Estímulos mecânicos podem controlar as funções das células-tronco, como sua proliferação e diferenciação. Cientistas trabalham para entender melhor o efeito destes estímulos sobre o poder regenerativo das células-tronco e utilizam este conhecimento em diversas aplicações na engenharia de tecidos.
Cada vez mais constatamos que o ambiente (ou nicho) em que as células-tronco se encontram tem influência sobre sua capacidade de auto renovação e de diferenciação. Sabe-se, por exemplo, que a presença de diferentes moléculas no meio celular, como os chamados fatores de crescimento, pode alterar o comportamento e as funções das células-tronco. Os fatores de crescimento são um conjunto de substâncias, normalmente proteínas, capazes de estimular ou de guiar o crescimento de células e tecidos específicos. Já falamos aqui no blog sobre a importância da complexa sinalização bioquímica nos processos de multiplicação e diferenciação das células-tronco em células especializadas, tecidos e órgãos (vale a pena relembrar aqui).
No entanto, muitos estudos vêm demonstrando que não só a presença de fatores bioquímicos no nicho celular, como é o caso dos fatores de crescimento, pode alterar o comportamento das células, mas também os estímulos mecânicos que atuam sobre elas. Estes estímulos podem ser tanto as forças que as células exercem umas sobre as outras ou que o suporte em que estão exerce sobre elas (pelo próprio contato), como as forças externas a que estão sujeitas (por sólidos, líquidos ou gases presentes no meio que as rodeiam).
O efeito das forças mecânicas sobre as células tronco é importante em diversos aspectos da fisiologia do corpo humano, desde o desenvolvimento embrionário e a chamada organogênes – a organização e diferenciação das células do embrião para formação dos órgãos – até os processos de regeneração de tecidos e órgãos. Os cientistas têm trabalhado para entender como as forças mecânicas regulam o comportamento das células tronco nestes processos para poder explorar estes conhecimentos aplicando-os na medicina regenerativa e engenharia de tecidos.
Na engenharia de tecidos, células-tronco são cultivadas sobre um suporte, que pode ter suas propriedades químicas e mecânicas manipuladas para alterar a forma com que as células se proliferam e diferenciam. Muitos estudos têm focado na manipulação das propriedades mecânicas deste suporte para avaliar a resposta das células-tronco neles cultivadas. Em um estudo publicado por pesquisadores da Universidade da Pensilvânia, nos Estados Unidos, observou-se que, no caso de células-tronco mesenquimais, suportes mais “macios” levam as células a se diferenciarem em linhagens de células neuronais ou adiposas, enquanto suportes mais rígidos direcionam a diferenciação para linhagens ósseas.
Outro estudo com células-tronco mesenquimais da medula óssea de ratos, realizado por cientistas das universidades chinesas de Sichuan e Dalian, mostrou que a aplicação de estímulos mecânicos a estas células promove sua proliferação, o que pode ser de grande importância para os processos de ampliação de escala de produção de células para aplicações terapêuticas.
Ainda, um estudo realizado por pesquisadores da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, mostrou que a manipulação das propriedades mecânicas e da composição bioquímica de um suporte tridimensional utilizado para estudar a reprogramação de células somáticas a células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs), pode facilitar a geração das iPSCs.
Um exemplo bem-sucedido da aplicação destes conhecimentos na engenharia de tecidos é o do trabalho de um grupo de cientistas da universidade americana de Stanford, com colaboradores em universidades suíças e suecas, que cultivaram células-troncos derivadas de tecido muscular em suportes com propriedade mecânica similar à do tecido muscular nativo. Estas células mostraram excelente capacidade de auto renovação e colaboraram para a regeneração do músculo quando transplantadas em ratos. Este estudo forneceu fortes evidências de que, ao reproduzir a rigidez do tecido fisiológico, a proliferação de células-tronco musculares adultas é possível e viável, permitindo visualizar futuras terapias para doenças que causam desgaste muscular.
Os avanços na engenharia de materiais, com o desenvolvimento de novos biomateriais e novas técnicas para sua obtenção, como é o caso da impressão 3D (sobre a qual já falamos aqui no blog) permitem manipular as propriedades físico-químicas e mecânicas dos suportes celulares, fazendo com que possam se assemelhar cada vez mais aos tecidos humanos. A produção de suportes com propriedades mecânicas similares às de diferentes tecidos permitem a realização de inúmeros estudos dentro da engenharia de tecidos, utilizando estímulos mecânicos para a diferenciação de células-tronco em linhagens específicas.
A relação entre estímulos mecânicos e comportamento celular está também presente em outros processos biológicos, como por exemplo o desenvolvimento de doenças. No caso do câncer, sabe-se que interações mecânicas entre as células e seu suporte natural (a matriz extracelular) sofrem alterações. Ainda não está claro como estas alterações regulam a iniciação e o desenvolvimento da doença, mas estudos já vêm sendo realizados no sentido de mostrar como elas influenciam na resistência de tumores a terapias convencionais, por exemplo. A tendência é que as pesquisas nesta área caminhem para fornecer soluções terapêuticas melhoradas para pacientes que sofrem com este tipo de doença.
Referências
