Cientistas cultivam o primeiro tecido cerebral totalmente sintético

Equipe da UC Riverside constrói um tecido semelhante ao cérebro sem ingredientes de origem animal

Em um desenvolvimento que pode remodelar a forma como os laboratórios estudam o cérebro, pesquisadores da University of California, Riverside, relatam ter cultivado um tecido funcional semelhante ao cérebro em um suporte (scaffold) feito inteiramente de materiais sintéticos. O trabalho substitui os revestimentos derivados de animais e extratos de matriz extracelular comumente usados por um polímero quimicamente neutro, cuja arquitetura física, por si só, guia as células de doadores humanos para formar redes neurais. Essa abordagem visa tornar os testes neurológicos mais controláveis, mais duradouros e menos dependentes de modelos animais.

Como o suporte é fabricado

A equipe construiu seu suporte a partir de polietilenoglicol (PEG), um polímero biocompatível amplamente utilizado que é normalmente inerte à adesão celular. Em vez de adicionar ligantes biológicos como laminina ou fibrina — suplementos padrão que são frequentemente obtidos de tecidos animais — os pesquisadores remodelaram o PEG em um labirinto poroso interconectado e altamente texturizado. As células semeadas nos poros conseguem acessar oxigênio e nutrientes e, crucialmente, se organizar em aglomerados semelhantes ao cérebro que se comunicam eletricamente quando maduros.

Para criar essa microarquitetura porosa, o grupo utilizou uma etapa de fabricação baseada em fluxo: soluções de água, etanol e PEG foram bombeadas através de capilares de vidro encaixados, de modo que a mistura sofresse separação de fases ao entrar em contato com um fluxo de água externo. Um pulso de luz então fixou a estrutura separada no lugar, produzindo um suporte estável e altamente poroso que pode ser semeado com células neurais de doadores. É a essa estrutura física controlada que os pesquisadores dizem que as células respondem, em vez de revestimentos biológicos.

Por que a via sintética é importante

A maioria das plataformas atuais de cultura neural tridimensional depende de extratos biológicos — por exemplo, preparações de membrana basal — que são quimicamente complexos, variáveis entre lotes e frequentemente derivados de fontes animais. Essas variáveis tornam os experimentos mais difíceis de reproduzir e complicam os esforços para traduzir as descobertas para a medicina humana. Em contraste, o PEG é quimicamente bem definido e não imunogênico, portanto, suportes construídos a partir dele podem ser fabricados com composição e propriedades mecânicas consistentes, e não requerem suplementos de origem animal para apoiar o crescimento celular quando a microarquitetura é otimizada adequadamente. Essas propriedades materiais tornaram os hidrogéis de PEG uma ferramenta fundamental na engenharia de tecidos neurais por anos; o novo trabalho demonstra uma rota para tornar o PEG não apenas permissivo, mas instrutivo para a organização neural, adaptando sua geometria interna.

Onde isso se encaixa com outros modelos cerebrais

Nos últimos anos, laboratórios impulsionaram as tecnologias de organoides e assembloides — aglomerados automontados de neurônios derivados de células-tronco humanas que podem modelar aspectos de regiões e vias cerebrais — a uma fidelidade notável, incluindo a reprodução de circuitos que transmitem sinais sensoriais. Esses sistemas dependem de pistas bioquímicas e da auto-organização celular fornecida por matrizes biológicas e protocolos complexos. O suporte da UC Riverside é complementar: em vez de depender da complexidade biológica, ele oferece uma plataforma fisicamente definida que pode melhorar a reprodutibilidade e a longevidade para experimentos que necessitam de redes estáveis e específicas do doador. Juntas, essas abordagens oferecem aos pesquisadores diferentes equilíbrios entre realismo biológico, controle experimental e preocupações éticas sobre o uso de animais.

Aplicações potenciais e vantagens

Os pesquisadores destacam vários usos a curto prazo: modelagem da mecânica de lesões cerebrais traumáticas e acidentes vasculares cerebrais, estudo de processos de doenças como o Alzheimer em células específicas de doadores e triagem de medicamentos neuroativos sem tecido animal. Como o suporte sintético é estacionário e menos propenso à degradação bioquímica, ele pode suportar experimentos mais longos que permitem a maturação das células neurais — um requisito fundamental, já que muitas características de doenças neurológicas surgem apenas em neurônios maduros. A equipe também vê isso como um primeiro passo para a montagem de redes de diferentes modelos de órgãos, para que os cientistas possam estudar as interações entre o cérebro e outros tecidos de forma controlada.

Limites e o caminho para a escala

Os suportes atuais são pequenos — aproximadamente dois milímetros de largura — e os pesquisadores reconhecem vários desafios de engenharia antes que a abordagem possa substituir modelos maiores ou mais complexos. O principal deles é a perfusão: construções de tecidos maiores precisam de vasculatura integrada ou canais sintéticos eficientes para fornecer oxigênio e remover resíduos. O projeto e a fabricação de redes vasculares que possam sustentar tecidos em escala de órgãos, e a conexão dessas redes à matriz cerebral sintética, continuam sendo áreas ativas de pesquisa. Também existem questões sobre como as interações imunológicas, a fisiologia da barreira hematoencefálica e outras influências sistêmicas podem ser modeladas em um suporte inteiramente sintético.

Ética, regulamentação e a promessa de menos animais

Além da reprodutibilidade experimental, o suporte sintético aborda pressões éticas e regulatórias para reduzir os testes em animais. Agências reguladoras e financiadores em várias jurisdições estão incentivando o desenvolvimento de sistemas de teste não animais para segurança e eficácia de medicamentos, e plataformas sintéticas definidas poderiam acelerar essa transição ao oferecer ambientes de teste repetíveis e relevantes para humanos. Ainda assim, os reguladores esperarão uma validação cuidadosa mostrando que as respostas no modelo sintético prevêem resultados em humanos, e isso levará tempo e replicação entre laboratórios.

O que observar a seguir

• Escalonamento — demonstrações de construções maiores e sistemas integrados de vasculatura sintética ou perfusão.
• Validação funcional — estudos de eletrofisiologia e resposta a medicamentos que mostrem um comportamento previsível e específico do doador, relevante para a doença.
• Comparações entre plataformas — testes diretos comparando suportes sintéticos, organoides e modelos animais para o mesmo medicamento ou insulto.
• Engajamento regulatório — conversas iniciais com agências para definir como os tecidos sintéticos poderiam ser usados em fluxos de trabalho pré-clínicos.

A equipe da UC Riverside iniciou o projeto em 2020 e conta com o apoio financeiro de fundos internos de startup e subsídios estaduais para medicina regenerativa. O conceito do suporte já levou o grupo a enviar trabalhos relacionados sobre tecido hepático sintético, e eles continuam a buscar estratégias para conectar culturas em nível de órgãos em sistemas de interação. Se essas próximas etapas forem bem-sucedidas, a abordagem poderá fornecer aos pesquisadores uma nova classe de modelos de tecido escalonáveis e centrados no ser humano para a neurociência e a descoberta de medicamentos.

James Lawson é repórter investigativo de ciência e tecnologia da Dark Matter. Ele possui mestrado em Comunicação Científica e bacharelado em Física pela University College London, e cobre avanços em IA, espaço e tecnologias quânticas.