Pesquisadores da Universidade de Illinois, em Urbana-Champaign, usaram com sucesso células-tronco para projetar tecidos nervosos bio-híbridos vivos para desenvolver modelos 3D de redes neurais com a esperança de entender melhor como o cérebro e essas redes funcionam.
O primeiro autor, Gelson Pagan-Diaz-Diaz, compara o tecido produzido a uma unidade de processamento de computador, que forneceu o princípio básico ao supercomputador de hoje. Pagan-Diaz é um estudante de graduação do grupo do Prof. Rashid Bashir no Departamento de Bioengenharia da Grainger College of Engineering. Bashir também é o reitor da faculdade. "Ser capaz de formar tecidos tridimensionais constituídos por neurônios pode nos dar a capacidade de desenvolver modelos de tecidos para triagem de medicamentos ou unidades de processamento para computadores biológicos", disse Pagan-Diaz.
O cérebro é desafiador para estudar em uma pessoa real, mas ser capaz de entender como essas redes se desenvolvem usando um modelo 3D fora do corpo promete oferecer aos pesquisadores uma nova ferramenta para entender melhor como ela funciona. Esses modelos serão capazes de ajudar a entender como as anormalidades se formam, por exemplo, o que causa doenças como a doença de Alzheimer.
A equipe foi capaz de dar geometria 3D ao tecido vivo feito de neurônios optogenéticos, para que pudessem ser ativados com luz azul. Esses tecidos podem ser usados ​​para estudar comportamentos complexos que acontecem no cérebro e como esses tecidos reagem com o desenvolvimento de novos medicamentos. Também poderia significar menos dependência de animais para testar essas drogas no futuro.
"Se podemos controlar como esses neurônios se comunicam, se podemos treiná-los usando optogenética, se podemos programá-los, então podemos potencialmente usar para executar funções de engenharia", disse Bashir. "No futuro, nossa esperança é que, ao projetar esses tecidos neurais, possamos começar a realizar unidades de processamento biológico e computadores biológicos, semelhantes ao cérebro".
O projeto foi financiado através do Centro de Ciência e Tecnologia da NSF EBICS (Comportamentos Emergentes de Sistemas Celulares Integrados) e publicado este mês nos Anais da Academia Nacional de Ciências. Foi inspirado no trabalho realizado há cinco anos no desenvolvimento de músculos funcionais, onde pesquisadores do laboratório de Bashir desenvolveram bots que podem andar quando estimulados com eletricidade ou luz.
Este novo trabalho foi realizado pela equipe interdisciplinar composta por Pagan-Diaz, Bashir, Karla Ramos-Cruz, da bioengenharia, Richard Sam, da Escola de Biologia Molecular e Celular, Mikhail Kandel e Prof. Gabriel Popescu, de engenharia elétrica e de computadores, e Onur Aydin. e o professor Taher Saif, de ciência e engenharia mecânica.
Neste estudo, a equipe desenvolveu imitações de tecido neural que podem formar formas diferentes. A equipe usou hidrogéis e fibrina para criar estruturas em escala de milímetro a centímetro que não possuem andaimes rígidos e podem ser moldadas em várias formas desejadas.
É um conjunto de centenas a milhares de mícrons de células que contém muitas populações com uma composição genética semelhante aos tecidos in vivo. À medida que continuamos desenvolvendo esses métodos de bio fabricação, devemos conseguir capturar muitos dos fenômenos que ocorrem in vivo. Uma vez que possamos provar isso, seremos capazes de imitar a morfologia que vemos no cérebro. Depois que mostrarmos que o tecido produzido fora do corpo é semelhante ao tecido do corpo, podemos então fabricá-los repetidamente ".
Gelson Pagan-Diaz, primeiro autor
Além dos testes de drogas, a equipe está especialmente interessada em poder recapitular a maneira como essas redes podem desenvolver aprendizado e memória.
"Ser capaz de fabricar esses imitadores de tecidos fora do corpo nos permite caracterizar e estudar sua atividade elétrica em grandes detalhes", enfatizou Pagan-Diaz. "o amplo conjunto de regras de design devido à estrutura e às formas 3D oferece muito mais liberdade experimental e abre novos caminhos de pesquisa em aplicações em neurociência, medicina e engenharia".