Gelatin and PLG-based Scaffolds Differentially Support Follicle Integrity and Oocyte Growth in a 3D printed Scaffold

Para muitas crianças que enfrentam cânceres fatais, os próprios tratamentos que salvam suas vidas podem roubar sua fertilidade futura. A quimioterapia e a radioterapia frequentemente danificam os ovários, os órgãos que produzem óvulos e hormônios essenciais. Em adultos, os médicos às vezes podem congelar e armazenar o tecido ovariano para uso posterior, mas essa abordagem é perigosa para crianças. Seus ovários contêm óvulos imaturos que não podem ser congelados individualmente, e o reimplante de seu próprio tecido carrega o risco de reintroduzir células cancerígenas caso a doença tenha se espalhado para lá. Para resolver isso, cientistas estão trabalhando em um tipo diferente de solução: um ovário bioprotético. Este é um órgão artificial construído a partir de um arcabouço (scaffold), uma estrutura minúscula e porosa projetada para conter sacos de óvulos isolados, chamados folículos, e ajudá-los a crescer e amadurecer fora do corpo até que estejam prontos para o uso. O objetivo é substituir o tecido danificado por este sistema de suporte projetado, permitindo que o corpo produza hormônios e, eventualmente, libere óvulos saudáveis.

O desafio reside em encontrar o material certo para construir este arcabouço. O folículo é uma estrutura tridimensional delicada que deve ser mantida com segurança, mas também deve ter permissão para se expandir conforme cresce. Ele precisa interagir com as células de suporte ao redor e receber nutrientes, tal como uma planta que precisa do solo adequado para criar raízes e florescer. Pesquisadores utilizaram anteriormente um material chamado gelatina, que é derivado do colágeno, porque ele mimetiza o ambiente natural do corpo e ajuda as células a aderirem a ele. Mais recentemente, eles também investigaram um material sintético, ultraporoso, chamado poli(ácido lático-co-glicólico) ultra-fofinho, ou UF-PLG. Este material é incrivelmente leve e pode absorver muitas vezes o seu próprio peso em líquido, oferecendo um tipo diferente de estrutura. A questão era se um desses materiais era claramente superior, ou se ofereciam forças diferentes que poderiam ser combinadas.

Uma equipe de pesquisadores partiu para comparar esses materiais diretamente. Eles usaram uma impressora 3D para criar pequenos arcabouços a partir de três substâncias diferentes: gelatina pura, UF-PLG puro e uma versão híbrida onde o UF-PLG foi revestido com gelatina. Eles imprimiram esses arcabassos com um padrão geométrico específico, consistindo em cinco camadas de hastes dispostas em um ângulo de sessenta graus umas das outras, criando cantos que poderiam acomodar fisicamente os folículos esféricos. Eles então pegaram folículos secundários, que são pequenos sacos de óvulos do tamanho de um grão de areia, dos ovários de camundongos jovens. Cada folículo foi colocado sobre um dos três tipos de arcabassos e deixado para crescer em um líquido rico em nutrientes por dois, quatro ou seis dias. Os cientistas examinaram os folículos sob microscópios poderosos para ver o quão bem eles permaneciam aderidos, se mantinham sua forma e quanto o óvulo dentro deles cresceu.

Os resultados revelaram uma divisão clara de desempenho. Os arcabassos feitos de gelatina pura foram excelentes em manter os folículos seguros e protegidos. Quase todos os folículos colocados nesses arcabassos permaneceram aderidos e mantiveram sua integridade estrutural, o que significa que as camadas protetoras ao redor do óvulo não se romperam. A gelatina também incentivou as células de suporte circundantes a migrarem para o arcabasso e envolverem o folículo, criando uma unidade forte e integrada. Em contraste, os folículos nos arcabassos de puro UF-PLG tiveram um desempenho ruim. A maioria deles se desprendeu totalmente da estrutura, e aqueles que permaneceram frequentemente romperam, perdendo sua camada protetora. Os arcabassos híbridos, que combinavam os dois materiais, mostraram um meio-termo para a adesão, mas ofereceram uma vantagem surpreendente para o crescimento.

Embora os arcabassos de gelatina tenham sido os melhores em manter os folículos no lugar, eles não foram os melhores em ajudar o óvulo dentro deles a crescer até o tamanho total. Os pesquisadores mediram o diâmetro dos óvulos para verificar se atingiam um tamanho que indica que estão prontos para serem fertilizados, um marco conhecido como competência de desenvolvimento. Em camundongos, um óvulo precisa atingir um diâmetro de aproximadamente 70 a 72 micrômetros para ser considerado competente. Os óvulos nos arcabassos de gelatina cresceram, mas permaneceram menores que esse alvo. No entanto, os óvulos nos arcabassos híbridos de UF-PLG-gelatina cresceram mais do que o parâmetro de referência, atingindo um diâmetro médio de 75,6 micrômetros. Isso sugere que, embora a gelatina tenha sido melhor em manter a estrutura intacta, o material híbrido proporcionou um ambiente que permitiu ao óvulo se expandir mais livremente.

Os pesquisadores também testaram se tornar os arcabassos mais rígidos mudaria o resultado. Eles aumentaram a quantidade de reticulação química (crosslinking), que atua como uma cola para endurecer o material, e descobriram que isso tornou os arcabassos de gelatina significativamente mais rígidos. No entanto, essa mudança na rigidez não alterou drasticamente a forma como os folículos se aderiam ou o quanto os óvulos cresciam. As diferenças entre os materiais em si foram muito mais importantes do que as diferenças em quão duros eles eram. Essa descoberta sugere que a natureza química do material, em vez de apenas sua dureza física, é o principal fator que determina o comportamento do folículo.

Essas descobertas apontam para uma nova maneira de pensar sobre a construção de órgãos artificiais. Por muito tempo, os cientistas esperavam encontrar um único material que pudesse fazer tudo perfeitamente: segurar o tecido com segurança e ajudá-lo a crescer até a maturidade. Este estudo sugere que tal material de "tamanho único" pode não existir. Em vez disso, as necessidades de um folículo para estabilidade são diferentes de suas necessidades para crescimento. A gelatina forneceu a estabilidade necessária para manter a estrutura intacta, enquanto o componente de UF-PLG pareceu oferecer o espaço ou os sinais necessários para que o óvulo atingisse seu potencial máximo. Isso implica que os ovários bioprotéticos mais eficazes do futuro podem precisar ser construídos com múltiplos materiais, cuidadosamente arranjados para fornecer um lar seguro para o folículo e, simultaneamente, oferecer um ambiente permissivo para o amadurecimento do óvulo. Ao compreender que diferentes estágios de desenvolvimento exigem diferentes ambientes físicos, os cientistas podem se aproximar da criação de uma solução confiável para restaurar a fertilidade daqueles que a perderam devido ao câncer.