Histo é Medicina: Engenharia de tecidos: o futuro vem já aí...

Adelino Costa

Em junho de 2011, no Karolinska Institutet de Estocolmo, uma equipa multinacional de investigadores e clínicos implantou com sucesso o primeiro órgão artificialmente sintetizado a partir de células do próprio recetor do novo órgão.
A transplantação, a transfusão e o enxerto são procedimentos fundamentais na reparação, ou substituição, de tecidos e órgãos lesados que o corpo já não consegue reparar mesmo com ajudas terapêuticas. Porém são técnicas complexas e com diversas limitações, as mais importantes das quais são a dificuldade em encontrar dadores compatíveis, a elevada proporção de rejeição pelo recetor e a morbilidade que implica para o dador vivo. Uma nova abordagem, a engenharia de tecidos, propõe soluções para este problema: tecidos e órgãos à medida de quem precisa. Parece ficção, mas não é.
As técnicas cuja investigação e aplicação se conhece assentam em alguns elementos comuns como são o uso de estruturas de suporte para o crescimento do tecido, colonização dessas estruturas com células de elevado potencial de proliferação e diferenciação, modulação do crescimento e diferenciação com fatores adequados, cultura dos tecidos em biorreatores e implantação no recetor.
A estrutura de suporte é uma matriz que permite a adesão, proliferação e migração celular, oferecendo o necessário suporte para que o crescimento do tecido ocorra estruturadamente. A configuração mais frequente é a de uma malha microporosa de polímeros de consistência gelatinosa, esponjosa ou fibrosa, empregando substâncias naturais como proteínas (colagénio, fibrina, gelatina) e polissacáridos (alginato, agarose, ácido hialurónico, chitosan, goma gelana), que estão presentes na matriz extracelular naturalmente ocorrente nos tecidos, ou substâncias sintéticas como polietilenos, poliálcoois, polímeros peptídicos e mesmo substâncias inorgânicas como cerâmica (1-6). Algumas abordagens fazem uso de substâncias compósitas em que diferentes substâncias das acima mencionadas são combinadas, aproveitando as suas vantagens e diminuindo as limitações, como por exemplo a combinação de cerâmica com polissacáridos, retendo as propriedades estruturais daquela com as biológicas destes. A figura 1 representa a aparência macroscópica e microscópica que estas estruturas adquirem.

Fig.1: Aspeto macroscópico de uma estrutura de suporte (esq.); aspetos microscópicos de
estruturas de suporte (dir.)

As principais características preconizadas para estas estruturas são a capacidade de permitirem a adesão, proliferação, migração e diferenciação celular e tecidular, a biocompatibilidade com o ambiente in vivo do recetor, a baixa imunogenicidade, propriedades mecânicas que permitam a flexibilidade preservando a estrutura, a biodegradabilidade, permitindo às células e matriz ocupar todo o tecido (2). A aplicação de proteínas e polissacáridos naturalmente presentes na matriz extracelular têm-se revelado particularmente adequadas para estes fins. Os polímeros peptídicos são alvos preferenciais da investigação neste campo uma vez que permitem uma variedade de conformações e de organização à escala nanométrica, incluindo a integração com outras moléculas orgânicas, e a modelação da estrutura concomitante com o crescimento do tecido propriamente dito, em ambientes controlados, tornando possível uma adequação mais precisa do tecido/órgão (7).O fabrico destas estruturas aplica duas abordagens principais: avançadas técnicas de microengenharia biomolecular e a descelularização de tecidos e órgãos naturais. Esta última permite preservar a matriz natural, removendo as células e outros elementos indesejados, como antigénios ou associados à rejeição, permitindo a posterior colonização com células apropriadas à formação e desenvolvimento do tecido ou órgão que se pretende criar (fig. 2)(8). Esta técnica já foi aplicada clinicamente com sucesso, porém contínua a requerer um dador (5).

Fig. 2: Descelularização do coração (rato): aspetos macroscópico, em diferentes etapas, e histológico final

As estruturas de suporte são colonizadas com células que são os artífices principais do crescimento e desenvolvimento do novo tecido. Elas aderem, proliferam, migram e, possuindo potencial, diferenciam-se dando origem às células do novo tecido, produzindo ainda a matriz extracelular que o vai complementar, até que um novo tecido surge e a própria estrutura de suporte inicial é degradada e substituída. As células estaminais, pelo seu elevado potencial de diferenciação, são preconizadas como as mais adequadas para este fim. São colhidas de duas origens principais: embrionária (embriões, cordão umbilical e líquido amniótico) e células estaminais mesenquimatosas (MSC) (fig. 3). Embora as primeiras possuam maior potencial de diferenciação, estão disponíveis em pequenas quantidades e o seu uso levanta problemas éticos. Já as segundas existem no corpo de todas as pessoas, são facilmente acessíveis e possuem uma série de características que parecem fazer delas a solução ideal: parecem possuir pluripotencialidade (potencial em se diferenciarem em qualquer célula originária dos três tecidos embrionários: ectoderme, mesoderme e endoderme), não possuem imunogenicidade já que são do próprio recetor (autólogas), baixa propensão oncogénica e podem ser cultivadas em meios in vitro. São facilmente acessíveis em vários tecidos, particularmente entre as células progenitoras da medula óssea e no tecido adiposo. Uma terceira fonte de células para engenharia de tecidos são as células estaminais induzidas, células somáticas que são desdiferenciadas, i.e. revertidas à condição de células pluri ou multipotenciais, via engenharia genética, porem a sua aplicabilidade ainda não foi testada clinicamente ao contrário das anteriores.
Como muitos destes procedimentos são desenvolvidos ex vivo são necessários equipamentos destinados a garantir o ambiente adequado para que tal suceda, estes equipamentos são denominados biorreatores. No fundamental procuram replicar as condições in vivo sobretudo ao nível de oxigenação, nutrição, fatores de crescimento e desenvolvimento tecidular e condições físicas (ex. temperatura). A fig. 4 apresenta uma imagem de um biorreator, usado para a síntese da traqueia e brônquios referidos num caso clínico adiante.

Fig. 3: Pluripotencialidade das MSC (esq.; MSC (dir.).

A fim de promover e modular o desenvolvimento do novo tecidos são usados fatores bioquímicos, presentes nos processos naturais de crescimento e desenvolvimento tecidular, doseados nas estruturas de suporte e biorreatores. Entre os fatores usados incluem-se fatores de crescimento, os mais comuns, integrinas, mitogénios, etc. (5, 6). Alguns investigadores preconizam também o uso de farmacoterapia com o propósito de modular a resposta inflamatória que o recetor tende a desenvolver sobre o implante (5).

Fig. 4: Biorreator (9)

Histologicamente os tecidos produzidos por engenharia revelam uma parecença notável com os seus correspondentes naturais, como a seguir se apresenta.A figura 5 apresenta cortes histológicos tecido osteocondral de uma falange artificial desenvolvida em contexto laboratorial (10). Em a (corado com safranina O) é possível distinguir uma zona de crescimento de tecido cartilagíneo (C) e uma zona de crescimento ósseo (S). Em b apresentam-se sucessivas zonas de crescimento cartilagíneo: tangencial, transitório e radial. Em c e d apresenta-se tecido ósseo podendo ser distinguido osso trabecular (T), bem como reminiscências da estrutura de suporte (P).

Fig. 5: Tecido osteocondral de falanges artificiais

A fig. 6 apresenta regiões articulares interfalângicas: em a e b duas imagens, com diferente magnitude, de uma articulação interfalângica em que JC é o espaço sinovial e a seta aponta para a cápsula sinovial, sendo C tecido cartilagíneo adjacente; c e d referem-se a outra articulação podendo diferenciar-se em c diferentes zonas crescimento condral (tangencial (TA) e transitório (TR)) e em condrócitos hipertrofiados (HC), junto a resíduos poliméricos da estrutura de suporte (10).

Fig. 6: Tecido cartilagíneo articular

A figura 7 apresenta imagens histológicas de tecido epitelial de revestimento (pele), coradas com tricrómio de Masson, com duas técnicas diferentes de engenharia. É possível visualizar a clara e precisa diferenciação do tecido sintetizado, que apresenta inclusive produção de queratina (C). As setas indicam resquícios da estrutura de suporte ainda não substituídos pelo novo tecido.

Fig. 7: Pele artificial

Já a figura 8 apresenta duas imagens, com colorações diferentes (HE e tricrómio de Masson) de tecido ósseo sintético em que é possível ver o tecido em crescimento em redor de porosidades constituídas de vasos e resíduos da estrutura de suporte(11).

Fig. 8: Tecido ósseo

Os tecidos cartilagíneo, ósseo e epitelial de revestimento têm-se revelado os mais propícios à engenharia, sendo a sua investigação e aplicação clínica a mais avançada. A engenharia de tecidos tem produzido tecidos e órgãos para uso terapêutico, como traqueia, bexiga, pele, cartilagem, vasos sanguíneos e válvulas cardíacas, córnea e trato urinário (3, 5). Estes produtos têm sido sobretudo usados para reparação parcial de tecidos lesados (cartilagem e pele), sendo a implantação de órgãos completos muito recente.

Fig. 9: Osso (esq.) e tecido epitelial (dir.) artificiais

A implantação do novo tecido/órgão no recetor é a ultima etapa deste processo, levantando importantes desafios. Os investigadores e os clínicos que já precederam a intervenções terapêuticas recorrendo a estas soluções procuram perceber qual o melhor momento para implantação e como assegurar a interligação ao ambiente que rodeia o tecido/órgão implantado, nomeadamente aos níveis vascular e nervoso, ao mesmo tempo inibindo eventuais reações adversas, nomeadamente inflamatórias, imunitárias ou oncogénicas. O caso com que se abre este artigo, e adiante descrito, oferece uma perspetiva reveladora sobre estas questões.
O recetor do novo órgão, uma traqueia e brônquios principais, sofria de uma neoplasia (carcinoma mucoepidermoide) da traqueia que havia invadido os brônquios superiores, sem haver metastizado, e era refratário às terapêuticas convencionais. Sem outra solução que a transplantação a equipa liderada pelo Dr. Paolo Macchiarini, já com experiência em transplantações de órgãos artificiais, optou pela abordagem inovadora de implantar um órgão sintetizado com células do próprio utente, e não de um dador como sucedera até então noutros casos. Usando MSC e células progenitoras colhidas de medula óssea para a matriz do novo órgão, induzidas a diferenciarem-se em condrócitos, e células epiteliais nasais para o epitélio interior, as células foram implantadas numa estrutura de suporte microporosa sintética, que foi depois colocada num birreator. Defendendo que uma manipulação ex vivo excessiva pode conduzir à deterioração do novo tecido e ao ganho de propriedades imunogénicas, o Dr. Macchiarini e colegas implantaram o novo órgão 36h depois (fig. 11).

Fig. 10: Traqueia artificial (estrutura de suporte)

A figura 12 apresenta imagens histológicas do seguimento pós-operatório aos 2 meses: iv apresenta tecido de granulação associado a inflamação; v e vi epitélio respiratório com células secretoras de muco; vii metaplasia de epitélio escamoso (vermelho) (9). Aos 4 meses os clínicos reportam que o utente se apresenta sem problemas associados à implantação (5).