Pesquisadores usaram organoides neuronais derivados de células-tronco para estudar os efeitos da microgravidade no cérebro na Estação Espacial Internacional (ISS). Os neurônios se desenvolveram mais rapidamente no espaço do que na Terra, e futuras missões buscarão entender as causas. Este é o primeiro estudo com organoides associados a doenças como esclerose múltipla e Parkinson na ISS, visando avanços em tratamentos neurodegenerativos.
A pesquisa na Estação Espacial Internacional (ISS) busca entender como a microgravidade afeta a saúde humana e explorar seu uso para melhorar o estudo de doenças e o desenvolvimento de medicamentos. Até agora, os estudos mostram que a microgravidade altera os músculos, ossos, o sistema imunológico e pode influenciar o equilíbrio e a cognição.
Cientistas da The New York Stem Cell Foundation Research Institute, USA, estão estudando como a ausência de gravidade na Estação Espacial Internacional (ISS) afeta o corpo humano, especialmente o cérebro.
Isso é feito para entender como essas condições espaciais podem impactar nossa saúde e para explorar novas formas de tratar doenças aqui na Terra.
Eles utilizam modelos chamados organoides, que são pequenos "minicérebros" criados a partir de células-tronco humanas. Esses organoides são projetados para imitar partes do cérebro humano, ajudando os pesquisadores a estudar doenças como Parkinson e esclerose múltipla.
A técnica começa com o uso de células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs), que são células adultas reprogramadas para um estado semelhante ao embrionário. Essas células têm a capacidade de se transformar em qualquer tipo de célula do corpo.
No laboratório, os pesquisadores direcionaram essas iPSCs para se tornarem neurônios específicos associados ao córtex cerebral e à substância negra do cérebro, áreas afetadas por doenças como a esclerose múltipla e Parkinson.
Em seguida, essas células foram agrupadas em pequenas estruturas tridimensionais chamadas organoides, que imitam aspectos básicos do cérebro humano.
Para tornar os organoides mais semelhantes ao cérebro real, os cientistas adicionaram microglia a alguns deles. Microglia são células imunes do sistema nervoso central que desempenham um papel crucial na defesa do cérebro e na regulação de sua saúde.
Essas células foram derivadas separadamente das mesmas iPSCs porque seguem um processo diferente de desenvolvimento. A adição de microglia permitiu aos pesquisadores estudar as interações entre células imunes e neurônios em condições de microgravidade.
Os organoides foram cultivados em tubos pequenos contendo meio de cultura, um líquido rico em nutrientes que mantém as células vivas. Esse formato compacto e fechado foi projetado para evitar problemas comuns no espaço, como vazamentos causados por mudanças na gravidade.
Cada tubo foi cuidadosamente monitorado quanto à temperatura e colocado em um hardware especial para transporte seguro até a Estação Espacial Internacional (ISS). Durante a missão, os organoides permaneceram em uma cultura estática, sem troca de nutrientes, por 30 dias.
Desenho experimental. iPSCs de 4 indivíduos foram selecionados para experimentos: 2 controles e 2 com doenças neurodegenerativas doença de Parkinson ou esclerose múltipla progressiva primária. iPSCs foram diferenciadas em precursores de neurônios corticais ou dopaminérgicos, agregadas para formar organoides, e microglia correspondente derivada de cada uma das linhagens celulares foi adicionada à metade dos organoides. Cada organoide foi colocado em um criotubo separado com 1 mL de meio de cultura e selado durante o experimento. Um conjunto de criotubos foi transportado para a ISS na missão SpX CRS-19 enquanto o outro conjunto replicado permaneceu no solo. Conjuntos correspondentes de culturas de criotubos foram incubados por um mês a 37 °C no solo e a bordo da ISS. D. Após o retorno à Terra, ambos os conjuntos de culturas de organoides foram analisados por vários métodos.
Após o retorno dos organoides do espaço, eles foram analisados lado a lado com as amostras cultivadas na Terra. Os cientistas examinaram sua saúde, aparência e comportamento celular usando métodos avançados, como imunocitoquímica, para observar proteínas específicas; sequenciamento de RNA, para entender a atividade genética; e análise de proteínas secretadas no meio de cultura.
Eles verificaram que os organoides retornados estavam vivos, estendendo longas conexões nervosas chamadas neuritos, o que indica maturação neural.
Para confirmar que as mudanças observadas eram causadas pela microgravidade, e não por radiação, os pesquisadores acompanharam os níveis de radiação na ISS durante a missão.
Os dados mostraram que a exposição à radiação foi mínima e comparável à dos astronautas, reforçando que a ausência de gravidade foi a principal responsável pelas diferenças observadas entre os organoides espaciais e terrestres.
Os resultados mostraram que os organoides cultivados na microgravidade apresentaram maior maturação neural, com genes relacionados à proliferação celular sendo menos expressos e genes associados à comunicação neural mais ativos.
Organoides neurais cultivados no sistema estático sem troca de meio foram viáveis após 30 dias. A. Imagens de contraste de fase de organoides neurais corticais e dopaminérgicos, do estágio pré-voo ao estágio pós-voo em órbita baixa da Terra (LEO) e no solo. B. Organoides cultivados após 30 dias em LEO mostram crescimento de neuritos com cones de crescimento. C. A imunocitoquímica de organoides corticais criosseccionados mostra as rosetas neurais típicas de organoides corticais (vermelho: PAX6; verde: CDH2 [NCAD]) para amostras do solo e LEO. D. A telemetria mostra a temperatura mantida dentro do CubeLab a bordo da ISS e as imagens mostram o organoide (setas) cultivado no sistema estático nos dias de missão 5.119 e 30.09 (imagens tiradas a bordo da ISS).
Essa maturação acelerada foi acompanhada por mudanças na sinalização Wnt, um mecanismo crucial para o desenvolvimento cerebral. Além disso, as amostras espaciais mostraram menos sinais de estresse celular do que as terrestres, o que foi uma descoberta inesperada.
Esses resultados mostram que as condições no espaço podem afetar profundamente o funcionamento das células do cérebro. Isso ajuda os cientistas a entender melhor como os neurônios funcionam e como doenças que os afetam podem ser tratadas.
No futuro, esses estudos podem contribuir para o desenvolvimento de medicamentos mais eficazes para condições como Parkinson e esclerose múltipla. Além disso, essa pesquisa ajuda a preparar astronautas para longas missões espaciais, reduzindo os riscos de problemas cerebrais causados pela microgravidade.
LEIA MAIS:
Effects of microgravity on human iPSC-derived neural organoids on the International Space Station
Davide Marotta, Laraib Ijaz, Lilianne Barbar, Madhura Nijsure, Jason Stein, Nicolette Pirjanian, Ilya Kruglikov, Twyman Clements, Jana Stoudemire, Paula Grisanti, Scott A Noggle, Jeanne F Loring, Valentina Fossati
Stem Cells Translational Medicine, Volume 13, Issue 12, December 2024, Pages 1186–1197
Abstract:
Research conducted on the International Space Station (ISS) in low-Earth orbit (LEO) has shown the effects of microgravity on multiple organs. To investigate the effects of microgravity on the central nervous system, we developed a unique organoid strategy for modeling specific regions of the brain that are affected by neurodegenerative diseases. We generated 3-dimensional human neural organoids from induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived from individuals affected by primary progressive multiple sclerosis (PPMS) or Parkinson’s disease (PD) and non-symptomatic controls, by differentiating them toward cortical and dopaminergic fates, respectively, and combined them with isogenic microglia. The organoids were cultured for a month using a novel sealed cryovial culture method on the International Space Station (ISS) and a parallel set that remained on Earth. Live samples were returned to Earth for analysis by RNA expression and histology and were attached to culture dishes to enable neurite outgrowth. Our results show that both cortical and dopaminergic organoids cultured in LEO had lower levels of genes associated with cell proliferation and higher levels of maturation-associated genes, suggesting that the cells matured more quickly in LEO. This study is continuing with several more missions in order to understand the mechanisms underlying accelerated maturation and to investigate other neurological diseases. Our goal is to make use of the opportunity to study neural cells in LEO to better understand and treat neurodegenerative disease on Earth and to help ameliorate potentially adverse neurological effects of space travel.
Comments