Cólon artificial bioeletrônico integrado elimina a necessidade de testes em animais

Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Irvine, desenvolveram um modelo 3D de cólon humano integrado à bioeletrônica para auxiliar na pesquisa do câncer colorretal e na descoberta de medicamentos. O “3D in vivo que imita o cólon humano” permite uma medicina personalizada e precisa e oferece uma alternativa mais ética, precisa e econômica aos testes tradicionais em animais.

Em artigo publicado recentemente na revista Ciência Avançadapesquisadores da Escola de Engenharia Samueli da UC Irvine descrevem sua criação de uma réplica de aproximadamente 5 por 10 milímetros que incorpora características estruturais essenciais de um cólon, incluindo curvatura liminar, organização celular em múltiplas camadas e a formação espontânea de reentrâncias semelhantes a criptas.

“As formas tridimensionais, curvas e criptas em nosso modelo 3D-IVM-HC são fundamentais para manter um comportamento celular mais realista, mesmo em tamanho reduzido”, disse o autor sênior Rahim Esfandyar-pour, professor assistente de engenharia elétrica e ciência da computação da UC Irvine.

“E porque o nosso modelo reproduz mais de perto a biologia do cólon humano, poderia potencialmente ser usado para rastrear medicamentos ou testar tratamentos de uma forma que preveja melhor as respostas dos pacientes do que modelos animais ou culturas celulares simples. Poderia estar entre os fortes modelos não animais e novas abordagens que os especialistas da Food and Drug Administration dos EUA estão procurando.”

Esfandyar-pour disse que se inspirou para realizar este projeto quando percebeu limitações críticas nos atuais métodos de testes pré-clínicos para detectar e tratar doenças do cólon. Ele disse que cerca de metade das descobertas toxicológicas derivadas de roedores não conseguem prever com precisão as toxicidades humanas, e os modelos animais muitas vezes capturam de forma inadequada aspectos críticos da biologia do tumor humano. Além disso, os estudos baseados em animais requerem recursos financeiros que muitas vezes totalizam vários milhões de dólares ao longo de um período de quatro a cinco anos apenas para estudos de rotina sobre o cancro.

“Nosso modelo 3D-IVM-HC bioeletrônico integrado aborda alguns dos desafios práticos e éticos na pesquisa baseada em animais, oferecendo uma abordagem baseada em células humanas e livre de animais, com potencial para permitir estudos translacionais rápidos, econômicos e escaláveis”, disse Esfandyar-pour. “Ao eliminar a variabilidade entre espécies, o modelo tem a capacidade de melhorar a traduzibilidade clínica, proporcionando um caminho acelerado e eticamente responsável para a investigação pré-clínica.”

O modelo é construído usando uma estrutura biológica feita de metacrilato de gelatina misturado com alginato, que juntos formam uma matriz de suporte que imita o tecido mole do cólon. As células do cólon humano revestem a superfície interna do minicólon, enquanto os fibroblastos de suporte são incorporados na camada externa para recriar o ambiente de vida do cólon.

“Este intrincado arranjo arquitetônico promove interações robustas entre células, produzindo um aumento de quatro vezes na densidade celular em relação às culturas 2D convencionais e possivelmente aumentando a relevância fisiológica e a função de barreira”, disse Esfandyar-pour.

Ele acrescentou que o modelo 3D-IVM-HC supera os sistemas tradicionais de triagem de drogas baseados em cultura. Em experiências utilizando o medicamento quimioterápico 5-fluorouracilo, o modelo mostrou que as células cancerígenas eram muito mais resistentes ao tratamento – necessitando de doses cerca de 10 vezes mais elevadas para alcançar o mesmo efeito de morte celular que uma aplicação numa placa de Petri convencional. Isto reflete a resistência aos medicamentos observada em tumores de pacientes reais, indicando a maior fidelidade do modelo para testes de medicamentos, observou Esfandyar-pour.

A plataforma abre novos caminhos para tratamentos personalizados, segundo o jornal. Os pesquisadores prevêem retirar as células do próprio paciente de uma biópsia de tumor e cultivar um mini-cólon personalizado para determinar qual medicamento funciona melhor para aquele paciente individual.

O cronograma de desenvolvimento do modelo envolve aproximadamente duas semanas para cultivo e maturação, seguidas de alguns dias de testes – uma abordagem dramaticamente mais rápida e econômica do que os estudos tradicionais em animais. Este período de tempo permite que o modelo imite de forma realista as respostas fisiológicas, ao mesmo tempo que fornece resultados rápidos para a triagem de medicamentos.

Esfandyar-pour disse que a inovação poderia promover a compreensão mecanicista, aumentar a precisão preditiva nas avaliações de eficácia terapêutica e acelerar a descoberta de medicamentos de precisão de alto rendimento.

“Hospitais e laboratórios poderiam, em última análise, usar esses modelos para realizar testes pré-clínicos em novas terapias de maneira ética e oportuna, possivelmente transformando o processo de desenvolvimento de medicamentos”, disse ele. “Esta pesquisa pode representar um passo significativo em direção aos esforços globais para desenvolver alternativas mais confiáveis, humanas e econômicas aos testes em animais, potencialmente avançando na medicina de precisão e melhorando os resultados para pacientes com câncer colorretal em todo o mundo”.