A comparação evolutiva aponta os porcos como modelos superiores para a investigação do pâncreas humano e da diabetes

O desenvolvimento do pâncreas em porcos se assemelha muito mais aos humanos do que o modelo estabelecido em camundongos. Uma equipe internacional liderada por Helmholtz Munique e o Centro Alemão de Pesquisa sobre Diabetes (DZD) produziu agora uma comparação evolutiva abrangente de atlas unicelulares do desenvolvimento do pâncreas. Os resultados abrem novas perspectivas para terapias regenerativas.

Durante décadas, o pâncreas e o seu desenvolvimento têm sido um foco importante da investigação sobre diabetes e cancro. Até agora, a ciência baseava-se quase exclusivamente em modelos de ratos. No entanto, os ratos diferem dos humanos em muitos aspectos – desde a duração do desenvolvimento até ao metabolismo e regulação genética.

“Particularmente para doenças complexas como o diabetes mellitus, precisamos de modelos que realmente se assemelhem aos humanos”, enfatiza o Prof. Heiko Lickert. O pesquisador do DZD é diretor do Instituto de Pesquisa em Diabetes e Regeneração da Helmholtz Munique e professor da Universidade Técnica de Munique (TUM).

Num estudo recentemente publicado em Comunicações da Naturezaa equipe apresentou a primeira análise unicelular abrangente do desenvolvimento do pâncreas em camundongos, humanos e porcos. “Conseguimos demonstrar que os porcos se assemelham muito mais aos humanos do que os ratos no ritmo de desenvolvimento, nos mecanismos de controle molecular e na regulação genética”, explica Lickert.

Um banco de dados exclusivo

Uma olhada nos detalhes: Os pesquisadores examinaram mais de 120.000 células pancreáticas de porcos. As células foram obtidas nas três fases da gestação, que dura 114 dias em suínos. Usando sequenciamento de RNA unicelular de alta resolução e abordagens multiômicas, a equipe foi capaz de identificar com precisão os estágios de desenvolvimento e os tipos de células.

Comparações entre porcos e estágios iniciais de desenvolvimento em humanos mostram que os porcos se assemelham muito aos humanos no ritmo de desenvolvimento, na regulação epigenética e genética e nas redes reguladoras genéticas. Isto também se aplica ao desenvolvimento de células progenitoras e à geração de células produtoras de hormônios.

Particularmente digno de nota é que mais de metade dos factores de transcrição regulados pelo gene da neurogenina-3 (NEUROG3) – um regulador chave do desenvolvimento de células produtoras de hormonas – são idênticos em porcos e humanos. Muitos desses fatores já haviam sido validados com sucesso em modelos de células-tronco humanas. Isto inclui fatores-chave de transcrição genética, como PDX1, NKX6-1 ou PAX6, que são cruciais para a regulação genética e a formação de células beta.

O NEUROG3 desempenha um papel central no desenvolvimento do pâncreas. Ele atua como um “interruptor principal”, codificando um fator de transcrição, que é uma proteína que pode ativar especificamente outros genes e, portanto, tem uma influência significativa no desenvolvimento celular.

Nova população de células descoberta

Outra descoberta importante: um grupo de células especial – a célula endócrina preparada (PEC) – emerge durante o desenvolvimento embrionário tanto em porcos como em humanos. Os PECs podem se diferenciar em células das ilhotas produtoras de hormônios.

“Esses PECs poderiam representar uma fonte alternativa para a regeneração de células beta produtoras de insulina que podem até ser geradas sem o fator mestre neurogenina-3”, diz Lickert. “Isso poderia explicar por que pacientes com mutações raras no NEUROG3 ainda desenvolvem células beta funcionais. Este conhecimento é essencial para a regeneração de células beta em pessoas com diabetes como terapia causal no futuro”.

Mecanismos evolutivamente conservados

Os pesquisadores descobriram diferenças nos modelos de ratos. Por exemplo, o factor de transcrição MAFA, que regula a maturação das células beta, já é expresso pelas células beta dos porcos durante o desenvolvimento embrionário, mas está ausente nas células beta dos ratos. MAFA é essencial para a produção funcional de insulina em humanos. Nas células beta humanas, este factor regula a maturação final num fenótipo que é sensível à glicose – um pré-requisito central para a regulação do açúcar no sangue.

“Nossos resultados mostram quais redes reguladoras de genes são conservadas evolutivamente e quais são específicas da espécie”, comenta Lickert. “Somente quando pudermos identificar essas diferenças será possível melhorar os modelos animais de diabetes para que eles reflitam verdadeiramente os seres humanos”.

Além dos PECs, os cientistas também descobriram dois subtipos de células beta em porcos que exibem diferentes programas genéticos. “Nossa descoberta da heterogeneidade precoce das células beta é particularmente relevante: poderia nos ajudar a entender por que algumas células beta sobrevivem a doenças e outras não”, afirma Lickert.

Relevância para a medicina regenerativa

No entanto, a importância destas descobertas vai muito além da investigação básica. Eles também abrem perspectivas para terapias futuras.

Até agora, a geração de células beta estáveis ​​e funcionalmente maduras a partir de células-tronco em laboratório tem sido um grande obstáculo na medicina regenerativa. Os novos conhecimentos obtidos a partir da comparação evolutiva da organogénese do pâncreas podem contribuir para uma melhor compreensão dos programas de desenvolvimento e para a sua regulação deliberada, de modo que as células produtoras de insulina funcionais possam ser derivadas de progenitores e células estaminais para futuras terapias regenerativas.

Cooperações de longa data – uma chave para o sucesso

As cooperações de pesquisa de longo prazo também foram fundamentais para o sucesso do estudo. Como resultado, a equipe liderada pelo Prof. Fabian Theis conseguiu usar métodos de aprendizado de máquina e inteligência artificial para analisar com eficiência grandes conjuntos de dados complexos de pesquisas biomédicas e torná-los utilizáveis.

Igualmente crucial foi a estreita colaboração com o Prof. Eckhard Wolf e a Dra. Elisabeth Kemter da Ludwig-Maximilians-University Munich, um parceiro associado do DZD. Os investigadores da LMU especializaram-se no desenvolvimento de modelos de diabetes em porcos e fizeram contribuições vitais para a implementação experimental do estudo.