Abordagens experimentais de Engenharia de Tecidos

Meu nome é Ali Kamasi e atualmente sou professor assistente na Divisão de Ciências e Tecnologia da Saúde do MIT de Harvard. E tenho uma nomeação conjunta com a Harvard Medical School, especificamente no Brigham and Women's Hospital, que é afiliado à Harvard Medical School. E minhas áreas de pesquisa são em engenharia de tecidos em microescala e área de biomas.

Portanto, minha formação acadêmica é mais para e comecei inicialmente em engenharia química. Fiz minha graduação em engenharia química na Universidade de Toronto e, posteriormente, fiquei muito interessado em engenharia mais orientada para a biologia. Então fiz um mestrado em engenharia biomédica continuando na Universidade de Toronto, trabalhando especificamente na diferenciação de células-tronco.

E então eu, eu vim para o MIT e fiz meu doutorado com o professor Robert Langer em, em, em bioengenharia. E depois, depois de alguns meses de pós-doutorado, entrei para minha posição atual. As áreas de pesquisa em que nos concentramos estão realmente na interface entre biologia, engenharia e ciência dos materiais.

Então, e o que estamos tentando fazer é tentar abordar questões que os biólogos vêm tentando responder há muito tempo, mas tentar fazê-lo de uma forma que anteriormente não poderia ser feita, trazendo novas tecnologias e novas perspectivas, para entender essas questões. E um dos principais problemas médicos que estamos tentando resolver é realmente essa escassez de órgãos. Como geramos órgãos tridimensionais que poderiam ser potencialmente transplantados para que, você sabe, para, obviamente, há uma enorme escassez de órgãos profissionais, e muitos pacientes precisam de órgãos transplantáveis e há enormes listas de espera.

Então, uma das coisas que nós e outras pessoas no campo da engenharia de tecidos e tentamos fazer é tentar gerar abordagens onde possamos fazer tecidos artificiais. E junto com o mesmo conceito, um dos principais problemas que existe agora, que também está na descoberta de medicamentos e na descoberta de novos medicamentos, é como geramos modelos melhores que representem tecidos fora do corpo para que possamos testar drogas e produtos químicos e ver quais são seus efeitos nesse tipo de tecido. E então, uma vez que possamos fazer isso corretamente, podemos ter um comportamento preditivo muito melhor de quais medicamentos serão realmente eficazes.

Então você não tem, você sabe, os recalls dos medicamentos depois que eles foram aprovados e os efeitos colaterais e você pode ter um processo de descoberta de medicamentos muito melhor. Os dispositivos microfluídicos são uma subseção do que chamamos de tecnologias em microescala. E o que nessas tecnologias de microescala, eu, talvez eu explique o que começa com isso.

O que eles estão tentando fazer é tentar imitar a complexidade dos tecidos biológicos ou sistemas biológicos. Portanto, a maioria das células tem cerca de dezenas de micrômetros. E para realmente entender as células nessas dimensões, você precisa ter tecnologias para poder projetar o que uma célula vê e o que uma célula sente em escalas de comprimento que variam de muito menores que 10 micrômetros a maiores que 10 micrômetros.

Então você pode ter células individuais e ser capaz de, ser capaz de manipular seus arredores. Então, o que um sistema como a microfluídica nos permite fazer é tentar, nos permite ter um controle muito rígido sobre como os fatores solúveis são entregues às células. Então, um exemplo disso é ser capaz de ter um canal microfluídico e gerar um gradiente de concentração de a, uma quimiocina ou um fator de crescimento ou uma citocina lá.

E o que isso nos permite fazer agora é tentar imitar o que acontece durante o desenvolvimento normal ou dentro de sistemas biológicos onde há gradientes de concentração em todo o organismo que realmente diz à célula o que ela, o que ela deve fazer. Então, com os sistemas microfluídicos, podemos gerar esses tipos de complexidade biológica de uma maneira controlada muito rápida e, em seguida, analisar o comportamento celular diretamente, em exposição a esses tipos de gradientes de concentração ou sinais biológicos biológicos e espacialmente orientados. Então, a engenharia de tecidos se originou provavelmente há cerca de 20, 30 anos com a ideia de tentar usar células transplantáveis e mesclá-las com materiais para que pudéssemos, você sabe, gerar melhores tecidos tridimensionais e realmente começou inicialmente por pessoas tentando obter materiais biodegradáveis, fazer espumas com eles.

E então, você sabe, eles são estruturas muito porosas. E então semear essas espumas com células. Então, à medida que as células se movem dentro dessa espuma, elas se instalam em lugares específicos e, com o passar do tempo, as células começam a depositar sua própria matriz biológica.

E como esses materiais são biodegradáveis, os materiais se degradam com o tempo e o que resta é um tecido completamente biológico. E essa abordagem tem sido particularmente útil para, você sabe, alguns órgãos mais simples, como cartilagem. E na verdade houve coisas como nossa pele artificial que foi aprovada pela FDA.

Portanto, tem sido clinicamente viável. Onde essa abordagem potencialmente poderia usar mais ajuda é em relação a estruturas mais complexas, como, como o coração, ou o fígado, onde você realmente tem interações celulares muito controladas e complexidade e arquitetura muito controladas na escala micro. Então, uma das ideias originais com a engenharia de tecidos, que era que quando você coloca as células, as células meio que se reorganizam para realmente gerar um pouco dessa complexidade que você vê no corpo normal.

Mas isso, e isso acontece até certo ponto, mas não acontece até o fim. Portanto, um órgão de engenharia de tecidos no nível da microestrutura, ainda seria diferente de um tecido biológico verdadeiramente nativo. E isso porque as células simplesmente não se montam como fariam completamente durante, durante, durante o desenvolvimento.

Então, o que tentamos fazer é, com relação à microescala e à movimentação da engenharia de tecidos na microescala, tentar recapturar essa complexidade. Então, como fazemos isso? Então, e quais são as complexidades que queremos gerar?

Bem, uma das coisas é que os tecidos de vascularização são muito, muito vasculares e esse suprimento, que fornece oxigênio e nutrientes ao tecido e outras coisas de que ele precisa. Então, agora é muito difícil conseguir realmente projetar grandes estruturas de tecidos e ser capaz de fornecer a todas as células as quantidades adequadas de nutrientes e oxigênio. Uma coisa que as tecnologias de microescala nos permitem fazer é, na verdade, potencialmente projetar a microvasculatura diretamente em nossas estruturas tridimensionais.

Outra coisa que as tecnologias de microescala nos permitem fazer é tentar controlar como diferentes tipos de células interagem dentro dessa estrutura tridimensional. Então você pode querer ter, você sabe, um tipo de célula em uma estrutura específica e ter um tipo de célula secundária ao lado dela, assim como entraria no corpo. E usando tecnologias em microescala, podemos tentar recapturar esse tipo de geometria e complexidades que estão presentes no corpo dentro de nossa estrutura tridimensional.

Portanto, não precisamos necessariamente esperar que eles se auto-montem diretamente dentro dos andaimes. Há uma série de desafios. Um dos principais desafios com relação a como podemos projetar tecidos é realmente, mesmo se fizermos um tecido tridimensional, ainda queremos que ele seja funcional e há uma variedade de funções metabólicas mecânicas e bioquímicas que os tecidos normais fazem, que esses órgãos de engenharia de tecidos precisam, você sabe, para, para basicamente recapturar e imitar.

Então, o que tem sido um problema agora é que muitos órgãos de engenharia de tecidos ficam aquém de seu desempenho biológico nativo. E parte do problema é com relação aos tipos de materiais que usamos agora, eles não são necessariamente otimizados para uma variedade de aplicações diferentes. E você sabe, nós, nós atualmente, ainda precisamos entender melhor a biologia do desenvolvimento e a biologia da cicatrização de feridas para sermos capazes de recriar condições que permitam que as células dentro desses andaimes tridimensionais realmente percorram todo o caminho até o que você sabe, eles fariam no corpo durante o desenvolvimento normal ou nem a cicatrização normal de feridas para que possamos obter estruturas finais que realmente imitem um verdadeiramente regenerado ou, você sabe, desenvolveu tecidos.

E a biologia ainda está sendo explorada e desenvolvida. Então, você sabe, uma coisa é biologia, a outra são melhores materiais. E, finalmente, acho que um grande problema ainda é a fonte celular.

Você sabe, é por isso que é realmente importante tentar explorar fontes celulares alternativas, porque as células do nosso corpo, você sabe, elas são, você sabe, as células-tronco adultas são muito, você sabe, fonte potencial potencialmente viável de células. Também coisas como embrionárias e também novas abordagens que as pessoas estão encontrando usando, você sabe, usando células da pele ou outras células para realmente obter células muito primitivas, onde você pode tentar direcionar sua diferenciação e obter uma fonte viável de células. Então, eu diria que esses são três grandes problemas, você sabe, melhores materiais, entender melhor a biologia e obter uma fonte de células melhor nos próximos cinco anos.

Haverá muitas mudanças no que diz respeito a tornar essas tecnologias em microescala mais amplamente aplicáveis a biólogos e engenheiros de tecidos. Acho que muitas pessoas agora estão percebendo o quão importante é realmente estudar biologia e gerar tecidos com resolução em microescala. E eu acredito que será uma tendência muito, você sabe, contínua nos próximos anos.

E acho que outro aspecto é que haverá muito mais interação entre as pessoas no produto final final, sejam os médicos clínicos e, você sabe, a FDA ou outros agentes reguladores e você sabe, basicamente e as pessoas de negócios. Então, há lá, haverá mais e mais interação com essas entidades, com os pesquisadores básicos para tentar realmente voltar e tentar ver quais são os principais problemas na comercialização de parte da ciência que foi desenvolvida. E eu acho, e como fazemos isso de uma forma segura e eticamente responsável.

Então eu acho que tanto cientificamente há, ainda há grandes avanços a serem feitos, mas também com relação a outras coisas, ainda haverá, muitas coisas seriam feitas e acho que cinco anos pelo menos serão os primeiros passos e nos próximos 10, 15 anos é, é quando realmente as coisas vão ficar interessantes em relação a como algumas dessas tecnologias, Especificamente no que diz respeito à engenharia de tecidos e TI, é a aplicação dessas tecnologias para ensaios de descoberta de medicamentos e outras coisas, como elas serão usadas em aplicações reais do mundo real realmente depende de qual órgão estamos falando e de que tipo de aplicação estamos falando. Claramente, a primeira e mais óbvia aplicação para, você sabe, tecidos artificiais é na área de descoberta de medicamentos ou na área de diagnóstico, onde você está tentando entender melhor, obter melhores modelos fisiológicos que você pode ter em uma cultura de tecidos fora do corpo e ser capaz de analisá-los, sondá-los para entender melhor a biologia ou sondá-los para entender, você sabe, os produtos químicos ou drogas eficazes. E eu acho que nessa área, o maior desafio é realmente conseguir algo que imite o tecido nativo o mais completamente possível, para que, se o seu, se a construção do seu tecido disser que algo é tóxico, você pode ter certeza de que, se você colocá-lo em um animal, então será isso, será tóxico e será muito preditivo de qual resposta você obteria no animal.

Então, e acho que com relação às aplicações terapêuticas reais, ainda há muito mais obstáculos a serem superados. E eu acho que os principais, os principais são como esses agentes terapêuticos vão se comportar, você sabe, a curto e longo prazo, porque ninguém realmente entende como, você sabe, células estranhas, digamos, você sabe, células de engenharia de tecidos ou células-tronco de células-tronco de células-tronco embrionárias ou você sabe, de outras pessoas vão se comportar em, no meu corpo ou no corpo de outra pessoa a longo prazo. E então o outro, eu acho que também há outras questões éticas como, você sabe, como nós realmente, você sabe, é, qual é a melhor fonte de células que é, você sabe, ambos eticamente desafiados desafiados eticamente responsáveis, mas também científica e clinicamente viáveis e com relação a órgãos de engenharia, eu acho que lá, a principal questão é se você pode ter algo que seja seguro e também funcione corretamente E você sabe, Há muitos mecanismos regulatórios que, você sabe, qualquer tipo de órgão de engenharia de tecidos tem que superar.

E acho que a FDA, neste momento, está começando a explorar como realmente regular os tecidos biológicos que as pessoas projetam para aplicações terapêuticas. E acho que há uma ou duas precedências para esse tipo de produto na comercialização, mas não há uma rota ainda muito padronizada que você saiba exatamente o que vai acontecer para levar algo de um laboratório a um produto final Com relação a alguns desses tecidos biológicos artificiais, realmente depende do órgão. Então, para alguns, você sabe, algo como pele, você sabe, você sabe, nós já temos.

Para algo como um coração, coração completo, eu diria que estamos muito longe. Você sabe, eu diria que talvez, você sabe, bem, provavelmente 50, você sabe, eu quero ser muito conservador. Pode acontecer mais cedo, mas há muitos desafios para obter algo que tenha a complexidade certa e funcione adequadamente como um tecido biológico normal.

Mas eu acho que com relação a coisas menores como um tecido cardíaco, você sabe, e não um coração completo, estamos muito mais próximos. E eu diria, você sabe, com relação a uma aplicação clínica e algo que realmente passou pelo processo regulatório, você sabe, é possível algo dentro, você sabe, 15 anos, você sabe, para realmente ter pedaços transplantáveis de tecido cardíaco que você pode, você pode fazer. E acho que a maior parte disso estará no estágio regulatório, porque agora para aprovar um medicamento leva 12 anos.

Então, mesmo que tenhamos algo agora, que achamos perfeito, você sabe, vai levar pelo menos uma década para, você sabe, ter certeza de que é seguro e também faz a função adequada para que possamos, você sabe, amplamente de uma maneira generalizada, usá-lo em pacientes.