facilmente removidos para avaliação detalhada dos efeitos, sem a interferência frequentemente introduzida por outros sistemas de cultura. Isso torna o dispositivo uma ferramenta versátil para diversas disciplinas científicas.
Um design simples que pode ser facilmente adotado
Uma de suas maiores conquistas é a facilidade de uso. Não requer maquinário complexo, pois funciona por capilaridade, e pode ser incorporado a sistemas existentes. O dispositivo se acopla a um sistema de hastes já utilizado para medir a força de contração das células cardíacas.
Isso o torna uma ferramenta acessível para muitos laboratórios de pesquisa. Seu baixo custo, design simples e grande versatilidade podem acelerar a adoção de modelos tridimensionais de tecidos em pesquisas biomédicas.
O desenvolvimento foi possível graças à colaboração entre químicos, bioengenheiros, dentistas e especialistas em medicina regenerativa. O projeto demonstrou o valor da ciência interdisciplinar na resolução de problemas complexos.
Os autores acreditam que o dispositivo pode ser fundamental para estudar o comportamento celular e a regeneração de tecidos. Também pode ser usado em estudos de sinalização, desenvolvimento embrionário ou pesquisa personalizada de medicamentos.
Uma microestrutura inspirada em gelatina transforma a pesquisa biomédica em laboratório. Ilustração artística: DALL-E / ERR.
Uma ferramenta para o futuro da medicina personalizada
A capacidade de reproduzir ambientes celulares complexos permitirá a criação de modelos de doenças personalizados a partir de células de pacientes . Isso abre caminho para terapias personalizadas, avaliadas em modelos realistas sem o uso de animais.
Este é um exemplo de como a impressão 3D e a microfluídica se combinam para resolver problemas biomédicos do mundo real. Seu design compacto, acessível e versátil pode tornar a modelagem de tecidos humanos complexos tão simples quanto a fabricação de gelatina, mas com um enorme impacto na medicina do futuro.
"Este método abre novas possibilidades para a engenharia de tecidos e a pesquisa em sinalização celular", disse ele. "Foi um verdadeiro esforço conjunto de vários grupos trabalhando em todas as disciplinas", disse Ashleigh B. Theberge, do Departamento de Química da Universidade de Washington.
Uma ferramenta para o futuro da medicina personalizada
A capacidade de reproduzir ambientes celulares complexos permitirá a criação de modelos de doenças personalizados a partir de células de pacientes . Isso abre caminho para terapias personalizadas, avaliadas em modelos realistas sem o uso de animais.
Este é um exemplo de como a impressão 3D e a microfluídica se combinam para resolver problemas biomédicos do mundo real. Seu design compacto, acessível e versátil pode tornar a modelagem de tecidos humanos complexos tão simples quanto a fabricação de gelatina, mas com um enorme impacto na medicina do futuro.
"Este método abre novas possibilidades para a engenharia de tecidos e a pesquisa em sinalização celular", disse ele. "Foi um verdadeiro esforço conjunto de vários grupos trabalhando em todas as disciplinas", disse Ashleigh B. Theberge, do Departamento de Química da Universidade de Washington.