Um pequeno dispositivo construído por cientistas do MIT e da Aliança para Pesquisa e Tecnologia Singapura-MIT poderia ser usado para melhorar a segurança e a eficácia dos tratamentos de terapia celular para pacientes que sofrem de lesões na medula espinhal.

Na terapia celular, os médicos criam o que é conhecido como células-tronco pluripotentes induzidas, reprogramando algumas células da pele ou do sangue retiradas de um paciente. Para tratar uma lesão na medula espinhal, eles persuadiriam essas células-tronco pluripotentes a se tornarem células progenitoras, destinadas a se diferenciarem em células da medula espinhal. Esses progenitores são então transplantados de volta para o paciente.

Estas novas células podem regenerar parte da medula espinhal lesionada. No entanto, as células-tronco pluripotentes que não se transformam completamente em progenitoras podem formar tumores.

Esta equipe de pesquisa desenvolveu um classificador de células microfluídicas que pode remover cerca de metade das células indiferenciadas – aquelas que podem potencialmente se tornar tumores – em um lote, sem causar qualquer dano às células progenitoras totalmente formadas.

O dispositivo de alto rendimento, que não requer produtos químicos especiais, pode classificar mais de 3 milhões de células por minuto. Além disso, os pesquisadores demonstraram que encadear muitos dispositivos pode classificar mais de 500 milhões de células por minuto, tornando este um método mais viável para algum dia melhorar a segurança dos tratamentos de terapia celular.

Além disso, o chip de plástico que contém o classificador de células microfluídicas pode ser produzido em massa em uma fábrica a um custo muito baixo, de modo que o dispositivo seria mais fácil de implementar em escala.

“Mesmo que exista uma terapia celular que salva vidas e que esteja a fazer maravilhas aos pacientes, se não for possível fabricá-la de forma econômica, fiável e segura, então o seu impacto poderá ser limitado. Nossa equipe é apaixonada por esse problema – queremos tornar essas terapias mais confiáveis e facilmente acessíveis”, diz Jongyoon Han, professor de engenharia elétrica e ciência da computação do MIT e de engenharia biológica, membro do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica (RLE). e coinvestigador principal do grupo de pesquisa CAMP (Critical Analytics for Manufacturing Personalized Medicine) da Aliança para Pesquisa e Tecnologia Singapura-MIT (SMART).

Han é acompanhado no artigo pelo coautor Sing Yian Chew, professor de química, engenharia química e biotecnologia na Escola de Medicina Lee Kong Chian e Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Tecnológica de Nanyang em Cingapura e investigador principal do CAMP; coautores principais Tan Dai Nguyen, pesquisador do CAMP; Wai Hon Chooi, pesquisador sênior da Agência de Ciência, Tecnologia e Pesquisa de Cingapura (A*STAR); e Hyungkook Jeon, pós-doutorado do MIT; bem como outros na NTU e A*STAR. A pesquisa aparece hoje na Stem Cells Translational Medicine.

O risco de cancro representado pelas células estaminais pluripotentes induzidas indiferenciadas continua a ser um dos desafios mais prementes neste tipo de terapia celular.

“Mesmo que tenhamos uma população muito pequena de células que não estejam totalmente diferenciadas, elas ainda podem se transformar em células semelhantes às do câncer”, acrescenta Han.

Os médicos e os investigadores procuram frequentemente identificar e remover estas células procurando certos marcadores nas suas superfícies, mas até agora os investigadores não conseguiram encontrar um marcador que seja específico para estas células indiferenciadas. Outros métodos utilizam produtos químicos para destruir seletivamente essas células, mas as técnicas de tratamento químico podem ser prejudiciais às células diferenciadas.

O classificador microfluídico de alto rendimento, que pode classificar células com base no tamanho, foi desenvolvido anteriormente pela equipe CAMP após mais de uma década de trabalho. Ele foi usado anteriormente para classificar células do sistema imunológico e células estromais mesenquimais (outro tipo de célula-tronco), e agora a equipe está expandindo seu uso para outros tipos de células-tronco, como células-tronco pluripotentes induzidas, diz Han.

“Estamos interessados em estratégias regenerativas para melhorar a reparação tecidual após lesões na medula espinhal, uma vez que estas condições levam a um comprometimento funcional devastador. Infelizmente, atualmente não existe uma abordagem de tratamento regenerativo eficaz para lesões na medula espinhal”, diz Chew. “As células progenitoras da medula espinhal derivadas de células-tronco pluripotentes são muito promissoras, uma vez que podem gerar todos os tipos de células encontradas na medula espinhal para restaurar a estrutura e função dos tecidos. Para poder utilizar eficazmente estas células, o primeiro passo seria garantir a sua segurança, que é o objetivo do nosso trabalho.”

A equipe descobriu que as células-tronco pluripotentes tendem a ser maiores do que os progenitores delas derivados. A hipótese é que antes de uma célula-tronco pluripotente se diferenciar, seu núcleo contém um grande número de genes que não foram desligados ou suprimidos. À medida que se diferencia para uma função específica, a célula suprime muitos genes de que não necessita mais, encolhendo significativamente o núcleo.

O dispositivo microfluídico aproveita essa diferença de tamanho para classificar as células.

Canais microfluídicos no chip de plástico do tamanho de um quarto formam uma entrada, uma espiral e quatro saídas que produzem células de tamanhos diferentes. À medida que as células são forçadas através da espiral a velocidades muito elevadas, várias forças, incluindo forças centrífugas, atuam sobre as células. Estas forças neutralizam-se para focar as células num determinado local na corrente de fluido. Este ponto de focagem dependerá do tamanho das células, classificando-as eficazmente através de saídas separadas.

Os pesquisadores descobriram que poderiam melhorar a operação do classificador executando-o duas vezes, primeiro em uma velocidade mais baixa para que as células maiores grudem nas paredes e as células menores sejam separadas, e depois em uma velocidade mais alta para separar as células maiores.

De certa forma, o dispositivo funciona como uma centrífuga, mas o classificador microfluídico não requer intervenção humana para selecionar as células classificadas, acrescenta Han.

Os pesquisadores mostraram que seu dispositivo poderia remover cerca de 50% das células maiores em uma única passagem. Eles conduziram experimentos para confirmar que as células maiores removidas estavam, de fato, associadas a um maior risco de tumor.

“Embora não possamos remover 100% dessas células, ainda acreditamos que isso reduzirá significativamente o risco. Esperançosamente, o tipo de célula original é bom o suficiente para que não tenhamos muitas células indiferenciadas. Então esse processo poderia tornar essas células ainda mais seguras”, afirma.

É importante ressaltar que o classificador microfluídico de baixo custo, que pode ser produzido em escala com técnicas de fabricação padrão, não utiliza nenhum tipo de filtração. Os filtros podem ficar obstruídos ou quebrar, portanto, um dispositivo sem filtro pode ser usado por muito mais tempo.

Agora que demonstraram sucesso em pequena escala, os investigadores estão a embarcar em estudos maiores e em modelos animais para ver se as células purificadas funcionam melhor in vivo.

As células não diferenciadas podem tornar-se tumores, mas podem ter outros efeitos aleatórios no corpo, pelo que a remoção de mais destas células poderia aumentar a eficácia das terapias celulares, bem como melhorar a segurança.

“Se pudermos demonstrar estes benefícios in vivo de forma convincente, o futuro poderá trazer aplicações ainda mais interessantes para esta técnica”, diz Han.

Esta pesquisa é apoiada, em parte, pela Fundação Nacional de Pesquisa de Cingapura e pela Aliança Cingapura-MIT para Pesquisa e Tecnologia.