Os efeitos regenerativos das moléculas podem ser universais em todos os tipos de tecidos
Por Universidade Northwestern, cm informações de Science Daily.
Em novembro de 2021, pesquisadores da Northwestern University introduziram uma nova terapia injetável, que utilizava “moléculas dançantes” de movimento rápido para reparar tecidos e reverter paralisia após lesões graves na medula espinhal.
Agora, o mesmo grupo de pesquisa aplicou a estratégia terapêutica a células de cartilagem humana danificadas. No novo estudo, o tratamento ativou a expressão genética necessária para regenerar a cartilagem em apenas quatro horas. E, após apenas três dias, as células humanas produziram componentes proteicos necessários para a regeneração da cartilagem.
Os pesquisadores também descobriram que, conforme o movimento molecular aumentava, a eficácia do tratamento também aumentava. Em outras palavras, os movimentos de “dança” das moléculas eram cruciais para desencadear o processo de crescimento da cartilagem.
O estudo foi publicado em 26 de julho no Journal of the American Chemical Society.
“Quando observamos pela primeira vez os efeitos terapêuticos das moléculas dançantes, não vimos nenhuma razão pela qual isso deveria ser aplicado somente à medula espinhal”, disse Samuel I. Stupp, da Northwestern, que liderou o estudo. “Agora, observamos os efeitos em dois tipos de células que são completamente desconectadas uma da outra — células de cartilagem em nossas articulações e neurônios em nosso cérebro e medula espinhal. Isso me deixa mais confiante de que podemos ter descoberto um fenômeno universal. Poderia ser aplicado a muitos outros tecidos.”
Um especialista em nanomedicina regenerativa, Stupp é professor do Conselho de Administração de Ciência e Engenharia de Materiais, Química, Medicina e Engenharia Biomédica na Northwestern, onde é diretor fundador do Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology e seu centro afiliado, o Center for Regenerative Nanomedicine. Stupp tem nomeações na McCormick School of Engineering, Weinberg College of Arts and Sciences e Feinberg School of Medicine. Shelby Yuan, um aluno de pós-graduação no laboratório Stupp, foi o autor principal do estudo.
Grande problema, poucas soluções
Em 2019, quase 530 milhões de pessoas ao redor do mundo estavam vivendo com osteoartrite, de acordo com a Organização Mundial da Saúde. Uma doença degenerativa na qual os tecidos nas articulações se rompem ao longo do tempo, a osteoartrite é um problema de saúde comum e a principal causa de incapacidade.
Em pacientes com osteoartrite grave, a cartilagem pode se desgastar tanto que as articulações essencialmente se transformam em osso sobre osso – sem uma almofada entre elas. Isso não só é incrivelmente doloroso, como as articulações dos pacientes também não conseguem mais funcionar adequadamente. Nesse ponto, o único tratamento eficaz é uma cirurgia de substituição da articulação, que é cara e invasiva.
“Os tratamentos atuais visam retardar a progressão da doença ou adiar a substituição inevitável da articulação”, disse Stupp. “Não há opções regenerativas porque os humanos não têm uma capacidade inerente de regenerar cartilagem na idade adulta.”
O que são “moléculas dançantes”?
Stupp e sua equipe postularam que “moléculas dançantes” podem encorajar o tecido teimoso a se regenerar. Anteriormente inventadas no laboratório de Stupp, moléculas dançantes são conjuntos que formam nanofibras sintéticas compreendendo dezenas a centenas de milhares de moléculas com sinais potentes para células. Ao ajustar seus movimentos coletivos por meio de sua estrutura química, Stupp descobriu que as moléculas em movimento poderiam encontrar rapidamente e se envolver adequadamente com receptores celulares, que também estão em movimento constante e extremamente aglomerados nas membranas celulares.
Uma vez dentro do corpo, as nanofibras imitam a matriz extracelular do tecido circundante. Ao combinar a estrutura da matriz, imitando o movimento de moléculas biológicas e incorporando sinais bioativos para os receptores, os materiais sintéticos são capazes de se comunicar com as células.
“Os receptores celulares se movem constantemente”, disse Stupp. “Ao fazer nossas moléculas se moverem, ‘dançar’ ou até mesmo saltar temporariamente para fora dessas estruturas, conhecidas como polímeros supramoleculares, elas conseguem se conectar mais efetivamente com os receptores.”
O movimento importa
No novo estudo, Stupp e sua equipe olharam para os receptores em busca de uma proteína específica crítica para a formação e manutenção da cartilagem. Para atingir esse receptor, a equipe desenvolveu um novo peptídeo circular que imita o sinal bioativo da proteína, que é chamado de fator de crescimento transformador beta-1 (TGFb-1).
Então, os pesquisadores incorporaram esse peptídeo em duas moléculas diferentes que interagem para formar polímeros supramoleculares em água, cada um com a mesma capacidade de imitar o TGFb-1. Os pesquisadores projetaram um polímero supramolecular com uma estrutura especial que permitiu que suas moléculas se movessem mais livremente dentro dos grandes conjuntos. O outro polímero supramolecular, no entanto, restringiu o movimento molecular.
“Queríamos modificar a estrutura para comparar dois sistemas que diferem na extensão de seu movimento”, disse Stupp. “A intensidade do movimento supramolecular em um é muito maior do que o movimento no outro.”
Embora ambos os polímeros imitassem o sinal para ativar o receptor TGFb-1, o polímero com moléculas de movimento rápido foi muito mais eficaz. De certa forma, eles foram ainda mais eficazes do que a proteína que ativa o receptor TGFb-1 na natureza.
“Após três dias, as células humanas expostas às longas montagens de moléculas mais móveis produziram maiores quantidades dos componentes proteicos necessários para a regeneração da cartilagem”, disse Stupp. “Para a produção de um dos componentes da matriz da cartilagem, conhecido como colágeno II, as moléculas dançantes contendo o peptídeo cíclico que ativa o receptor TGF-beta1 foram ainda mais eficazes do que a proteína natural que tem essa função em sistemas biológicos.”
Qual é o próximo?
A equipe de Stupp está atualmente testando esses sistemas em estudos com animais e adicionando sinais adicionais para criar terapias altamente bioativas.
“Com o sucesso do estudo em células de cartilagem humana, prevemos que a regeneração da cartilagem será muito melhorada quando usada em modelos pré-clínicos altamente translacionais”, disse Stupp. “Ele deve se desenvolver em um novo material bioativo para regeneração de tecido de cartilagem em articulações.”
O laboratório de Stupp também está testando a capacidade de moléculas dançantes de regenerar ossos — e já tem resultados iniciais promissores, que provavelmente serão publicados ainda este ano. Simultaneamente, ele está testando as moléculas em organoides humanos para acelerar o processo de descoberta e otimização de materiais terapêuticos.
A equipe de Stupp também continua a desenvolver seu caso junto à Food and Drug Administration, com o objetivo de obter aprovação para ensaios clínicos para testar a terapia para reparo da medula espinhal.
“Estamos começando a ver a tremenda amplitude de condições às quais essa descoberta fundamental sobre ‘moléculas dançantes’ poderia se aplicar”, disse Stupp. “Controlar o movimento supramolecular por meio do design químico parece ser uma ferramenta poderosa para aumentar a eficácia de uma série de terapias regenerativas.”
Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Northwestern University . Original escrito por Amanda Morris. Nota: O conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e ao comprimento.
Referência do periódico :
Shelby C. Yuan, Zaida Álvarez, Sieun Ruth Lee, Radoslav Z. Pavlović, Chunhua Yuan, Ethan Singer, Steven J. Weigand, Liam C. Palmer, Samuel I. Stupp. Supramolecular Motion Enables Chondrogenic Bioactivity of a Cyclic Peptide Mimetic of Transforming Growth Factor-β1. Journal of the American Chemical Society, 2024; DOI: 10.1021/jacs.4c05170
