Esferoides celulares e dispositivos microfluídicos na biofabricação

Esferoides celulares são agregados de células que se auto organizam – através de ligações célula-célula e célula matriz extracelular – em uma arquitetura tridimensional (3D) (Figura 1). Devido a sua estrutura 3D, os esferoides exibem propriedades biológicas melhoradas quando comparadas ao cultivo tradicional em monocamada (2D). Dentre estas propriedades estão: (I) o aumento da atividade metabólica e viabilidade celular, (II) a estabilidade da morfologia e polarização do citoesqueto, (III) expressão gênica e proteica similar ao in vivo, (IV) o aumento da capacidade de diferenciação celular. Sendo então um modelo de cultivo celular fisiologicamente mais relevante, ou seja, mais mimético aos eventos que ocorrem in vivo.


Fig 1. Representação de um esferoide celular. [Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=jdDC3z-FHlE. Acesso em: 17 abr. 2021].

Por ser um modelo de estudo mais acurado e preditivo, os esferoides têm sido utilizados em diversos grupos de pesquisa ao redor do mundo. O seu uso tem permitido avanços significativos em inúmeras áreas do conhecimento como na biologia do câncer e doenças autoimunes, na descoberta de novos fármacos, no campo da toxicologia assim como na biofabricação (Figura 2).


Fig 2. Esquema representativo da formação do esferoide celular e suas aplicabilidades. [Adaptado de Kim et al., 2020].


No campo da biofabricação, os esferoides são muito utilizados como blocos de construção para a formação de macro tecidos. Isto porque, estudos já mostraram que esferoides compostos por células tronco, por exemplo, possuem maior potencial regenerativo, assim como estimulam a formação de novos vasos sanguíneos, em um processo conhecido como angiogênese.

Todas essas vantagens, associadas à sua produção que pode ser feita de forma automatizada e com alto rendimento, tornam os esferoides uma matéria prima favorável na linha de biofabricação.

Dentro da biofabricação, a tecnologia de bioimpressão 3D é a responsável por depositar esses esferoides de forma controlada em estruturas 3D pré-definidas (Video 1). Com o tempo, esses esferoides irão se fusionar formando então o macro tecido desejado.

A combinação entre os esferoides celulares e a tecnologia de bioimpressão permite a formação de construídos tissulares mais complexos, robustos e heterogêneos, deixando os pesquisadores cada vez mais próximos de alcançarem a biofabricação de órgãos em laboratório.

Vídeo 1 Bioimpressão 3D de esferoides celulares para formar construídos similares a vasos sanguíneos [Retirado de Itoh et al, 2015].


Uma outra tecnologia que tem ganhado muito destaque dentro da biofabricação são os sistemas microfisiológicos, popularmente conhecidos como organ-on-chip. Esses sistemas são compostos por canais microfluídicos, onde é possível a manipulação precisa e repetível de volumes em escala micro/nano.

A grande contribuição destes sistemas microfisiológicos é a capacidade de emular o microambiente de diversos tecidos, promovendo estímulos biomecânicos para as células.

Sabemos que as células no corpo humano estão sob constante estresse biomecânico. Durante as fases de contração/relaxamento dos batimentos cardíacos os cardiomiócitos estão constantemente sob tensão, as células pulmonares durante o ciclo respiratório sofrem forças de tração e compressão, assim como as células intestinais estão sob forte influência dos movimentos peristálticos.

Desse modo, dispositivos que sejam capazes de mimetizar a mecanobiologia das células são fundamentais, pois promovem um microambiente mais similar ao que as células se encontravam e, portanto, os dados extraídos dos experimentos serão mais precisos. Além desta vantagem, os sistemas microfisiológicos permitem tanto o monitoramento quanto o controle de parâmetros tais como O2, temperatura, pressão e pH em tempo real do cultivo celular.

Um dos sistemas microfisiológicos pioneiro foi reportado em 2010 por Hu e colaboradores. O microdispositivo multifuncional foi desenhado para mimetizar os movimentos respiratórios. Denominado como lung-on-chip e, medindo apenas 1-2 cm de comprimento, ele foi capaz de replicar as principais propriedades estruturais, funcionais e mecânicas da interface alvélo-capilar humana (Figura 3 A-C). Apesar de ser uma prova de conceito, este dispositivo abriu o caminho para microssistemas disruptivos, como intestine-on-chip, stroke-on-chip, neurovascular-unit-on-chip, heart-on-chip e body-on-chip.

O sinergismo entre esferoides celulares e os sistemas microfisiológicos já são amplamente reportados na literatura. Esta combinação é vantajosa porque une o melhor das duas tecnologias: Um modelo de cultivo fisiologicamente relevante associado a uma plataforma microfluídica capaz de replicar e monitorar o microambiente celular em tempo real.

Além de atuarem como sistemas microfisiológicos, os dispositivos microfluídicos possuem outras aplicabilidades dentro do campo da biofabricação. Estes dispositivos podem ser utilizados como cabeças (nozzle) de bioimpressoras. Com esta abordagem, é possível a deposição de gradientes contínuos contendo biotintas com diferentes propriedades reológicas. Resultando na bioimpressão de construídos tissulares com a histoarquitetura ainda mais sofisticada. Esta estratégia pode ser muito promissora quando consideramos tecidos anisotrópicos, tal como a cartilagem (Figura 3 D-E).


Fig 3. (A-B) representação da unidade alvéolo-capilar e o dispositivo bioinspirado, respectivamente. (C) imagem do sistema microfisiológico bioinspirado no pulmão humano [Adaptado de Huh et al., 2010]. (D) dispositivo microfluídico utilizado como nozzle de bioimpressora. (E) construído bioimpresso composto por gradientes de biotintas [Adaptado de Idaszek et al., 2019].

O uso de esferoides celulares e dispositivos microfluídicos possuem um papel ativo nos avanços vistos dentro do campo da biofabricação. São tecnologias promissoras, com inúmeras vantagens e que resultam em sistemas in vitro cada vez mais acurados e preditivos.

Ademais, por serem tecnologias que produzem respostas biológicas mais representativas, as mesmas podem atuar como métodos alternativos ao uso de animais. Apesar de ser uma prática ainda muito utilizada, os testes em animais levam a altos custos, impedimentos éticos e dúvidas na interpretação dos dados adquiridos. Como consequência, as projeções mercadológicas para ambas as tecnologias – esferoides celulares e organ-on-chip - são encorajadoras. Estima-se que o mercado global de esferoides celulares atinja US $ 2794,79 milhões até 2027, da mesma forma, a projeção global para o tamanho de mercado para organ-on-chip deve alcançar US $ 230.2 milhões até 2027.



REFERÊNCIAS

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