Uma Introdução à Organogênese

Cientistas no campo da organogênese investigam o desenvolvimento de órgãos com formas e funções altamente especializadas.

Os órgãos surgem relativamente tarde durante o desenvolvimento, depois que as células embrionárias se organizaram em três camadas de células discretas conhecidas como camadas de germes. Ao considerar como os órgãos são formados, os pesquisadores podem entender melhor como os órgãos individuais funcionam e criar terapias que corrigirão a doença humana relacionada à falência de órgãos.

Este vídeo apresenta uma breve história de pesquisa organogênese, introduz as principais perguntas feitas por embriologistas que estudam a formação de órgãos, descreve algumas ferramentas disponíveis para responder a essas perguntas e, finalmente, discute experimentos atuais que estão sendo conduzidos no campo.

Vamos começar revendo alguns estudos marcantes na história da pesquisa organogênese.

Na década de 1820, Karl von Baer e Christian Heinrich Pander descreveram a teoria do desenvolvimento da camada de germes. Com base no modelo de filhotes, von Baer e Pander propuseram que todos os embriões vertebrados são compostos de três camadas primárias distintas, que juntas dão origem a todos os órgãos adultos. O endóderme dá origem a tecidos profundos, como o revestimento do intestino e do trato respiratório, o mesoderme forma tecidos médios, incluindo músculo e sangue, e o ectoderme gera tecidos mais superficiais como pele e nervos.

Sessenta anos depois, em 1885, Wilhelm His publicou o primeiro atlas de embriões humanos reconstruídos a partir de seções microscópicas. Esta coleção forneceu uma das primeiras descrições detalhadas da organogênese, e hipótese sobre como vários grupos de células se organizam para formar órgãos como coração, olhos e cérebro.

Em 1924, os embriologistas Hans Spemann e Hilde Mangold tomaram uma abordagem mais experimental para estudar organogênese: realizaram transplantes teciduais em anfíbios para estudar uma região do embrião em desenvolvimento agora conhecida como organizadora de Spemann. Transplantar o organizador de um embrião para outro induziu a formação de tecidos neurais secundários. Essa mudança na padronização do desenvolvimento devido às interações celulares ficou conhecida como "indução", e é um primeiro passo crítico na formação de muitos órgãos.

Nas décadas seguintes a essa grande descoberta, os avanços na microscopia e biologia molecular significaram que os embriões agora poderiam ser estudados nos níveis celular e molecular. Na década de 1940, Salomé Gluecksohn-Waelsch usou o camundongo como modelo para entender que genes específicos poderiam regular o desenvolvimento de órgãos. Ela mostrou que camundongos com mutações no gene T-locus não tinham estruturas importantes no sistema nervoso em desenvolvimento, como o notochord.

Este trabalho abriu caminho para W. T. Green investigar a geração de tecidos in vitro durante a década de 1970, implantando células de cartilagem saudáveis cultivadas em laboratório em camundongos nus. Embora sem sucesso, em 1981 as descobertas de Green ajudaram pesquisadores, como Ioannis Yannas e Eugene Bell, a introduzir tecidos cultivados in vitro de volta em animais vivos.

Agora que revisamos alguns destaques históricos, vamos examinar algumas questões fundamentais que hoje enfrentam o campo da organogênese.

Começaremos com talvez a pergunta mais ampla feita pelos embriologistas: como grupos de células se transformam em órgãos altamente estruturados? Para obter respostas, os pesquisadores frequentemente se concentram em eventos morfológicos definidos, como a ramificação de tubos simples em redes tubulares complexas. Os mecanismos que controlam esses processos em um tecido podem ser semelhantes aos utilizados em outros tecidos com estruturas análogas, o que dá aos pesquisadores pistas sobre como projetar seus experimentos.

Os embriologistas também estão interessados em como genes específicos direcionam a organogênese. Alguns se concentram em genes individuais e como seus produtos funcionam para controlar o tamanho e a forma das células, bem como como as células geram e respondem a sinais a fim de formar um órgão em funcionamento.

Outros investigam os mecanismos que determinam quando e onde os genes são expressos. Fatores de transcrição, por exemplo, são proteínas que se ligam a sequências específicas de DNA para controlar a expressão de genes próximos. Ao regular simultaneamente conjuntos inteiros de genes que definem cada identidade celular específica, um número relativamente pequeno de fatores de transcrição pode direcionar a formação de órgãos inteiros.

Como as células também são sensíveis a pistas mecânicas, muitos cientistas exploram como as forças físicas guiam a organogênese. Alguns olham como a força gerada pelos fluidos que fluem sobre superfícies celulares, conhecidas como estresse de cisalhamento, influencia a diferenciação celular. Outros consideram como a tensão tecidual promove conexões entre as células, que são importantes para a integridade de tecidos como músculos e ossos.

Finalmente, como não há órgãos humanos saudáveis suficientes disponíveis para atender à necessidade de transplantes, os cientistas estão desenvolvendo novas maneiras de projetar órgãos em laboratório. Seus objetivos principais incluem a criação de andaimes, ou estruturas artificiais capazes de suportar tecidos tridimensionais, e a otimização das condições para o crescimento dos órgãos. As células usadas para construir um órgão, por exemplo, devem ser capazes de expandir sua população rapidamente enquanto permanecem geneticamente estáveis. Quando as células são montadas com sucesso em tecidos, garantir que o órgão desenvolva um suprimento de sangue funcional é um desafio adicional.

Agora que você tem uma noção de algumas questões-chave levantadas pelos embriologistas, vamos olhar para algumas ferramentas de pesquisa que eles usam para encontrar respostas.

Várias técnicas de imagem são usadas para olhar as células que se montagem em órgãos mais complexos. O mapeamento do destino é uma abordagem que depende fortemente da imagem, uma vez que envolve o rastreamento de células únicas e sua descendência durante todo o desenvolvimento. Para criar mapas do destino, os cientistas podem monitorar células de interesse rotulando-as com peptídeos fluorescentes.

A imagem também é necessária em experimentos de enxerto celular e transplante. Aqui, as células são transplantadas entre dois organismos, um doador e um hospedeiro, e marcadores específicos do organismo são usados para determinar como a identidade e a colocação das células transplantadas determina sua contribuição para o desenvolvimento de órgãos.

Para examinar o controle genético do desenvolvimento de órgãos, os cientistas têm uma série de estratégias para manipular a expressão genética no desenvolvimento de tecidos. Usando tecnologia transgênica, por exemplo, genomas animais podem ser modificados para aumentar ou diminuir a expressão de genes específicos em todo o animal ou em tecidos selecionados. Para uma abordagem mais simples da manipulação genética, técnicas como a transdução viral são frequentemente usadas para fornecer rapidamente expressão genética ou silenciar construções em populações menores de células.

Para estudar o papel das forças mecânicas durante o desenvolvimento, os cientistas muitas vezes recorrem a sistemas de cultura in vitro que imitam a fisiologia in vivo. Por exemplo, células cultivadas em substratos flexíveis podem ser esticadas à medida que crescem. As células também são frequentemente cultivadas em câmaras microfluidas especializadas para imitar o estresse da tesoura. A imunofluorescência e outros métodos de microscopia são usados para ver como o desenvolvimento de tecidos e contatos celulares são afetados.

A engenharia de tecidos é uma técnica focada em traduzir o conhecimento da formação de órgãos em terapias clínicas, e envolve acultura de células saudáveis em andaimes biológicos. Andaimes podem ser construídos removendo materiais celulares de tecidos usando detergentes, sais e enzimas, e, em seguida, repovoando o tecido de interesse com células-tronco. Alternativamente, andaimes podem ser criados a partir de polímeros biodegradáveis usando carga elétrica. Independentemente de como são feitos, os andaimes são semeados com células e cultivados sob condições controladas em configurações especializadas conhecidas como bioreatores.

Agora que você está familiarizado com algumas abordagens comuns para estudar organogênese, vamos ver como esses métodos estão sendo aplicados.

Organismos que contêm células de mais de um genoma, conhecidos como quimeras embrionárias, são ferramentas úteis para rastrear os movimentos celulares. Neste experimento, as quimeras de zebrafish foram feitas transplantando células doadoras fluorescentes rotuladas para embriões host não rotulados. Esses transplantes foram utilizados para estudar o papel da migração e determinação do destino celular no desenvolvimento de estruturas embrionárias como o músculo e o cérebro.

Para entender os papéis que genes específicos desempenham no desenvolvimento de órgãos, os cientistas alteram a expressão genética. Neste experimento, oligonucleotídeos antissamo-americanos específicos de genes, conhecidos como morfinanos, foram injetados pela primeira vez em ovos de zebrafish fertilizados. Em seguida, os corações em desenvolvimento foram analisados utilizando-se um marcador fluorescente expresso seletivamente no músculo cardíaco. Aqui, o knockdown combinado de dois genes bloqueou completamente o desenvolvimento cardíaco.

A engenharia de tecidos permite que os cientistas investiguem interações entre diferentes tipos de células e alterem a distância entre estudos in vitro e in vivo. Neste experimento, foram geradas reconstruções da pele humana em laboratório. Para olhar para o desenvolvimento da pele, bem como a progressão do câncer, a migração de células-tronco da pele foi rastreada usando proteínas fluorescentes marcadas. As reconstruções cutâneas foram então enxertadas em camundongos, a fim de estudar o destino das células da pele e a fisiologia em um sistema vivo.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à organogênese. Neste vídeo, revisamos a história da pesquisa organogênese e introduzimos as principais perguntas feitas pelos embriologistas. Também exploramos estratégias de pesquisa proeminentes no campo, e discutimos algumas de suas aplicações atuais. Obrigado por assistir!