Stepwise direct reprogramming of adult human dermal fibroblasts into tendon-like cells via transcription factor optimization and 3D culture

No mundo da cirurgia pediátrica, reparar um buraco no diafragma — o músculo que separa o peito da barriga e nos ajuda a respirar — é um desafio de alto risco. Quando o defeito é grande demais para ser simplesmente costurado, os cirurgiões frequentemente dependem de remendos sintéticos feitos de materiais como o politetrafluoretileno expandido. Embora essas folhas artificiais possam manter o corpo unido a curto prazo, elas possuem uma falha crítica: são matéria morta. Elas não podem crescer, não se adaptam ao corpo em expansão de uma criança e carregam riscos de infecção ou calcificação ao longo do tempo. O objetivo final dos médicos é substituir esses remendos estáticos por tecido vivo que o corpo de uma criança possa aceitar e que cresça junto com ela. Para alcançar isso, cientistas estão explorando um método chamado reprogramação direta. Esse processo envolve pegar uma célula madura e especializada de uma parte do corpo e dar a ela um novo conjunto de instruções para se transformar em um tipo de célula inteiramente diferente, contornando a necessidade de criar células-tronco primeiro. A questão que os pesquisadores têm feito é se eles conseguem transformar uma célula comum da pele em uma célula de tendão, um componente crucial do diafragma, para construir um reparo vivo e em crescimento.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade Médica da Província de Quioto propôs-se a responder a essa pergunta tentando transformar células da pele humana adulta em células semelhantes a tendão. Eles começaram com fibroblastos dérmicos humanos adultos, que são as células de trabalho encontradas na pele que produzem colágeno e mantêm a estrutura do tecido. Essas células são abundantes e fáceis de obter de um paciente, tornando-as um ponto de partida ideal. Os cientistas introduziram um grupo específico de genes nessas células da pele usando um vírus inofensivo. Esses genes atuam como interruptores mestres, ou fatores de transcrição, que dizem à célula quais proteínas produzir e qual função desempenhar. Inicialmente, a equipe testou uma combinação de seis fatores diferentes, incluindo alguns conhecidos por impulsionar o desenvolvimento do tendão e outros usados para tornar as células mais flexíveis e prontas para mudar. Eles queriam ver se esse coquetel poderia forçar as células da pele a esquecer sua identidade original e adotar as características de um tenoblasto, uma célula que constrói e mantém os tendões.

O experimento mostrou que a combinação de seis fatores funcionou. As células da pele começaram a produzir altos níveis de tenomodulina e trombospondina-4, duas proteínas que servem como marcadores claros para células de tendão. Quando os pesquisadores observaram as células sob um microscópio, viram uma transformação física. As células originais da pele eram curtas e em forma de fuso, mas as células reprogramadas se alongaram, tornando-se longas e finas, assemelhando-se às fibras de um tendão real. Para garantir que essas novas células fossem estáveis, a equipe as colocou sob a pele de camundongos. Em uma semana, as células sobreviveram e formaram pequenos aglomerados no enxerto, provando que as células reprogramadas podiam persistir em um corpo vivo sem morrer imediatamente ou causar inflamação. Esse sucesso inicial confirmou que o conceito era viável, mas a equipe sabia que usar seis fatores era mais complexo do que o necessário. Eles queriam encontrar a receita mais simples e eficiente para alcançar o mesmo resultado.

Através de um processo de eliminação, os pesquisadores testaram diferentes combinações dos fatores para encontrar o conjunto mínimo necessário. Eles descobriram que quatro fatores eram suficientes: SCX, MKX, OCT3/4 e MYCL. O estudo revelou que cada um desses fatores desempenhava um papel distinto na transformação. Um fator, OCT3/4, era essencial para ativar o gene da tenomodulina, enquanto outro, SCX, era o principal impulsionador da produção de trombospondina-4. Os outros dois fatores ajudavam o processo a ocorrer de forma suave e eficiente. Essa descoberta foi significativa porque simplificou o procedimento, reduzindo o número de instruções genéticas necessárias para criar o tipo celular desejado. Os pesquisadores chamaram essas células convertidas com sucesso de "tenoblastos diretamente convertidos". Eles confirmaram que essas células pareciam células de tendão e produziam as proteínas corretas, embora tenham começado como células da pele.

A equipe investigou então se o ambiente no qual as células cresciam poderia melhorar seu desenvolvimento. Células cultivadas em um prato plano, conhecido como cultura bidimensional, mostraram bons resultados, mas os pesquisadores se perguntaram se um ambiente tridimensional mais natural ajudaria. Eles incorporaram algumas das células convertidas em um gel feito de colágeno, um material que imita o arcabouço natural do corpo. Eles descobriram que mover as células para o gel tridimensional após elas já terem passado algum tempo no prato plano aumentou ainda mais a expressão dos marcadores de tendão. Especificamente, as células que foram transferidas para o gel mais tarde no processo mostraram os níveis mais altos das proteínas-chave. Isso sugeriu que as células precisavam estabelecer sua nova identidade em um ambiente simples primeiro, antes que a estrutura tridimensional complexa pudesse ajudá-las a amadurecer ainda mais.

Embora os resultados fossem promissores, os pesquisadores foram cuidadosos ao notar os limites de seu trabalho atual. Eles haviam criado com sucesso células que pareciam e agiam como células de tendão em uma placa de cultura e sobreviveram por um curto período em camundongos, mas ainda não haviam testado se essas células poderiam suportar o estresse físico de um tendão real ou se poderiam se integrar totalmente em um corpo em crescimento a longo prazo. O estudo não mediu a força do novo tecido ou quão bem ele funcionaria em um paciente humano. No entanto, o trabalho forneceu um caminho claro e passo a passo a seguir. Ao identificar os quatro fatores específicos necessários e a melhor maneira de cultivar as células, a equipe estabeleceu uma base para a criação de tecido de tendão específico para cada paciente. Essa abordagem poderá levar, futuramente, ao desenvolvimento de remendos vivos e em crescimento para crianças com hérnias diafragmáticas, oferecendo uma solução que se adapta e cresce com o paciente, em vez de permanecer como um objeto estranho e estático.