Já ouviste falar da orelha feita em laboratório?

Durante mais de 30 anos, os investigadores procuraram produzir uma orelha em laboratório a partir de material celular vivo de um doente. Em 2016, a professora Marcy Zenobi-Wong do ETH e a sua equipa fizeram ondas com uma orelha criada numa impressora 3D. Agora, no entanto, investigadores da ETH Zurich, do Instituto Friedrich Miescher em Basileia e do Hospital Cantonal de Lucerna deram mais um importante passo em frente. Utilizando células de cartilagem do ouvido humano, a equipa produziu cartilagem elástica em laboratório, obtendo propriedades mecânicas semelhantes às do tecido natural. A cartilagem artificial tem uma estabilidade semelhante à de uma orelha real e, num modelo animal, manteve a sua forma e elasticidade após seis semanas.

Esta investigação é relevante, sobretudo porque os incêndios e acidentes resultam frequentemente na perda total ou parcial das orelhas. Além disso, algumas crianças sofrem de malformações congénitas do ouvido externo. Esta condição, conhecida como microtia, afecta cerca de quatro em cada 10.000 crianças. Até à data, a reconstrução utilizando a cartilagem da costela do doente continua a ser a abordagem padrão. No entanto, este procedimento é doloroso e pode causar cicatrizes e deformações na região torácica - e a orelha reconstruída é frequentemente mais rígida do que uma orelha natural. Isto representa um desafio para os investigadores.

"Não estamos a implantar tecido mole na esperança de que se mantenha estável no corpo. Em vez disso, queremos alcançar essa estabilidade em laboratório", afirma Philipp Fisch, principal autor do estudo publicado na revista Advanced Function Materials. Fisch é um investigador sénior do Grupo de Engenharia de Tecidos e Biofabricação liderado pela Professora Marcy Zenobi-Wong do ETH.

No entanto, a elastina continua a ser um desafio central. Esta proteína é o que confere à orelha a sua maleabilidade. Os investigadores precisam não só de a produzir, mas também de a ligar corretamente em rede e garantir a sua estabilização a longo prazo. Os investigadores ainda têm de determinar um "projeto" biológico preciso para o conseguir.

De uma amostra de tecido à orelha impressa

Os investigadores extraíram células de pequenos restos de cartilagem removidos em operações para corrigir a forma das orelhas dos doentes. Estas células serviram como material de partida. Inicialmente, podem ser isoladas cem mil células de um pequeno pedaço de tecido com cerca de três milímetros de diâmetro. No entanto, uma orelha impressa requer várias centenas de milhões de células. Por isso, os investigadores permitiram que as células crescessem mais no laboratório, colocando-as numa solução nutritiva especial. Desenvolveram também um ambiente de cultura especial para fornecer nutrientes e oxigénio ao interior da orelha impressa e garantir que o tecido amadurecesse de forma uniforme.

A equipa de investigação testou diferentes factores de crescimento para promover a divisão celular. Ao mesmo tempo, pretendiam evitar que as células da cartilagem da orelha se comportassem como fibroblastos. Estas células do tecido conjuntivo produzem principalmente colagénio tipo I e podem formar tecido cicatricial. O resultado seria a fibrocartilagem, um tecido mais macio com colagénio de tipo I, em vez do colagénio de tipo II e da elastina, mais rígidos, que se encontram normalmente na cartilagem do ouvido.

Os investigadores incorporaram então as células multiplicadas num bioink, um material semelhante a um gel que serve de suporte. Utilizaram uma impressora 3D para formar estruturas auriculares a partir desta tinta. Imediatamente após a impressão, o tecido ainda era muito macio. "Embora o material de entrada seja crucial, a capacidade de desenvolvimento do tecido também o é", explica Fisch. Assim, as orelhas impressas foram colocadas numa incubadora para amadurecerem durante várias semanas e receberam um fornecimento contínuo de nutrientes. O objetivo era promover a formação de colagénio tipo II, elastina e glicosaminoglicanos - moléculas semelhantes a açúcar que ligam a água e aumentam a resistência da cartilagem.

Dimensionalmente estável em modelos animais

Fisch acredita que uma combinação de quatro factores foi decisiva para o sucesso da equipa. "Optimizámos a proliferação celular, ajustámos as propriedades do material, aumentámos a densidade celular e controlámos o ambiente de maturação de forma mais eficaz", explica. Após cerca de nove semanas de pré-maturação em laboratório, os investigadores implantaram as construções auriculares sob a pele de ratos. Em seguida, monitorizaram o tecido durante várias semanas. Os investigadores verificaram que as orelhas artificiais permaneciam estáveis após seis semanas, com propriedades mecânicas semelhantes às da cartilagem natural. "Apesar deste grande sucesso, a elastina continua a ser um desafio para nós, pois não conseguimos amadurecê-la completamente", diz Fisch. "Observámos alterações no tecido. Isso mostra claramente que precisamos de a estabilizar mais".

Apenas alguns grupos de investigação em todo o mundo estão a trabalhar para produzir cartilagem auricular elástica. Além disso, o processo de investigação é moroso, com uma única experiência a durar cerca de três a quatro meses. Os investigadores realizam experiências complexas que combinam diferentes condições para descodificar o modelo biológico, que continua a ser difícil de compreender. A formação controlada de uma rede estável de elastina é decisiva para que o ouvido artificial mantenha a sua forma a longo prazo.

A procura paciente de um modelo de rede de elastina

"Há mais de dez anos que trabalhamos neste problema no nosso grupo", diz Fisch. Para quem está de fora, isto pode parecer muito tempo. "Quando se trata de biofabricação de tecidos, ou engenharia de tecidos, como também é conhecida, é raro ver progressos rápidos."

A cartilagem auricular de engenharia é objeto de grande interesse. "O estudo mal tinha sido publicado quando recebi uma mensagem dos pais de uma criança com microtia", recorda Fisch. Os pais queriam saber até que ponto a investigação tinha avançado e quando poderiam ser efectuados ensaios clínicos.

Por seu lado, Fisch continua otimista. "Se tudo correr bem, esperamos encontrar o projeto da rede de elastina nos próximos cinco anos", afirma. Os passos seguintes seriam os estudos clínicos, os procedimentos de teste estruturados e os processos de aprovação formal. A cartilagem artificial do ouvido tem de ultrapassar estes obstáculos regulamentares antes de poder passar do laboratório para a prática clínica.

"O nosso estudo atual fornece um bom guia para o estado atual da investigação", resume Fisch. "Mostra o quão perto estamos de recriar o ouvido humano - e o que ainda falta".