Uma Introdução ao Envelhecimento e regeneração

Biólogos no campo do envelhecimento e regeneração visam compreender os mecanismos desses dois processos complexos que estão implicados na manutenção da homeostase tecidual.

O envelhecimento, ou "senescência", envolve deterioração da morfologia celular e perda de funções ao longo do tempo, enquanto a regeneração refere-se à substituição de células envelhecidas ou danificadas. Os tecidos em nossos corpos são mantidos em um delicado equilíbrio entre senescência e regeneração. Embora a maioria dos nossos tecidos tenham uma vida útil finita, alguns deles têm a capacidade de se regenerar totalmente após uma lesão.

Este vídeo discutirá brevemente a história, destacando as principais descobertas no campo, algumas das questões importantes que estão sendo investigadas atualmente, alguns ensaios sendo usados para responder a essas perguntas, e algumas aplicações laboratoriais específicas desses conceitos.

Antes de falar sobre os experimentos atuais que estão sendo conduzidos, vamos dar uma olhada em algumas das descobertas importantes na história da pesquisa de envelhecimento e regeneração.

As primeiras observações de regeneração tecidual ocorreram por volta de 350 A.C., quando Aristóteles notou que os lagartos foram capazes de regenerar suas caudas depois de terem sido cortados.

No século XVIII, a regeneração tecidual tornou-se um tema quente de pesquisa, e três cientistas - R. A. Ferchault de Réaumur, Abraham Trembley e Lazzaro Spallanzani realizaram de forma independente estudos detalhados de regeneração tecidual em lagostim, hidra e newts, respectivamente.

Os principais cientistas ficaram menos interessados no fenômeno de regeneração ao longo do século seguinte, mas no início dos anos 1900 o interesse começou a se acumular no campo relacionado ao envelhecimento. Alexis Carrel, cirurgiã e bióloga francesa, sugeriu que as células cultivadas na cultura eram imortais e podiam se dividir indefinidamente. No entanto, outros cientistas não conseguiram replicar suas afirmações.

Em 1961, Leonard Hayflick e Paul Moorhead demonstraram que, ao contrário do que Carrel alegou, células normais cultivadas na cultura passam por divisão por um número finito de vezes, cerca de 40 a 60, após a qual entram na fase de senescência. Este fenômeno de divisão celular limitada ficou conhecido como o "limite hayflick".

Os primeiros indícios de um mecanismo para esse limite vieram em 1973, quando o biólogo soviético Alexey Olovnikov reconheceu que a máquina de replicação de DNA não poderia replicar totalmente as extremidades dos cromossomos, chamados telômeros. Ele previu a existência de um mecanismo para manter o comprimento do telômero em células saudáveis e cancerosas.

Mais tarde, em 1984, Elizabeth Blackburn, Carol Greider e Jack Szostak descobriram que este mecanismo envolvia uma enzima chamada telomerase. Eles demonstraram que a telomerase é responsável pela adição de sequências repetitivas à extremidade 3' do cromossomo, o que permitiria então que a polimerase de DNA replicasse totalmente as extremidades do cromossomo. Blackburn, Greider e Szostak compartilharam o Prêmio Nobel por essa descoberta em 2009.

Agora que revisamos algumas das descobertas relacionadas ao envelhecimento e à regeneração, vamos olhar para algumas perguntas-chave que estão sendo feitas no campo hoje.

Uma questão importante que está sendo investigada é: como as células envelhecem? Uma teoria predominante do envelhecimento celular é chamada de Teoria Radical Livre. A ideia é que, quando organelas celulares chamadas mitocôndrias realizem respiração oxidativa, subprodutos conhecidos como espécies de oxigênio reativo, ou ROS, são formados. A superprodução dessas moléculas induz o estresse oxidativo, que altera a função das organelas, como as próprias mitocôndrias e o ânticulo endoplasmático, e também pode causar danos ao DNA nuclear. Os cientistas estão interessados em descobrir os mecanismos por trás dessas ocorrências.

Outra pergunta que está sendo feita é: quais são os fatores fisiológicos e ambientais que afetam a vida útil de um organismo? Alguns pesquisadores buscam analisar os efeitos das mudanças ambientais, por exemplo, a restrição calórica, na vida útil de um organismo. Outros pesquisadores estão interessados em identificar genes e vias bioquímicas que regulam o processo de envelhecimento.

Finalmente, os cientistas também estão tentando entender como os tecidos sofrem regeneração espontânea após lesões. Células especiais conhecidas como células-tronco adultas têm sido consideradas instrumentais nesse processo, e alguns pesquisadores estão curiosos sobre a dinâmica dessas células após a lesão. Do ponto de vista clínico, os cientistas estão interessados em investigar como essas células podem ser empregadas em terapias para distúrbios degenerativos.

Agora que você conhece algumas das perguntas que estão sendo feitas no campo, vamos olhar para diferentes ferramentas de pesquisa que os cientistas empregam para responder a essas perguntas.

Uma das formas de medir a idade das células é determinando o comprimento do telômero e a atividade de telomerase. Ambos os parâmetros podem ser medidos usando reação em cadeia de polimerase, ou PCR.

Os cientistas também examinam os marcadores estabelecidos de células senescentes, como β-galactosidase. Isso pode ser feito manchando as células usando ensaios bioquímicos e observando-as sob o microscópio.

Para examinar os fatores que afetam a vida útil do organismo, os cientistas frequentemente usam organismos modelos invertebrados, como vermes ou moscas. As vantagens com esses modelos organismos são seus tempos de geração relativamente curtos, e sua capacidade de ser cultivado em configurações de laboratório simples. Além disso, as manipulações genéticas podem ser facilmente realizadas nesses organismos, que ajudam os cientistas a examinar os papéis dos genes no processo de envelhecimento e longevidade.

Finalmente, o papel das células-tronco adultas na regeneração tecidual pode ser estudado usando várias abordagens. Por exemplo, os cientistas podem rotular células-tronco adultas no tecido alvo com marcadores específicos, que lhes permitem rastrear essas células à medida que o tecido se regenera. Às vezes, os pesquisadores injetam diretamente essas células-tronco multipotentes no tecido danificado para estudar seu papel na reparação após lesões.

Uma vez que você agora conhece alguns dos métodos usados no campo do envelhecimento e regeneração tecidual, vamos olhar para algumas aplicações específicas desses métodos.

A lombriga Caenorhabditis elegans tem sido usada como uma plataforma de triagem para identificar mutações genéticas que podem prolongar a vida útil. Aqui, após a sincronização da idade com a ajuda de um protocolo cronometrado de colocação de ovos, os cientistas analisaram o efeito de uma mutação genética na vida útil de um organismo.

Para estudar os mecanismos de regeneração tecidual, existem muitos modelos que envolvem lesões iniciais seguidas da análise de mecanismos regenerativos. Neste exemplo, os cientistas examinaram a regeneração tecidual após a ablação da linha lateral, um componente sensorial chave do sistema nervoso periférico de zebrafish.

Para induzir a ablação, os cientistas trataram peixes com gentamicina. Após o tempo de recuperação designado, os peixes foram despejados na solução de corante vital fluorescente, que mancha as células-tronco neurais. Essas células manchadas foram então quantificadas usando microscopia de fluorescência.

Por fim, os pesquisadores frequentemente injetam células-tronco adultas para induzir a reparação de tecido danificado. Aqui, os cientistas usaram células-tronco multipotentes para induzir a regeneração de tecidos musculares danificados. Para isso, os cientistas geraram modelos de camundongos com músculos danificados do membro traseiro. Em seguida, células-tronco multipotentes foram injetadas diretamente nos músculos danificados. Após a injeção, as células tiveram tempo para proliferar e diferenciar, e sua contribuição para a amenização funcional foi analisada.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE ao campo do envelhecimento e regeneração. Este vídeo analisou destaques históricos do campo, algumas perguntas-chave sendo feitas por biólogos, alguns ensaios proeminentes sendo usados para responder a essas perguntas, e experimentos atuais sendo conduzidos para entender a biologia da senescência e regeneração. Como sempre, obrigado por assistir!