Engenharia de tecidos biológicos:
reconstruindo o órgão humano
Pelo Prof. Dr. Alvaro Antonio Alencar de Queiroz
Ao longo dos séculos, sempre houve no mundo dos mitos
e da religião, profetas do apocalipse e da esperança, felizmente
estes últimos predominaram. A Ciência também emite alertas
de apocalipse e promessas de esperança, mas nela, os dois
não podem ser separados.
Na ciência, a produção de tecidos biológicos e órgãos
(A)
(B)
sempre foi em toda a história da humanidade um misto de mito
e ficção. Histórias da mitologia grega ou do cristianismo como
por exemplo, a criação do homem por Prometeu ou de Eva a
partir de uma costela de Adão (Fig. 1), representam bem a idéia
de se criar seres vivos a partir da matéria inanimada, seja a
partir do pó ou do osso.
(C)
Fig. 1. (A) Criação do homem por Prometeu segundo a mitologia grega. Com suas lágrimas de ódio a Zeus, Prometeu
molhou o barro e criou um ser à semelhança de uma divindade. Prometeu soprou a vida à escultura, chamando-a de homem.
Em seguida Prometeu desceu à terra e entregou o fogo aos homens. Era o princípio da revelação da sabedoria à humanidade.
(B) A criação de Eva a partir da costela de Adão segundo Michelangelo. (C) Pintura do Frei Angelico “Cura de Justiniano”.
Provavelmente a melhor inspiração quanto à idéia de que
é possível se melhorar a saúde humana proporcionando longevidade através da união entre a biologia e a engenharia esteja
na pintura do Frei Angelico “Cura de Justiniano” (Fig. 1) ilustrando os irmãos São Cosme e Damião transplantando um enxerto
alógeno de uma perna, para um soldado ferido. O enxerto alógeno é aquele coletado de um indivíduo e transplantando para
outro da mesma espécie. A utilização de enxertos alógenos é
acompanhada por riscos como a transmissão de doenças, rejeição imunológica e a doença do enxerto contra o hospedeiro.
Embora a biologia tenha conseguido progressos espantosos a partir de 1923, ainda pouco se sabe acerca dos processos
biológicos que afetam os seres humanos em sua essência.
Muitos processos da biologia celular estão sendo desvendados neste século e sua união com as engenharias permitirá o
surgimento de novas tecnologias nas áreas da saúde. A Engenharia de Tecidos Biológicos é uma engenharia híbrida onde as
ciências biológicas se unem à tecnologia carregando consigo o
objetivo primário de melhorar a condição humana, levando esperança para aqueles que precisam de um coração mais forte,
um rim saudável, um novo pâncreas ou a regeneração de uma
pele queimada.
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outubro/novembro - 2011
A Engenharia de tecidos é dedicada à geração de tecidos
biológicos usando os princípios de engenharia em conjunto
com a compreensão e aplicação das ciências biológicas. Seus
principais objetivos são projetar, produzir, modificar, expandir
e manter tecidos biológicos vivos. A Engenharia de tecidos é
um campo de pesquisa recente com uma grande projeção da
medicina moderna. O desenvolvimento de tecidos biológicos
humanos, e mesmo os organismos, que podem substituir tecidos ou órgãos doentes deixa o campo da ficção científica e se
torna realidade no presente século.
Diariamente ingressam nos hospitais de todo o mundo milhares de pessoas com mau funcionamento em algum de seus
órgãos (rim, coração, fígado) e em muitos casos, a situação do
paciente só pode ser solucionada através de um transplante.
Entretanto, devido à carência de doadores de órgãos, somente
uma parcela muito pequena da população de pacientes pode
ser transplantada.
O transplante de um órgão humano totalmente artificial,
criado a partir das próprias células do paciente, acabaria com
os problemas da falta de doadores ou a rejeição do órgão
transplantado, já que as matrizes utilizadas são inertes e não
possuem nenhuma capacidade de resposta imunológica.
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A estratégia inicial para se obter órgãos artificiais envolve o cultivo das células
biológicas do próprio paciente sobre uma matriz ou arcabouço polimérico de forma a
se conseguir a estrutura tridimensional do órgão que se deseja. O procedimento exige
o desenvolvimento de matrizes de polímeros sintéticos biodegradáveis que proporcionam um arcabouço para o crescimento das células e formação do tecido biológico
pretendido (Fig. 2). Os arcabouços poliméricos de origem sintética são necessários
para orientar o desenvolvimento de novas estruturas do tecido biológico danificado,
funcionando como um suporte estrutural. As matrizes poliméricas são reabsorvidas
com o tempo permanecendo somente o órgão artificial ou tecido biológico desejado.
Estudamos em nossos laboratórios
o crescimento de células cardíacas e células do tecido ósseo em condições in-vitro
nos arcabouços moleculares mostrados
na Fig. 3. Células do miocárdio (coração)
foram semeadas nas nanofibras (Fig. 3A) e células do osso (osteoblastos) foram
semeadas no arcabouço apontado na
Fig. 3-B. Após algumas poucas semanas,
o resultado foi um crescimento celular
intenso de ambas as células, conforme
pode ser observado na Fig. 4.
Observamos que os arcabouços
moleculares preparados em nossos laboratórios possibilitaram uma boa adesão
e crescimento celular, tanto dos osteoblastos como das células do miocárdio.
O próximo passo será dar uma forma tridimensional ao tecido biológico que se
forma à medida que a proliferação celular avança.
Fig. 2. Princípios básicos da engenharia de tecidos para a criação de órgãos
humanos artificialmente: (1) As células são retiradas do paciente, (2) expandidas
em meio de cultura onde existem os nutrientes adequados para sua proliferação,
(3) as células são transferidas para um arcabouço sintético, (4) cultivadas sobre o
arcabouço sintético em condições in-vitro para o crescimento do órgão ou
tecido e (5) o tecido ou órgão regenerado é transferido para o paciente.
(A)
Recentemente o grupo de pesquisa do Centro de Estudos e Inovação em Materiais Biofuncionais Avançados (CEIMBA) da UNIFEI tem se dedicado à produção de
arcabouços poliméricos para o crescimento de células cardíacas e do tecido ósseo.
A pesquisa tem se concentrado no preparo de arcabouços moleculares baseados em
nanofibras para a engenharia de tecido cardíaco e estruturas porosas biorreabsorvíveis para a regeneração do tecido ósseo (Fig. 3). As estruturas tridimensionais dos
arcabouços poliméricos estudados são formadas por redes de poros interconectadas
que se assemelham a elementos da matriz extracelular nativa do corpo humano, facilitando assim a fixação da célula apoiando seu crescimento e a regulação do processo
de diferenciação celular.
(B)
(A)
Fig. 3. Micrografias do microscópio eletrônico de varredura dos arcabouços
poliméricos para cultivo de células do miocárdio (A) e cultivo de osteoblastos (B).
Em (A) se observam nanofibras de um polímero condutor (polianilina) e em (B) é
observado a microestrutura do polímero biorreabsorvível poli(caprolactona) (PCL).
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(B)
Fig. 4. (A) Microscopia de fluorescência
do estudo do crescimento de células
de miocárdio em arcabouço polimérico nanofibroso. Observa-se uma
proliferação celular intensa das células
cardíacas, estando seus núcleos corados de azul. Em (B) são observadas as
células de osteoblastos (osso) cultivadas em estrutura de PCL poroso
através da microscopia eletrônica de
varredura (MEV). As setas vermelhas
indicam as células do osso crescendo
sobre a matriz porosa de PCL.
Nossas pesquisas têm como um
primeiro objetivo o preparo de arcabou-
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ços moleculares contendo células do miocárdio ativas (Fig. 4) para a regeneração
do músculo cardíaco lesado pelo infarto agudo do miocárdio (IAM), também
conhecido como ataque cardíaco. O IAM é um dano no músculo cardíaco, causado por uma redução ou falta no suprimento de sangue em uma determinada
área do coração.
Para superar a escassez de doadores de coração, a engenharia de tecidos
cardíacos aparece como uma abordagem nova e ambiciosa combinando os
conhecimentos de engenharia, química dos materiais, biologia e medicina para regenerar o coração danificado por IAM. Em um período de uma década estaremos
produzindo membranas capazes de revestir a área lesada pelo IAM e regenerar o
músculo cardíaco, superando assim o mau prognóstico de pacientes com insuficiência cardíaca e ao mesmo tempo a escassez de doadores de coração.
O segundo objetivo específico de nossa pesquisa está em se preparar arcabouços poliméricos porosos para o crescimento do tecido ósseo. Na Fig. 4-B
demonstra-se que há um bom crescimento de células ósseas sobre a estrutura
porosa do PCL. A superfície porosa parece fornecer um substrato adicional à
proliferação do tecido ósseo.
Atualmente, as duas novas tecnologias que viram o mundo de cabeça para
baixo, a tecnologia do computador e a tecnologia da Engenharia de Tecidos
Biológicos, percorrem caminhos separados. A tecnologia da informática nos
promete autômatos autorreprodutivos, máquinas construídas de metal e semicondutores capazes de substituir nossas máquinas atuais e de satisfazer nossas
necessidades de modo barato e mais flexível.
Simultaneamente, a tecnologia da engenharia de tecidos biológicos faz
promessas semelhantes. Uma célula pode agora ser programada para crescer
e se diferenciar produzindo um órgão humano e eliminando a necessidade de
doadores.
As duas tecnologias, dos autômatos e dos tecidos biológicos competem
pelo papel da liderança na revolução industrial no século XXI. Até agora os
computadores e autômatos estiveram na frente, mas a engenharia de tecidos
biológicos não se encontra muito atrás. À medida que as estruturas físicas do
computador moderno se tornam menores, e ao mesmo tempo em que as estruturas biológicas da engenharia de tecidos se tornam mais versáteis, as duas
tecnologias começam a se superpor e a se mesclar.
Atualmente nossa pesquisa está voltada para o projeto de biochips, sistemas inteligentes baseados em dispositivos híbridos eletrônicos e biológicos que
trabalham em conjunto na produção de um órgão artificial sem a presença da
mão humana, ou seja, estamos projetando uma máquina autorreprodutiva que
ao ser alimentada com células biológicas imprime, no sentido da palavra, um
órgão ou tecido humano, estabelecendo uma simbiose entre o silício e a célula
biológica de modo que somos incapazes de dizer onde um começa e o outro
termina.
As doenças em que se tem muita esperança de que a engenharia de tecidos
biológicos contribuirá decisivamente para a recuperação do órgão ou tecido biológico humano lesionado são doenças neurológicas como a Doença de Parkinson
e Alzheimer, doenças do coração como enfartes do miocárdio, diabetes, queimaduras graves, substituição de órgãos ou tecidos devido ao câncer e lesões
permanentes da medula espinhal. Se tudo andar bem, essa revolução trará longevidade ao ser humano de todo o planeta. E se, como usualmente acontece
nos assuntos humanos, nem tudo funcionar direito, então a beleza da evolução
e a riqueza continuarão a ser distribuídas desigualmente, como antes.
A partir de 2012, a UNIFEI iniciará o curso de Engenharia de Bioprocessos.
Será o único curso de Engenharia de Bioprocessos no Brasil que tem como principal foco a formação de Engenheiros na área de tecidos biológicos, aptos a
desenvolverem projetos e técnicas voltadas para a reconstrução de órgãos humanos e tecidos vegetais para processos da biotecnologia de interesse industrial.
Dr. Alvaro Antonio Alencar de Queiroz, Coordenador Científico do Centro de Estudos
e Inovação em Materiais Biofuncionais Avançados, Universidade Federal de Itajubá.
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