Microrrobôs reparam a espinal medula

As lesões da espinal medula podem ter consequências devastadoras para as pessoas afectadas. As células nervosas da medula espinal raramente se regeneram naturalmente e as cicatrizes impedem frequentemente o crescimento das fibras nervosas. As terapias modernas tentam influenciar as células estaminais implantadas utilizando estimulação eléctrica para promover o crescimento de novas células nervosas. Esta abordagem tem vários inconvenientes: requer a implantação de eléctrodos e as células transplantadas nem sempre sobrevivem ou se integram adequadamente no tecido existente.

Células e nanopartículas combinadas de forma inteligente

Os investigadores de Zurique estão a desenvolver uma nova abordagem, que publicaram na revista Nature Materials. Trata-se de combinar células estaminais terapêuticas com nanopartículas magnetoeléctricas, de modo a que as células possam ser guiadas magneticamente para o local exato de uma lesão e estimular as células estaminais para acelerar a reparação.

Para tal, os investigadores criaram um microrrobô biohíbrido, que combina células progenitoras neurais (NPCs) vivas com um componente técnico sob a forma de nanopartículas especialmente concebidas. As NPCs são derivadas de células estaminais pluripotentes induzidas (células iPS), que são células normais do corpo reprogramadas em laboratório para recuperar as propriedades das células estaminais. Estas células iPS têm o potencial de se diferenciar em vários tipos de células do sistema nervoso.

As nanopartículas são constituídas por duas camadas: uma camada interna que responde aos campos magnéticos e uma camada externa que converte essa resposta em sinais eléctricos. Ao combinar estas nanopartículas especiais com as células progenitoras, os investigadores fabricam os chamados NPCbots.

Um laboratório do tamanho de um chip

Os investigadores criam os NPCbots em laboratórios especializados, numa superfície de um centímetro quadrado. Este processo pode ser ilustrado graficamente. "Colocamos um reservatório no centro, onde prendemos as células. Depois injectamos as nanopartículas e esperamos que os dois componentes se liguem", explica o Professor Salvador Pané i Vidal, do Laboratório de Robótica Multi-Escala da ETH Zurique.

Após apenas trinta minutos, os NPCbots - cada um com cerca de seis micrómetros de tamanho - estão prontos a ser utilizados. "Para aumentar a escala de fabrico, operamos vários sistemas lab-on-chip em paralelo", explica Hao Ye, cientista sénior e primeiro autor do estudo. Dependendo do teste em questão, os investigadores do ETH precisam de centenas de milhares de microrrobôs para estudos baseados em células e de vários milhões para experiências com animais.

Peixe-zebra ferido volta a nadar

A equipa testou os NPCbots em larvas de peixe-zebra com lesões na espinal medula. Os microrrobôs foram injectados com precisão no local da lesão do peixe e foram gerados campos electromagnéticos. Para Pané Vidal, o trabalho de equipa foi fundamental para o êxito da experiência: "Stephan Neuhauss e Jingjing Zang, da Universidade de Zurique, fizeram um trabalho extremamente valioso. Permitiram-nos demonstrar, num sistema modelo regenerativo bem caracterizado, a rapidez com que as células se diferenciam utilizando o nosso método e como os nossos robots reparam a espinal medula". Em apenas três dias, o peixe-zebra exibiu uma natação e um comportamento exploratório quase normais.

Os investigadores também testaram os NPCbots em ratinhos com a espinal medula completamente cortada. Também aqui os resultados foram muito prometedores: ao fim de 28 dias, as células nervosas dos animais tinham voltado a ligar-se no local da lesão. Durante este período, os ratinhos tratados apresentaram padrões de movimento cada vez mais normais - a sua marcha, comprimento da passada, coordenação e comportamento exploratório melhoraram significativamente.

Este resultado é particularmente significativo porque, ao contrário do peixe-zebra, a medula espinal do ratinho não se regenera normalmente. O tratamento foi bem tolerado pelos animais, sem evidência de quaisquer efeitos adversos ou reacções imunitárias.

Sucesso através de estimulação minimamente invasiva

Estes sucessos foram possíveis através da estimulação eléctrica das células estaminais, aumentando consideravelmente a sua diferenciação após o transplante. Neste processo, as nanopartículas convertem sinais magnéticos diretamente em impulsos eléctricos que estimulam células estaminais específicas. Quando se utilizam os NPCbots, os investigadores só precisam de aplicar campos magnéticos externos à volta do local da lesão, eliminando a necessidade de implantar eléctrodos ou cabos nas abordagens anteriores. Isto é crucial porque a medula espinal é extremamente sensível. "A orientação microrrobótica torna o tratamento mais preciso e minimamente invasivo", explica Hao.

Os campos magnéticos são particularmente adequados para estimular as células estaminais porque conseguem penetrar facilmente nos tecidos e a sua frequência e intensidade de campo podem ser ajustadas de forma flexível à aplicação específica. Depois de as células progenitoras terem sido estimuladas e diferenciadas em células nervosas, os NPCbots dissolvem-se essencialmente no tecido. Os investigadores esperam que as nanopartículas sejam estáveis e minimamente reactivas devido ao seu revestimento de titanato de bário. Estudos posteriores determinarão se e como as partículas são degradadas ou excretadas a longo prazo.

A ideia pode ser alargada conforme necessário

Os resultados das experiências com animais são extremamente promissores, mas será necessária mais investigação antes de os NPCbots poderem ser testados em seres humanos. "Para além de muitos aspectos clínicos, temos primeiro de testar quais os campos magnéticos que funcionam melhor nos seres humanos e determinar a duração ideal da estimulação", explica Hao. No entanto, os investigadores já estão a considerar outras aplicações: "A produção reprodutível e escalável de microrrobôs utilizando o nosso sistema lab-on-a-chip demonstra que o potencial de aplicação da plataforma vai para além da investigação fundamental", explica o Professor Pané i Vidal. Poderá também ser adaptada a outras aplicações biomédicas - por exemplo, em cardiologia, oncologia, cicatrização de feridas e outras terapias regenerativas específicas. Isto poderia tornar estes tratamentos mais seguros, mais controláveis e mais eficazes.