Pesquisadores e empreendedores estão estudando o SARS-CoV-2 , o coronavírus responsável pela pandemia de COVID-19. Esses estudos envolvem diferentes métodos de cultivo celular e métodos computacionais. Esses esforços são fundamentais para gerar um conhecimento mais sólido e pacificar os efeitos dessa emergência global, bem como produzir dados para apoiar novas ferramentas de diagnóstico, tratamentos e vacinas.
Figura 1. Representação esquemática dos tecidos epiteliais com sua arquitetura 3D nativa, culturas de células 2D convencionais e novas abordagens de cultura de células 3D. Figura modificada de Torras et al. Biomimetic Epithelial Tissue Culture Models, 2018.
A bioimpressão 3D pode ajudar dando suporte essencial para sua pesquisa e no desenvolvimento de novas drogas, evitando o uso de animais.
Os tecidos epiteliais são compostos de camadas de células firmemente conectadas, moldadas em estruturas tridimensionais complexas (3D), como cistos, alvéolos, túbulos ou invaginações. Essas estruturas 3D complexas são importantes para funções específicas de órgãos e geralmente criam gradientes bioquímicos que orientam o posicionamento e a compartimentação das células dentro do órgão.
Uma das principais funções dos epitélios é atuar como barreiras físicas que protegem os tecidos subjacentes de insultos externos.
In vitro, as barreiras epiteliais são geralmente mimetizadas por modelos muito simplificados com base em linhagens celulares cultivadas em monocamadas - em superfícies planas.
Embora úteis para responder a certas perguntas, esses modelos não podem recapturar completamente a fisiologia dos órgãos e geralmente produzem previsões ruins.
Para avançar ainda mais na pesquisa básica e translacional, modelagem de doenças, descoberta de medicamentos e medicina regenerativa, é essencial avançar no desenvolvimento de novos modelos preditivos in vitro de tecidos epiteliais capazes de representar as estruturas e a funcionalidade do órgão com mais precisão.
Técnicas 3D podem ser combinadas com métodos de cultivo celular para ajudar a fornecer testes de drogas altamente preditivos para condições específicas do paciente, como tecidos acometidos com doenças causadas por vírus.
Com o advento da impressão 3D na medicina, modelos bioimpressos 3D de tecidos epiteliais podem ajudar a simular esse microambiente diferenciado, depositando precisamente as células e proteínas, tornando uma técnica mais otimizada para os estudos in vitro.
Resumo sobre os principais métodos de cultivo celular:
Os modelos de cultura de células 2D, onde as células geralmente crescem em monocamadas, em substratos planos, as células nos sistemas de cultura 3D se organizam como agregados 3D, empregando uma matriz como suporte físico ou encapsuladas em hidrogéis. As matrizes comumente usadas incluem hidrogéis de origem biológica e sintética, como Matrigel, colágeno, gelatina, ácido hialurônico, polietileno glicol, entre muitos outros. Com base no tipo de célula e sua organização celular, atualmente existem dois tipos de modelos de cultura de células auto-organizados em 3D: modelos esferóides e organoides.
Figura 2. Evolução dos modelos de cultura de células, de modelos bidimensionais simples a complexos tridimensionais complexos. Atualmente, a bioimpressão 3D é a técnica mais sofisticada usada para fazer construções de tecidos / órgãos. Fonte da imagem: Charbe N et al . 3D bio-printing in oncology research. 2017
Os esferóides não precisam de uma matriz de suporte para crescer e são agregados celulares dispostos de maneira mais irregular, com uma organização bastante preliminar de tecido relevante. Além disso, eles possuem um aumento significativo na expressão de proteínas de adesão. É importante salientar que devido à sua sólida morfologia esférica, o oxigênio e os nutrientes diminuem em direção ao centro, diminuindo a viabilidade celular das camadas celulares externas para seus núcleos hipóxicos e necróticos (Lin e Chang, 2008)
Os organoides, por outro lado, se originam de células-tronco, que dão origem a diferentes tipos de células específicas de órgãos e garantem as altas capacidades de auto-renovação da cultura. Os organoides requerem uma matriz para crescer e possuem um conjunto mais ordenado que recapitula algumas estruturas e funções de tecidos complexos. Ambos os modelos 3D ganharam popularidade recente como novas ferramentas in vitro para testes de drogas, modelagem de doenças e engenharia de tecidos.
Além de sua natureza 3D, os métodos para gerar esferóides ou organoides são simples, econômicos, altamente reprodutível e adaptável, o que favoreceu seu uso como modelos in vitro na acadêmia e na indústria farmacêutica. Saiba mais!
A bioimpressão 3D de modelos de tecidos e órgãos é um campo em desenvolvimento no qual vários resultados inovadores foram obtidos nos últimos anos. As reconstruções de tecidos bioimpressos em 3D estão sendo preparadas não apenas para o transplante de órgãos sólidos, mas também para uso no processo de descoberta de medicamentos. Agora é possível fabricar tecidos e modelos de tumores mais realistas com a ajuda de várias técnicas de bioimpressão 3D. A extrapolação dos resultados obtidos a partir da cultura de células e modelos animais não é confiável devido às diferenças existentes entre espécies. Este desafio da diferença de espécies poderia ser superado imprimindo os tecidos e órgãos 3D das células humanas.
A cultura da interface ar-líquido (ALI) das células epiteliais primárias das vias aéreas é um sistema modelo adequado para o estudo de infecções respiratórias in vitro. Agora, com o uso da bioimpressão, esses modelos in vitro podem se tornar mais otimizados e responder questões valiosas do sistema biológico de um tecido comprometido.
Com novos métodos de cultivo 3D, novas oportunidades se abrem para ajudar a acelerar terapias potenciais para o novo coronavírus ao mercado.
A empresa Viscient Biosciences - https://www.viscientbiosciences.com/ - iniciará a bioimpressão do tecido pulmonar 3D para ajudar na pesquisa pandêmica, e consequentemente, pausará a tentativa de fusão com a empresa Organovo.
A Viscient é uma empresa focada no uso da tecnologia de bioimpressão 3D para substituir o uso de modelos animais na pesquisa farmacêutica e fornecer modelos mais precisos de doenças humanas. A empresa prevê um mundo onde os custos com medicamentos podem ser reduzidos devido a modelagens mais precisas de doenças que podem acelerar a descoberta de medicamentos e a pesquisa pré-clínica.
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