Relógio circadiano
Todos os organismos, de bactérias a mamíferos, têm uma relação complexa e dinâmica com seu ambiente. Dentro dessa relação, a adaptação às mudanças ambientais é fundamental para a sobrevivência dos organismos. A maioria dos organismos possui ritmos circadianos que lhes permitem adaptar e otimizar suas funções a ciclos diurnos de aproximadamente 24 h. O relógio circadiano é uma rede hierárquica de relógios centrais e periféricos que trabalham em cooperação para manter a homeostase fisiológica e manter os organismos sincronizados com as mudanças diárias 1,2. Nos mamíferos, o relógio central ou mestre localizado no núcleo supraquiasmático (SCN) recebe pistas externas, como a luz, e transmite as informações aos relógios periféricos por meio de uma interação avançada de vias de sinalização neural e humoral3. Além do relógio central, os tecidos periféricos possuem seu próprio mecanismo de relógio circadiano autônomo celular, mantido por um loop de feedback negativo transcricional-translacional (TTFL) que regula os genes controlados pelo relógio específico do tecido (CCGs)4,5. Essa maquinaria molecular produz ritmicidade de aproximadamente 24 h em eventos celulares e fisiológicos, como expressões gênicas, vias de sinalização, respostas imunes e digestão. O relógio circadiano está presente em quase todas as células de mamíferos, e foi demonstrado que até 50% dos padrões de expressão dos genes exibem ritmicidade circadiana6. Considerando a abundância de CCGs, a interrupção desse mecanismo de relógio pode resultar em problemas fisiológicos críticos. Portanto, investigações sobre ritmos circadianos são necessárias para elucidar mecanismos biológicos essenciais e desenvolver novas estratégias terapêuticas.
Sistema repórter de luciferase
Em estudos circadianos, o monitoramento em tempo real é fundamental para uma melhor compreensão dos comportamentos e respostas celulares, pois permite rastrear mudanças temporais na expressão gênica e/ou níveis de proteína, fornecendo informações sobre os mecanismos moleculares regulados pelo relógio circadiano. Além disso, o monitoramento em tempo real permite que os pesquisadores estudem os efeitos das mudanças ambientais nos mecanismos moleculares 7,8. Existem inúmeras técnicas para estudos de monitoramento em tempo real, incluindo o ensaio de bioluminescência, que é amplamente utilizado para rastrear a expressão gênica ou os níveis de proteína ao longo do tempo. O ensaio de bioluminescência é um método para detectar processos biológicos usando a produção de luz como leitura. Neste ensaio, uma enzima oxidativa que produz bioluminescência (por exemplo, luciferase) é transfectada de forma transitória ou estável em células de interesse, e a leitura da bioluminescência é medida na presença de um substrato (por exemplo, luciferina) ao longo do tempo. Por exemplo, a enzima luciferase produz bioluminescência oxidando o substrato luciferina na presença de ATP9. Devido à sua meia-vida curta, 3-4 h10, a luciferase de vaga-lumes é uma ferramenta poderosa para estudos circadianos em termos de fornecer monitoramento dinâmico em tempo real com ruído de fundo mínimo 11,12,13. Para a inserção de DNA com um promotor marcado com luciferase ou quadro de leitura aberto (ORF), o sistema de entrega de genes lentivirais é um método confiável que fornece alta eficácia de transdução, integração estável e baixa imunogenicidade. A transdução estável de um repórter bioluminescente fornece expressão robusta em células em divisão e não em divisão, gerando dados consistentes para estudos circadianos14.
Organoide como modelo
As linhagens celulares bidimensionais imortalizadas tradicionais têm sido fundamentais em estudos biológicos que vão desde a descoberta de mecanismos moleculares fundamentais dos ritmos circadianos até a triagem de drogas. Apesar da conveniência de utilizar linhagens celulares homogeneizadas, elas carecem de estruturas multicelulares e interações intercelulares. Em contraste, os organoides são estruturas multicelulares "semelhantes a órgãos" 3D in vitro que imitam a estrutura do órgão em um prato, exibindo semelhança com a arquitetura e multicelularidade do tecido in vivo, incluindo células-tronco, progenitoras e tipos de células diferenciadas15,16. Possuir características de auto-organização, multicelularidade e funcionalidade torna os organoides um modelo in vitro notável que representa os processos celulares e fisiológicos que ocorrem em tecidos reais17. Diferentes tipos de organoides podem ser derivados de células-tronco pluripotentes por meio de diferenciação direcionada ou células-tronco adultas colhidas de vários órgãos, incluindo intestino delgado, cérebro, fígado, pulmão e rim18,19. Uma vez que as estruturas organoides possuem uma arquitetura e função semelhantes a tecidos reais com multicelularidade e interação dinâmica célula a célula, elas são superiores às linhagens celulares homogeneizadas para entender os eventos celulares que ocorrem em tecidos in vivo. Os organoides também são facilmente manipulados e podem ser cultivados sob condições controladas, tornando-os úteis para estudos circadianos20.
O principal objetivo deste trabalho é introduzir um método de monitoramento em tempo real utilizando um ensaio de bioluminescência especificamente adaptado para estudar ritmos circadianos em organoides 3D multicelulares. O monitoramento em tempo real de eventos celulares usando uma técnica de ensaio de bioluminescência tem sido amplamente realizado para culturas de células sem a complexidade multicelular e as comunicações intercelulares que existem em tecidos reais. Os organoides 3D apresentam oportunidades únicas para investigar as funções dos ritmos circadianos em sistemas multicelulares in vitro. Por exemplo, pode-se investigar ritmos circadianos nos organoides com composições celulares alteradas ou organoides derivados de tecidos doentes dos pacientes. Este protocolo permite a utilização de um ensaio de bioluminescência para investigar diferentes aspectos dos ritmos circadianos em um modelo in vitro mais fisiologicamente relevante, os organoides, o que nos ajudará a entender melhor os papéis dos ritmos circadianos em órgãos periféricos.