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O cérebro humano, com sua arquitetura intrincada e composição celular e molecular complexa, apresenta desafios formidáveis na pesquisa em neurociência, particularmente no contexto da modelagem de doenças e do desenvolvimento de terapia celular1. Esses desafios são ainda mais complicados pela disponibilidade limitada de modelos sofisticados in vitro que realmente representam a complexidade do cérebro humano. No entanto, avanços recentes na tecnologia de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos (iPSC), permitindo a diferenciação controlada em subtipos neuronais específicos, abriram caminhos promissores para explorar o desenvolvimento do cérebro humano, patogênese de doenças e estratégias terapêuticas baseadas em células.
Tradicionalmente, as culturas neuronais bidimensionais (2D) derivadas de iPSCs têm sido a pedra angular dos estudos in vitro destinados a imitar a fisiologia e a patologia neuronal humana. Essas culturas de monocamada têm sido fundamentais para melhorar nossa compreensão das doenças neurológicas e na descoberta de agentes neuroprotetores 2,3,4,5,6,7. Apesar de sua utilidade, esses sistemas 2D ficam aquém de emular a verdadeira diversidade celular e a estrutura tridimensional (3D) do cérebro humano.
O advento da tecnologia de organoides cerebrais representa um salto significativo na modelagem in vitro, fornecendo uma ferramenta que imita de perto a intrincada biologia do cérebro humano dentro de uma estrutura fisiologicamente relevante8. As primeiras técnicas de desenvolvimento de organoides cerebrais capitalizaram as propriedades regulatórias inerentes das iPSCs para formar espontaneamente derivados do ectoderma, imitando assim os estágios iniciais do desenvolvimento do cérebro 5,9,10,11,12. Dadas as complexas redes formadas por neurônios com outras células neuronais e não neuronais, a modelagem 3D torna-se essencial para estudar com precisão as doenças neurodegenerativas. As culturas 3D fornecem um ambiente in vivo mais representativo, facilitando a diferenciação neuronal acelerada e a formação de redes12 , 13 , 14 , e promovem uma expressão mais ampla de genes neuronais em comparação com as culturas 2D15 . Os neurônios desenvolvidos em contextos 3D atingem morfologias e atributos fisiológicos mais reminiscentes de suas contrapartes in vivo 16.
Avanços recentes em modelos cerebrais 3D foram fundamentais para capturar a complexidade espacial e funcional do cérebro humano de forma mais eficaz. Na última década, o avanço de diversos protocolos para gerar organoides cerebrais inteiros e modelos cerebrais específicos da região 11,17,18,19,20,21,22, mostrou-se inestimável na modelagem de distúrbios neurológicos como microcefalia 11, doença de Alzheimer 14,23 e doença de Parkinson24. O objetivo deste protocolo é desenvolver e refinar um método para criar MOs humanos 3D derivados de iPSCs humanos. Este protocolo visa especificamente gerar organoides que são enriquecidos com neurônios dopaminérgicos e organizados espacialmente de uma maneira que imita de perto a estrutura natural e a funcionalidade do mesencéfalo humano. O objetivo principal desses organoides é servir como modelos in vitro avançados para estudar a doença de Parkinson, fornecendo um sistema mais preciso e fisiologicamente relevante para explorar os processos de neurodesenvolvimento e patologias associadas a essa condição. Ao alavancar iPSCs derivadas de pacientes para gerar esses organoides específicos do mesencéfalo, o protocolo busca melhorar a compreensão dos mecanismos da doença de Parkinson, facilitar a descoberta de potenciais alvos terapêuticos e melhorar o desenvolvimento de terapias baseadas em células. Por meio dessa abordagem inovadora, o protocolo visa superar as limitações das culturas neuronais 2D tradicionais e contribuir significativamente para o campo da pesquisa de doenças neurodegenerativas, oferecendo uma ferramenta potente para modelagem de doenças in vitro e a exploração de novas estratégias de tratamento.
Nos últimos 10 anos, várias equipes de pesquisa desenvolveram organoides do mesencéfalo (MOs)8,21,25,26,27,28, utilizando metodologias que exibem várias semelhanças importantes. Em nossa busca para aprofundar a compreensão da doença de Parkinson, desenvolvemos um protocolo para criar MOs humanos 3D derivados de iPSCs humanos. Esses organoides, enriquecidos com neurônios dopaminérgicos dispostos espacialmente, apresentam um modelo ideal para estudar a doença de Parkinson. Nosso desenvolvimento e refinamento de protocolos organoides específicos do mesencéfalo produziram modelos in vitro avançados que contribuíram significativamente para nossa compreensão dos processos de neurodesenvolvimento e doenças neurodegenerativas. Esses modelos, particularmente quando aplicados a MOs derivados de pacientes, demonstraram sua eficácia como ferramentas potentes para modelagem de doenças in vitro, oferecendo novas perspectivas e metodologias no campo da cultura celular 3D avançada.