A tecnologia cerebral sobre um chip revela como sepse e doenças neurodegenerativas danificam o cérebro

Em vez de experimentos com animais, pesquisadores da Universidade de Rochester estão usando microchips de última geração com tecido humano para entender melhor como o cérebro opera sob condições saudáveis ​​e é danificado por doenças neurodegenerativas ou condições como sepse.

James McGrath, Professor de Engenharia Biomédica William R. Kenan Jr. Um par de estudos recentes publicados em Ciência Avançada e Materiais hoje Bio Usou as fichas para identificar como a barreira hematoencefálica se decompõe sob sérias ameaças, o que pode levar a novos tratamentos para manter os cérebros saudáveis.

Quando a inflamação prejudica o cérebro

Quando um paciente passa por uma grande cirurgia ou contrai uma infecção como a sepse, pode inflamar excessivamente os órgãos em todo o corpo, incluindo o cérebro, às vezes levando a um comprometimento cognitivo duradouro, especialmente em pacientes mais velhos.

Em um estudo publicado em Ciência AvançadaA equipe de McGrath usou chips de tecido para mostrar o que acontece na barreira quando o corpo sofre uma tempestade citocinética – quando o sistema imunológico cria uma resposta inflamatória sistêmica incontrolável. Seus experimentos mostraram que, com uma tempestade de citocinas alta o suficiente, a barreira hematoencefálica quebra, levando a lesão cerebral.

“Dois sinais de estresse diferentes – proteínas de sangue que vazam no cérebro, como o fibrinogênio, juntamente com citocinas inflamatórias – podem trabalhar juntas para desencadear mudanças prejudiciais nas células de suporte cerebral chamadas astrócitos”, diz Kaihua Chen, um Ph.D de engenharia biomédica. aluno e autor principal do estudo.

“Ao mesmo tempo, descobrimos que a força natural do fluxo sanguíneo ajuda a barreira hematoencefálica a permanecer mais forte contra esses desafios. Para mim, isso mostra como os princípios de biologia e engenharia podem se unir para nos dar novas idéias sobre como o cérebro se protege-e o que dá errado na doença”.

McGrath diz que, no futuro, a equipe espera integrar mais componentes do cérebro no lado do cérebro do chip, incluindo células imunes críticas no cérebro conhecido como microglia, para entender melhor como os neurônios são danificados durante esses eventos inflamatórios. Por fim, ele espera que os chips possam ser usados ​​para evitar lesões cerebrais em pacientes submetidos a tempestades de citocinas.

“Esperamos que, ao construir esses modelos de tecido em formato de chip, possamos organizar muitos modelos cerebrais em uma matriz de alta densidade para rastrear candidatos a medicamentos neuroprotetores e desenvolver modelos cerebrais com diversas origens genéticas, incluindo aquelas que podem ser vulneráveis ​​ou resilientes a tempestades de citocina”, diz McGrath.

Os pesquisadores também prevêem seus modelos sendo usados ​​em medicina personalizada, adaptada às necessidades de pacientes individuais.

“Se um paciente está prestes a se submeter a uma quimioterapia ou uma grande cirurgia que corre o risco de gerar tempestades de citocinas, uma modelagem de chips que o tecido cerebral do paciente específico pode ser usado para avaliar o risco e orientar a escolha e a dosagem de medicamentos para ajudar a prevenir lesões cerebrais como resultado”, diz McGrath.

Uma chave que faltava para a saúde do cérebro

Um segundo estudo, publicado em Materiais hoje Bioanalisou os pericitos, que suportam células que desempenham um papel importante, mas ainda não totalmente compreendido, na manutenção da barreira hematoencefálica. Estudos anteriores mostraram que, em casos de inflamação sistêmica e doenças neurodegenerativas, há muito menos pericitos do que em cérebros saudáveis, mas não se sabia totalmente por que.

A equipe de McGrath projetou orifícios e defeitos no tecido endotelial – os grupos de células que formam vasos sanguíneos – e introduziram pericitos para ver o que aconteceria.

“É difícil para as células endoteliais criar uma barreira adequada ao lidar com esses grandes buracos”, diz McGrath. “Quando adicionamos os pericitos à membrana, eles criam uma bela matriz de fibras estruturais que enchem esses orifícios para que as células endoteliais possam fazer sua barreira vital função”.

Demonstrando a interação entre pericitos e células endoteliais abre a porta para terapêuticas que podem preservar ou introduzir mais pericitos para ajudar a manter a barreira hematoencefálica estável.

“Ao criar defeitos na camada celular endotelial, estamos deixando as células interagirem mais diretamente, permitindo que os pericitos forneçam parte do apoio que fazem no corpo”, diz Michelle Trempel, um doutorado em engenharia biomédica. aluno e autor principal do estudo. “Isso é importante porque a perda de pericitos está implicada em muitas doenças neurodegenerativas; portanto, ter um modelo em que os pericitos estão fornecendo suporte permite estudar o impacto da perda de pericitos no futuro”.