Organóides cerebrais para descobrir os mistérios genéticos do autismo



O uso de organoides cerebrais, que são desenvolvidos em laboratório a partir de células-tronco pluripotentes humanas (aquelas capazes de se transformar em qualquer tipo de tecido do corpo humano), abre novos horizontes para o estudo de diversos distúrbios e doenças que afetam o cérebro humano.

Utilizando modelos à escala do cérebro humano, bioinformática e inteligência artificial, investigadores austríacos e suíços desenvolveram um sistema para identificar tipos de células vulneráveis ​​e redes reguladoras genéticas que podem estar subjacentes às perturbações do espectro do autismo.

Investigadores do Instituto de Biotecnologia Molecular (IMBA), da Academia Austríaca de Ciências, e da ETH Zurique (Suíça) desenvolveram um método que permite testar exaustivamente, em paralelo e a nível unicelular, a influência de múltiplos factores. . Mutações associadas ao transtorno do espectro do autismo (TEA) nos organoides do cérebro humano. Os resultados do trabalho são publicados hoje na revista Nature.

O biólogo molecular Jürgen Knoblich, IMBA, e coautor deste trabalho, é um dos líderes mundiais no desenvolvimento deste tipo de organismo. Como ele disse ao SINC, seu grupo trabalha com eles há mais de uma década. “Eles são uma ótima alternativa aos modelos animais e são particularmente adequados para imitar os processos que ocorrem em humanos, mas não na maioria dos animais.”

Organoides são uma ótima alternativa aos modelos animais para imitar processos que ocorrem apenas no cérebro humano

Jürgen Knoblich, coautor do trabalho (Laboratório Knoblich)

Para evoluir, o cérebro humano depende de processos únicos da nossa espécie, que nos permitem construir um córtex cerebral intrinsecamente conectado e em camadas. Esses processos únicos também tornam os distúrbios do neurodesenvolvimento mais prováveis ​​em humanos. Por exemplo, vários genes associados a um maior risco de transtorno do espectro do autismo são essenciais para o desenvolvimento do córtex.

Complexidade do cérebro humano

Embora estudos clínicos tenham demonstrado causalidade entre múltiplas mutações genéticas e autismo, ainda não é compreendido como estas mutações causam defeitos no desenvolvimento do cérebro e, dada a singularidade do desenvolvimento do cérebro humano, os modelos animais são de uso limitado.

“Apenas um modelo humano do cérebro pode recriar as complexidades e propriedades do nosso cérebro”, insiste Knoblich.

“Pesquisas recentes revelaram um número crescente de aspectos muito diferentes, por exemplo, entre o cérebro humano e o cérebro do rato”, comenta o especialista. Portanto, pensamos que seria importante perguntar o que os genes envolvidos no seu autismo estavam fazendo.

A técnica desenvolvida pelos grupos de Knoblich e Barbara Trütlein, do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique e coautora do estudo, permite examinar todo o conjunto de genes reguladores transcricionais chave associados ao autismo dentro de um único organoide cerebral.

Neste sistema, denominado CHOOSE (CRISPR-humanorganoids-scRNA-seq), cada célula organoide carrega no máximo uma mutação em um gene específico de TEA.

Como explicou Knoblich, eles usaram tesouras de edição de genes CRISPR Cas9 para “alterar genes que se acredita estarem ligados ao autismo”.

Acompanhe o impacto de cada mutação

Usando CHOOSE, a equipe conseguiu rastrear o impacto de cada mutação no nível unicelular e traçar o caminho de desenvolvimento de cada célula. “Esta metodologia de alto rendimento nos permite interromper sistematicamente uma lista de genes causadores de doenças”, explica Zhong Li, primeiro autor do estudo e pesquisador de pós-doutorado no grupo de Noblich: “À medida que os organismos portadores dessas mutações crescem, analisamos o impacto de cada um sobre a evolução de cada tipo de células”.

A ferramenta de seleção permite ver as consequências de cada mutação associada ao TEA em um único experimento, reduzindo drasticamente o tempo de análise

Jürgen Knoblich

Por sua vez, Knoblich explica ao SINC: “O que distingue o nosso método é que não ‘procuramos’ mutações, mas antes perguntamo-nos, em paralelo, o que cada uma das mutações conhecidas já faz no cérebro humano”. Envolvido no autismo. “Encontramos um efeito para cada um deles, e é esta descrição completa de todos os genes e suas consequências que torna a nossa abordagem tão única.”

A ferramenta permite “ver as consequências de cada mutação num único experimento, encurtando significativamente o tempo de análise em comparação com outros métodos. Além disso, podemos continuar a beneficiar de cem anos de literatura científica sobre genes causadores de doenças”.

Bioinformática quantitativa e aprendizado de máquina

A mutação de vários genes em paralelo e o rastreamento de seus efeitos gerou uma enorme quantidade de dados. Para a análise, Treutlein e sua equipe da ETH Zurich usaram bioinformática quantitativa e métodos de aprendizado de máquina.

“Usando esses dados de expressão de célula única de alto rendimento, conseguimos determinar se um determinado tipo de célula era mais ou menos abundante devido a uma mutação específica. Também conseguimos identificar grupos de genes que são afetados por cada mutação. Comparando todas as mutações nos permitem reconstruir a paisagem fenotípica dessas doenças genéticas associadas ao autismo.

Utilizando o sistema de seleção, os investigadores descobriram que mutações em 36 genes, já conhecidos por estarem associados a um maior risco de desenvolver transtorno do espectro do autismo, levam a alterações específicas nos tipos de células do cérebro humano em desenvolvimento.

Além disso, identificaram importantes alterações transcricionais que são reguladas através de redes comuns, chamadas redes reguladoras de genes (GNRs). “GRNs são um grupo de reguladores moleculares que interagem entre si para controlar uma função celular específica”, explica Lee.

“Mostramos que alguns tipos de células são mais vulneráveis ​​do que outros durante o desenvolvimento do cérebro e identificamos redes que são mais suscetíveis a mutações associadas ao autismo”, acrescenta o primeiro autor.

Dessa forma, ressalta Knoblich, eles descobriram que “os genes que causam o autismo compartilham alguns mecanismos moleculares comuns”. No entanto, estes podem ter efeitos muito diferentes em diferentes tipos de células.

Existem tipos de células mais suscetíveis às mutações que levam ao transtorno do espectro do autismo, especialmente alguns progenitores neurais, que são as células que dão origem aos neurônios.

Zhong Li, primeiro autor do estudo (Noblich Lab)

Segundo Lee, “existem tipos de células que são mais suscetíveis às mutações que levam ao autismo, especialmente alguns progenitores neurais, que são as células que dão origem aos neurônios. Isto é verdade na medida em que a patologia do autismo pode realmente surgir no início do desenvolvimento do cérebro, sugerindo que certos tipos de células exigirão mais atenção no futuro ao estudar genes associados ao transtorno do espectro do autismo.

Com células-tronco de dois pacientes

Para confirmar se estas descobertas eram relevantes para as doenças humanas, a equipa trabalhou com investigadores clínicos da Universidade Médica de Viena e gerou organoides cerebrais a partir de amostras de células estaminais de dois pacientes. Ambos tinham mutações no mesmo gene associado ao autismo.

“Os organoides gerados por esses dois voluntários mostraram defeitos de desenvolvimento marcantes associados a um tipo específico de célula. Em seguida, validamos essas observações em laboratório comparando as estruturas desses organoides com exames de ressonância magnética pré-natais do cérebro de um paciente”, diz Knoblich.

Ele acrescenta que as observações mostraram que os dados orgânicos correspondem de perto às observações clínicas.

Knoblich enfatiza que suas descobertas representam “uma grande referência para outros pesquisadores que analisam o transtorno do autismo”.“No futuro, os pesquisadores que encontrarem um gene específico poderão pesquisar rapidamente nossos resultados”.

Além disso, a equipe destaca a versatilidade e portabilidade do sistema CHOOSE. “Esperamos que a nossa tecnologia seja amplamente aplicada além dos organoides cerebrais para estudar diferentes genes associados a múltiplas doenças”, afirma este especialista.

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