Novas tecnologias permitem mapear a atividade neural humana em redes inteiras

Uma equipe liderada por cientistas da Northwestern University e do Shirley Ryan AbilityLab desenvolveu uma nova tecnologia capaz de escutar os diálogos elétricos ocultos que se desenrolam dentro de tecidos humanos miniaturizados semelhantes ao cérebro, cultivados em laboratório. A estrutura eletrônica macia e tridimensional envolve um organoide como uma malha respirável e de alta tecnologia, oferecendo cobertura quase completa e conformada à forma, com centenas de eletrodos miniaturizados. O estudo foi publicado em 18 de fevereiro na revista Nature Biomedical Engineering.

Cientistas que estudam organoides neurais humanos só conseguiam registrar e estimular a atividade em regiões limitadas porque a eletrônica plana convencional não se adapta bem à estrutura tridimensional e esférica desses tecidos. Em vez de amostrar regiões selecionadas, a nova tecnologia fornece uma interface densa e tridimensional que permite mapear e manipular a atividade neural em quase todo o organoide.

"Organoides derivados de células-tronco humanas tornaram-se um foco importante da pesquisa biomédica porque permitem estudos específicos do paciente sobre como os tecidos respondem a medicamentos e terapias emergentes", disse um pioneiro em bioeletrônica que liderou o desenvolvimento do dispositivo. "Laboratórios na academia e na indústria vêm desenvolvendo esses construtos de tecido ao longo dos anos, e o National Institutes of Health (NIH) iniciou linhas de financiamento para acelerar o trabalho nessa direção. Um componente essencial que faltava é uma tecnologia de hardware capaz de investigar, estimular e manipular esses pequenos análogos de órgãos no corpo humano."

"Organoides neurais humanos são tecidos 3D vivos que contêm circuitos neurais ativos se comunicando por meio de sinais elétricos. No entanto, os instrumentos de última geração que usamos para estudá-los foram originalmente projetados para camadas planas de células e não fazem uma boa interface com organoides esféricos e tridimensionais", disse um pesquisador que liderou o desenvolvimento dos organoides. "Ao criar eletrônicos macios e ajustados à forma que se conformam à geometria do organoide, agora podemos registrar e estimular centenas de locais em sua superfície ao mesmo tempo. Isso nos permite estudar a atividade neural no nível de redes inteiras, em vez de sinais isolados."

Em uma abordagem complementar publicada em Neurobiology of Disease, pesquisadores do Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute, com colaboradores da University of California San Diego e da BioMarin Pharmaceutical, desenvolveram um modelo simplificado e escalável de células humanas para estudar como ritmos coordenados emergem e como respondem quando os neurônios são perturbados com compostos químicos.

A abordagem da equipe foi cultivar redes bidimensionais de neurônios humanos derivados de células-tronco pluripotentes induzidas (induced pluripotent stem cells, iPSCs). Os cientistas registraram a atividade dos neurônios ao longo do tempo usando matrizes multieletrodos, placas embutidas com pequenos sensores que podem monitorar muitas redes independentes em paralelo. Como as iPSCs podem ser geradas em laboratório a partir de células doadoras acessíveis, como de amostras de pele ou sangue, elas possibilitam produzir grandes quantidades de neurônios humanos tanto de indivíduos saudáveis quanto de pacientes.

À medida que essas redes 2D amadureciam, os pesquisadores observaram o surgimento de "oscilações aninhadas", ondas lentas com uma estrutura rítmica mais rápida sobreposta dentro delas. Essas oscilações foram observadas em faixas de frequência comumente vistas em registros cerebrais (delta, teta e alfa).

"Os resultados desses e de outros experimentos mostram que esse modelo simplificado de rede neuronal 2D captura características-chave da maturação de redes e nos dá a escala e o controle necessários para testes sistemáticos", disse o autor sênior e coautor correspondente do estudo, professor associado no Center for Therapeutics Discovery do Sanford Burnham Prebys e diretor de Biologia Celular no Conrad Prebys Center for Chemical Genomics.

O novo trabalho posiciona as redes 2D como complementares aos organoides cerebrais tridimensionais. Organoides, também produzidos a partir de iPSCs, podem recapitular aspectos da arquitetura tecidual, da diversidade celular e da atividade de rede que são difíceis de reproduzir em formatos 2D. Ao mesmo tempo, a complexidade dos organoides pode tornar certos experimentos mais difíceis de executar em escala, em particular estudos que exigem grande número de réplicas ou testes extensos de dose–resposta em muitas condições.

"Organoides são inestimáveis para modelar aspectos da organização cerebral", disse o autor sênior. "O que acrescentamos aqui é uma plataforma 2D complementar que enfatiza controle experimental e capacidade de processamento, atributos que podem ser especialmente úteis para padronização e testes sistemáticos na modelagem de doenças e na avaliação terapêutica em estágio inicial."

Um foco importante do estudo da equipe foi a sinalização inibitória mediada por GABA, um neurotransmissor produzido por neurônios GABAérgicos que ajuda a estabilizar e acalmar a atividade de rede. Por exemplo, esse sistema inibitório ajuda a promover o sono e prevenir convulsões.

A equipe constatou que os ritmos aninhados foram reduzidos quando a sinalização de GABA foi bloqueada com um fármaco antagonista do receptor GABA-A e que aumentar a proporção de neurônios GABAérgicos na rede fez com que esses ritmos surgissem mais cedo. As descobertas se alinham a evidências anteriores na área e sustentam estudos de acompanhamento sobre como a inibição mediada por GABA molda o surgimento e a maturação de oscilações em modelos baseados em iPSCs de doenças do neurodesenvolvimento e psiquiátricas.

Os pesquisadores também testaram fármacos que afetam canais de potássio. Essas proteínas ajudam a determinar a capacidade de um neurônio de gerar e transmitir sinais elétricos, o que é conhecido como excitabilidade neuronal. Os resultados sugeriram que diferentes perturbações de canais de potássio podem influenciar a organização rítmica de maneiras distintas, destacando que a excitabilidade não é um único ajuste que possa ser facilmente aumentado ou reduzido, e que mecanismos específicos podem ter assinaturas específicas em nível de rede.

Ao capturar atividade semelhante à do cérebro em redes inteiras e respostas a fármacos em modelos de tecido humano vivo, a tecnologia pode acelerar a pesquisa de doenças, os testes de terapias e o desenvolvimento de tratamentos neuroregenerativos de próxima geração. À medida que os organoides se tornam uma prioridade crescente para iniciativas do NIH e para o desenvolvimento de fármacos na indústria, esses avanços em tecnologia de registro e estimulação fornecem ferramentas críticas para desenvolver terapias eficazes para distúrbios cerebrais.