Fileiras de frascos com fluido nutritivo avermelhado, dos quais tubos conduzem a pequenas bombas, além de medidores, recipientes com solução nutritiva e placas de plástico transparente com reentrâncias redondas. Cada uma das plaquetas (“chip”) tem aproximadamente o tamanho de uma lâmina de microscópio. O que parece ser uma fábrica bioquímica em pequena escala é uma configuração experimental para o cultivo e pesquisa de tecido ósseo, conhecido como “osso em um chip”.
As células ósseas, que são abastecidas com alimento líquido e oxigênio, são mantidas em poços no chip plástico, chamados de câmaras de cultura. Aqui, eles são cuidadosamente monitorados, mantidos a uma temperatura adequada e fornecidos precisamente nas condições a que também estão expostos em humanos.
Um osso em um chip? Como isso se encaixa? E qual é o propósito de tudo isso? Estamos no laboratório do engenheiro de biotecnologia Dr. Frank Schulze no Centro Alemão para a Proteção de Animais de Laboratório, que faz parte do BfR (Instituto Federal de Avaliação de Risco) em Berlin-Marienfelde. O modelo ósseo em miniatura de Schulze foi concebido e construído por ele e sua equipe. O chip que eles projetaram é fabricado por uma empresa especializada em Jena, enquanto a equipe produzia outras partes do próprio sistema com o auxílio de uma impressora 3D. No entanto, a tecnologia para o cultivo de pequenos órgãos - sejam ossos, fígado, cérebro ou rins - é um novo território que precisa ser remendado.
Nenhuma omoplata feita sob encomenda
No entanto, é preciso dizer adeus à ideia de que uma pequena omoplata ou cóccix está crescendo em um chip semicondutor aqui. A ideia de que em breve você será capaz de fazer crescer um órgão inteiro - de qualquer tamanho - é utópica. Um órgão no chip pode apenas imitar a estrutura e a função do original em uma extensão muito limitada. É por isso que também é chamado de organoide, o que significa uma estrutura semelhante a um órgão.
Ainda assim, esses modelos representam um grande passo à frente. Enquanto as células em uma cultura de células convencional formam um gramado plano na placa de Petri e, portanto, permanecem bidimensionais, o organoide é uma estrutura espacial tridimensional. A pesquisa está florescendo em todo o mundo, incluindo em organóides ósseos. Ossos no chip - também soa como se eletrônicos e vida, células e semicondutores estivessem conectados aqui. Não é assim.
Cultura de baixo germe: as células são monitoradas e cultivadas por Frank Schulze e sua equipe em uma bancada estéril. Foto: BfR / Norman Ertych
Afinal, não é um chip de silício, mas um chip de plástico. Este design torna mais fácil simular e estudar os processos vitais no órgão.
O modelo ósseo de Frank Schulze trata da adaptação do suprimento de oxigênio às condições naturais. Além disso, as células são expostas a uma carga mecânica fixa, como é o caso na natureza. Também na vida real, os ossos estão “sob pressão” e sob tensão.
O tecido ósseo está muito vivo. É bem suprido de sangue, tem nervos e tem uma variedade de tarefas. É assim que o osso permite o movimento. Protege os órgãos internos, faz parte do metabolismo mineral e é o local da formação do sangue. O material ósseo antigo é constantemente decomposto e novo material é acumulado.
Células doadoras da medula óssea
Fornecimento de filigrana: células formadoras de osso no recesso redondo do chip de plástico recebem oxigênio e solução nutritiva por meio de um sistema de linha fina. Foto: BfR / Norman Ertych
Existem vários tipos de células que podem ser cultivadas em organóides ósseos. As “lascas de ossos” de Frank Schulze são colonizadas por osteoblastos. Sua tarefa é formar o osteóide - a substância básica macia para novos ossos - e depois mineralizá-lo, ou seja, endurecê-lo.
A equipe de Schulze obtém as células de um hospital de Berlim. Eles vêm de doadores que tiveram a medula óssea removida durante a cirurgia. Estes são osteoblastos adultos que se dividem apenas em uma extensão limitada e têm uma vida útil limitada. “Por causa dos diferentes doadores, temos uma grande variedade genética e realismo”, explica Schulze.
A equipe está trabalhando para manter as células vivas pelo maior tempo possível em condições realistas. O controle preciso do conteúdo de oxigênio é importante. Para aprimorar o modelo, muitos “artesanatos” são necessários. “Como engenheiro, adoro isso”, diz Schulze. "É um desafio atraente combinar tecnologia e biologia."
O osso desaparece no espaço
O princípio dos sistemas organoides é simplificar o complicado, imitar as muitas funções de um órgão em um sistema simples. Schulze está interessado, por exemplo, em como um osso reage ao estresse mecânico. Em geral, o treinamento promove a formação óssea, chamada osteogênese - mas não na ausência de peso. Apesar do treinamento, os ossos dos astronautas se quebram. O chip ósseo pode ajudar a compreender esses processos.
Schulze vê futuros usos potenciais para o sistema em testes de substâncias químicas ou drogas potenciais. Outro problema é a abrasão de implantes, como as articulações artificiais do quadril, que reagem com o tecido e podem levar ao afrouxamento do implante. “Se o chip funcionar como o esperado, podemos começar com os primeiros testes da substância este ano”, diz o pesquisador. "Esperamos oferecer uma alternativa cientificamente significativa aos experimentos com animais com essa abordagem."
A vantagem dos organóides é que eles consistem em células humanas e, portanto, estão mais próximos da realidade do organismo. Não há dúvida de que grandes tarefas aguardam os ossinhos.
Este artigo foi publicado pela primeira vez na revista científica do Instituto Federal de Avaliação de Riscos “BfR2GO” (edição 1/2021).
Saber mais:
Schulze, F., MR Schneider. 2019. Esperança ou farsa? Organ-on-a-chip na pesquisa biomédica e como alternativa aos experimentos com animais. Deutsches Tierärzteblatt (10) 67: 1.402-1.405
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