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Um avanço na pesquisa do autismo foi alcançado com o sistema CHOOSE, desenvolvido pelos pesquisadores do IMBA e da ETH Zurich. Esta tecnologia permite o estudo detalhado de mutações genéticas em organoides do cérebro humano, oferecendo insights profundos sobre os mecanismos subjacentes do autismo e abrindo caminho para aplicações mais amplas de pesquisa de doenças.
O sistema CHOOSE, uma abordagem inovadora que combina organoides cerebrais e genética, transforma a pesquisa do autismo ao permitir análises detalhadas de mutações e seus efeitos no desenvolvimento do cérebro.
O cérebro humano tem um calcanhar de Aquiles que leva ao autismo? Com um novo sistema revolucionário que combina tecnologia organoide cerebral e genética complexa, os pesquisadores podem agora testar de forma abrangente o efeito de múltiplas mutações em paralelo e em nível de célula única dentro dos organoides cerebrais humanos.
Esta tecnologia, desenvolvida por investigadores do grupo Knoblich do Instituto de Biotecnologia Molecular (IMBA) da Academia Austríaca de Ciências e do grupo Treutlein da ETH Zurique, permite a identificação de tipos de células vulneráveis e redes reguladoras genéticas subjacentes às perturbações do espectro do autismo. Este método inovador oferece uma visão incomparável sobre um dos distúrbios mais complexos que desafiam o cérebro humano, com implicações que trazem a esperança necessária à pesquisa clínica do autismo.
Desenvolvimento do cérebro humano e riscos de TEA
Comparado com outro animal espécies, o cérebro humano tem mente própria. Para se desenvolver, o cérebro humano depende de processos exclusivos dos humanos, o que nos permite construir um córtex intrinsecamente em camadas e conectado. Esses processos únicos também tornam os distúrbios do neurodesenvolvimento mais prováveis em humanos.
Por exemplo, muitos genes que conferem um elevado risco de desenvolvimento transtorno do espectro do autismo (ASD) são cruciais para o desenvolvimento do córtex. Embora estudos clínicos tenham demonstrado causalidade entre múltiplas mutações genéticas e autismo, os investigadores ainda não compreendem como é que estas mutações levam a defeitos de desenvolvimento cerebral – e devido à singularidade do desenvolvimento do cérebro humano, os modelos animais são de utilização limitada.
“Apenas um modelo humano do cérebro pode recapitular a complexidade e as particularidades do cérebro humano”, afirma o Diretor Científico do IMBA, Jürgen Knoblich, um dos autores correspondentes do estudo.
Metade esquerda: imagem confocal de um sistema de mosaico organoide do cérebro humano CHOOSE (CRISPR-human organoids-scRNA-seq) mostrando células portadoras de uma mutação em vermelho. Metade direita: uma representação em mosaico de cores diferentes representando células únicas, cada uma carregando uma mutação em um gene de autismo altamente confiável. Crédito: © Knoblich Lab / Gráficos IMBA-IMP
Sistema CHOOSE inovador para triagem genética
Para ajudar a abrir esta caixa negra, investigadores dos grupos de investigação de Jürgen Knoblich e Barbara Treutlein no IMBA e ETH Zurique desenvolveram uma técnica para rastrear um conjunto completo de genes reguladores transcricionais chave ligados ao autismo. Este desenvolvimento é especialmente impactante, uma vez que os genes de interesse podem ser examinados simultaneamente dentro de um único organoide em mosaico, marcando o início de uma era de triagem genética intrincada, eficiente e conveniente em tecido humano.
No sistema recentemente desenvolvido, denominado “CHOOSE” (CRISPR-human organoids-scRNA-seq), cada célula do organoide carrega no máximo uma mutação em um gene específico do TEA. Os pesquisadores puderam rastrear o efeito de cada mutação em nível unicelular e mapear a trajetória de desenvolvimento de cada célula.
“Com esta metodologia de alto rendimento, podemos inativar sistematicamente uma lista de genes causadores de doenças. À medida que os organoides que carregam essas mutações crescem, analisamos o efeito de cada mutação no desenvolvimento de cada tipo de célula”, diz o primeiro e co-autor do estudo, Chong Li, pós-doutorado no grupo Knoblich.
Uma abordagem sistemática de alto rendimento
Com o sistema CHOOSE, as equipes do IMBA e da ETH Zurich avançam a pesquisa sobre genes causadores de doenças em um salto total, proporcionando aos pesquisadores acesso a um método versátil e de alto rendimento que pode ser aplicado a qualquer doença e em qualquer sistema modelo humano. É importante ressaltar que CHOOSE acelera consideravelmente a análise em comparação com abordagens tradicionais de perda de função genética.
“Podemos ver a consequência de cada mutação em um experimento, encurtando drasticamente o tempo de análise quando comparado aos métodos tradicionais, usando uma abordagem que durante décadas só foi possível em organismos como a mosca da fruta”, explica Knoblich. “Além disso, ainda podemos nos beneficiar de cem anos de literatura científica sobre genes causadores de doenças.”
A mutação de vários genes em paralelo e o acompanhamento dos seus efeitos gera uma enorme quantidade de dados. Para analisar este complexo conjunto de dados a co-autora Barbara Treutlein e sua equipe na ETH Zurich usaram bioinformática quantitativa e aprendizado de máquina abordagens.
“Usando esses dados de expressão unicelular de alto rendimento, podemos quantificar se um determinado tipo de célula é mais ou menos abundante devido a uma determinada mutação, e também podemos identificar conjuntos de genes que são comumente ou distintamente afetados por cada mutação. Ao comparar todas as mutações genéticas, podemos reconstruir a paisagem fenotípica destas perturbações genéticas ligadas a doenças”, explica Treutlein.
Aprendendo sobre o autismo durante o desenvolvimento
Usando o sistema CHOOSE, os pesquisadores mostram que mutações de 36 genes, conhecidos por colocarem os portadores em alto risco de autismo, levam a alterações específicas em tipos de células no cérebro humano em desenvolvimento. Eles identificaram alterações transcricionais críticas reguladas por redes comuns, chamadas “redes reguladoras de genes” ou GRNs. Um GRN é um conjunto de reguladores moleculares que interagem entre si para controlar uma função celular específica, explica Li. “Demonstramos que alguns tipos de células são mais suscetíveis do que outros durante o desenvolvimento do cérebro e identificamos as redes mais vulneráveis às mutações do autismo”, acrescenta.
“Com esta abordagem, aprendemos que os genes causadores do autismo partilham alguns mecanismos moleculares comuns”, diz Knoblich. No entanto, estes mecanismos comuns podem levar a efeitos marcadamente distintos em diferentes tipos de células.
“Alguns tipos de células são mais vulneráveis a mutações que levam ao autismo, especialmente alguns progenitores neurais – as células fundadoras que geram neurônios. Isto é verdade a ponto de a patologia do autismo já poder surgir precocemente durante o desenvolvimento do cérebro. Isto indica que alguns tipos de células necessitarão de mais atenção no futuro ao estudar genes do autismo”, diz Li.
Para confirmar se estas descobertas são relevantes para as doenças humanas, os investigadores juntaram-se a médicos da Universidade Médica de Viena e geraram organoides cerebrais a partir de amostras de células estaminais de dois pacientes. Ambos os pacientes tinham mutações no mesmo gene que causava o autismo.
“Os organoides gerados de ambos os pacientes mostraram defeitos de desenvolvimento marcantes ligados a um tipo específico de célula. Poderíamos validar essas observações in vitro comparando as estruturas organoides com as ressonâncias magnéticas pré-natais do cérebro de um dos pacientes”, diz Knoblich, mostrando que os dados organoides correspondiam estreitamente às observações clínicas.
Além do cérebro e do autismo…
Além de obter conhecimentos incomparáveis sobre a patologia do autismo, a equipa sublinha a versatilidade e transferibilidade do sistema CHOOSE. “Prevemos que nossa técnica será amplamente aplicada além dos organoides cerebrais para estudar vários genes associados a doenças”, diz Knoblich.
Com esta nova técnica, cientistas e médicos obtêm uma ferramenta de triagem de alto rendimento robusta e controlada com precisão que reduz consideravelmente o tempo de análise e fornece informações valiosas sobre os mecanismos da doença.
Referência: “A triagem organoide cerebral unicelular identifica defeitos de desenvolvimento no autismo” por Chong Li, Jonas Simon Fleck, Catarina Martins-Costa, Thomas R. Burkard, Jan Themann, Marlene Stuempflen, Angela Maria Peer, Ábel Vertesy, Jamie B. Littleboy , Christopher Esk, Ulrich Elling, Gregor Kasprian, Nina S. Corsini, Barbara Treutlein e Juergen A. Knoblich, 13 de setembro de 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06473-y
O Diretor Científico do IMBA, Jürgen Knoblich, também é professor de Biologia Sintética na Universidade Médica de Viena.
Financiamento: Iniciativa de Pesquisa sobre Autismo da Fundação Simons, Ministério Federal Austríaco de Educação, Ciência e Pesquisa, Cidade de Viena, Fundo Austríaco para a Ciência, Conselho Europeu de Pesquisa, Iniciativa Chan Zuckerberg, Fundação Comunitária do Vale do Silício, Fundação Nacional Suíça para a Ciência, Centro Nacional de Competência em Pesquisa Engenharia de Sistemas Moleculares, Organização Europeia de Biologia Molecular
