Simular para entender: uso de organoides no desenvolvimento de dentes

Por Michelle Tillmann Biz – Dpto. de Ciências Morfológicas / UFSC

O uso de organoides tem sido uma ferramenta muito útil para o entendimento do processo de desenvolvimento natural de doenças ou no estabelecimento de terapias regenerativas. Seu uso na ciência é tão importante que já mereceu destaque aqui no Cientistas Descobriram Que… (acesse clicando aqui). De forma sucinta, organoides são estruturas tridimensionais formadas a partir de células-tronco humanas (ou células progenitoras). Essas células são cultivadas em condições de indução para a diferenciação e arranjo celular, resultando em um órgão substituto de laboratório (in vitro) com uma semelhança com o próprio órgão do ser humano (in vivo).

A utilização mais comum dos organoides é a substituição de parte de órgãos lesionados, mas também são utilizados no estudo do processo de desenvolvimento natural e de doenças relacionadas a esse desenvolvimento. Muitos modelos de organoides já foram desenvolvidos: intestino, estômago, fígado, próstata, cérebro. Mais recentemente, os Cientistas Descobriram Que… é possível criar um organoide de dente humano simulando o seu estágio inicial de desenvolvimento.

Antes de começar a descrever como os cientistas conseguiram esse feito, precisamos entender como ocorre o desenvolvimento natural de um dente em seu estágio inicial. Primeiro, logo abaixo da camada de tecido que recobre nossa cavidade oral (chamada de epitélio oral), exatamente no local onde o dente irá desenvolver-se, ocorre um agrupamento de células (chamadas mesenquimais). Esse processo de agrupamento é chamado de condensação mesenquimal e é muito importante no processo de formação dos órgãos (organogênese). Uma vez condensadas, as células mesenquimais passam a estimular as células do epitélio oral que estão acima delas a invaginarem em direção às células mesenquimais (veja este momento acontecendo na imagem A da figura 1). Este processo chama-se interação epitélio-mesênquima. O dente irá desenvolver-se em meio a essa interação, tendo estruturas que serão derivadas das células epiteliais (por exemplo, o esmalte dental) e estruturas derivadas das células mesenquimais (por exemplo, a dentina, a polpa, o cemento dental). Então, para termos um dente desenvolvendo-se precisamos não só destes dois tipos celulares, mas também da interação entre eles. A figura 1 representa este momento de desenvolvimento. Em A, vemos a condensação mesenquimal ocorrendo e provocando a invaginação epitelial em direção às células mesenquimais. Esta fase do desenvolvimento do dente chama-se fase de botão, pois a morfologia do germe em três dimensões se assemelha a um botão de rosa. Já em B, notamos que a invaginação epitelial passa agora a abraçar lateralmente as células mesenquimais, o que aos poucos provoca um leve achatamento no centro do que era o botão epitelial. Em C, visualizamos como a invasão das células epiteliais ocorreu lateralmente envolvendo as células mesenquimais. Esta fase é chamada de fase de capuz, pois a porção epitelial em três dimensões estará se assemelhando literalmente a um capuz. Nessa fase, o conjunto de células epiteliais em forma de capuz e de células mesenquimais condensadas dentro e ao redor do capuz epitelial já  é chamado de germe dentário.

Figura 1: Sequencia temporal de cortes histológicos demonstrando a fase inicial do desenvolvimento dos dentes, onde ocorrerá a condensação mesenquimal e a invaginação epitelial, resultado de uma interação epitélio-mesênquima. (A) fase de botão; (B) fase intermediária entre botão e capuz; (C) fase de capuz.

Pois bem, os cientistas recriaram este momento do desenvolvimento. E como fizeram isso? Eles isolaram células tronco da polpa dental de terceiros molares humanos extraídos (células mesenquimais) e cultivaram essas células em condições ideais para que a condensação mesenquimal ocorresse. Após 12 horas já foi observado que as células estavam agregadas em uma formação tridimensional. Posteriormente, os cientistas adicionaram a esta cultura células epiteliais gengivais humanas, chamadas de queratinócitos. As células foram mantidas em condições específicas de uma co-cultura (cultura de dois tipos celulares), com meio contendo todos os nutrientes necessários para a sobrevivência dessas células (meio suplementado) para permitir que os dois tipos celulares se desenvolvessem. Para melhor diferenciar os tipos celulares, utilizaram ainda um corante fluorescente para cada tipo celular: células mesenquimais foram marcadas em verde fluorescente (eGFP), enquanto as células epiteliais foram marcadas com vermelho fluorescente (CellTRacker Red). Assim, utilizando microscópio de fluorescência, conseguiram rastrear e identificar cada tipo de célula, separadamente e em conjunto. As células foram mantidas em cultura e analisadas em microscópio (histologicamente) e em relação as suas características moleculares (molecularmente) em diferentes períodos.

Após três semanas de co-cultura tridimensional, foi possível verificar que os dois grupos celulares estavam muito próximos entre si, havendo duas camadas distintas de células (epiteliais e mesenquimais), sendo que alguns queratinócitos já estavam em um processo de invaginação para o interior das células mesenquimais condensadas (estágio necessário para a formação do botão). Mas foi em quatro semanas que observaram efetivamente as células epiteliais invadindo localmente em direção à massa de células mesenquimais formando um grupo de células epiteliais no interior das células mesenquimais (a semelhança do que vemos na imagem A da figura 1), refletindo, assim, a capacidade de interação dessas células tal qual ocorre no desenvolvimento inicial de um dente. Ainda, as análises de biologia molecular demonstraram que neste modelo houve a ativação de vias de sinalização que estão relacionadas com o desenvolvimento do dente humano.

E como este organoide pode nos ajudar? Primeiro por ser um bom modelo de estudos do desenvolvimento inicial do dente, enriquecendo o arsenal de ferramentas de estudo a disposição para além dos modelos animais; segundo, por propiciar o uso de ferramentas moleculares mais específicas, por exemplo, quando se deseja bloquear alguma proteína para descobrir seu papel no processo de desenvolvimento, o que em alguns modelos animais quando se trata de proteínas vitais pode ser um pouco mais difícil, senão impossível; e por fim, quem sabe um dia poderá ser a ferramenta que irá permitir o desenvolvimento de dentes humanos completos (mas este é assunto que merece um capítulo à parte).

Para saber mais, acesse os textos abaixo:

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