Uma Nova Abordagem para Entender os CCMs
Pesquisas sobre organoides de vasos sanguíneos jogam luz sobre malformações cavernosas cerebrais.
Dariush Skowronek, Robin A. Pilz, Valeriia V. Saenko, Lara Mellinger, Debora Singer, Silvia Ribback, Anja Weise, Kevin Claaßen, Christian Büttner, Emily M. Brockmann, Christian A. Hübner, Thiha Aung, Silke Haerteis, Sander Bekeschus, Arif B. Ekici, Ute Felbor, Matthias Rath
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Índice
- História e Pesquisa
- A Patogênese da MCC
- Organoides: Uma Nova Esperança
- O Protocolo para Criar Organoides de Vasos Sanguíneos
- Perfusão e Testes
- Proliferação em Modelos Knockout
- Explorando Diferenças e Semelhanças
- A Importância dos Ambientes de Crescimento
- Um Olhar Mais Atento à Patologia da MCC
- Conclusão: Um Brilho de Esperança
- Fonte original
Malformações Cavernosas Cerebrais (MCCs) são anomalias vasculares que aparecem no cérebro e na medula espinhal. Essas lesões podem causar vários problemas, como convulsões, hemorragias ou déficits neurológicos. A ocorrência de MCCs é mais ou menos 1 em 200 pessoas, então é uma condição cerebral bem comum. A maioria dos casos surge de forma esporádica, mas cerca de 6-7% dos casos estão ligados a histórico familiar.
História e Pesquisa
A primeira família com MCC foi identificada em 1928. Desde então, os pesquisadores descobriram três genes importantes relacionados à condição: CCM1, CCM2 e CCM3. Estudos mostraram que, enquanto as formas familiares de MCC geralmente são dominantes autossômicas, a inativação do gene ocorre de forma recessiva a nível celular. Essa descoberta de genes impulsionou avanços científicos para entender como as MCCs se desenvolvem.
A Patogênese da MCC
Pesquisas apontaram para sinais e caminhos específicos que levam à formação dessas malformações vasculares. Um aspecto crucial é a perda de função de um dos três genes identificados, o que provoca uma cascata de mudanças celulares. Investigações em culturas celulares e vários modelos animais ajudaram a esclarecer como esses mecanismos funcionam na prática, embora nenhum remédio tenha sido aprovado até agora para tratar MCC. Como a cirurgia é muitas vezes a única opção para casos problemáticos, desenvolver novas terapias continua sendo uma preocupação urgente.
Organoides: Uma Nova Esperança
Nos últimos anos, os cientistas começaram a usar organoides-pequenos órgãos miniaturizados cultivados em laboratório-para estudar condições como MCC de forma mais eficaz. Esses organoides podem imitar o tecido humano real e fornecer uma visão mais precisa dos processos da doença. Usando métodos como fatores de crescimento específicos e tecnologia de células-tronco, os pesquisadores conseguem cultivar organoides humanos que se assemelham a vasos sanguíneos. Essa abordagem mostrou potencial para entender melhor o papel dos genes no desenvolvimento das MCCs.
O Protocolo para Criar Organoides de Vasos Sanguíneos
Criar esses organoides envolve uma série de etapas para garantir seu crescimento e função adequados. Células-tronco humanas são cultivadas e diferenciadas em células vasculares, criando estruturas semelhantes a vasos sanguíneos. Esse processo foi otimizado para permitir testes em alta capacidade, ou seja, os cientistas podem gerar rapidamente vários organoides para experimentação. Usar placas especiais que minimizam o manuseio manual ajuda a acelerar tudo-meio que como uma linha de montagem de fábrica, mas para vasinhos minúsculos.
Perfusão e Testes
Uma vez que os organoides de vasos sanguíneos estão estabelecidos, a perfusão-o processo de suprir sangue ou soluções nutritivas-pode ser testada. Essa etapa é crucial pois imita como vasos sanguíneos reais funcionam no corpo. Colocando organoides em embriões de galinha ou em placas especializadas, os cientistas podem observar como esses vasos artificiais circulam fluidos. É meio que se preparando para uma olimpíadas em miniatura, onde os organoides competem para ver como conseguem aguentar a pressão.
Proliferação em Modelos Knockout
Modelos knockout-onde genes específicos são desativados-abriram uma nova avenida para entender o comportamento celular. Por exemplo, quando os pesquisadores desativaram certos genes relacionados à MCC, eles viram alguns resultados surpreendentes. Em particular, as células que não tinham o gene CCM3 mostraram padrões de crescimento agressivos, quase como se estivessem tentando começar sua própria corrida no mundo dos organoides. Essa proliferação inesperada destaca a complexidade das interações gênicas e o delicado equilíbrio do crescimento celular.
Explorando Diferenças e Semelhanças
Nas análises, os pesquisadores encontraram vários grupos de células dentro dos organoides que mostraram características únicas de expressão gênica. Alguns grupos eram compostos principalmente por células vasculares, enquanto outros mostraram características de células tipo “escoteiro” que podem estar ajudando os vasos a crescer. É como uma cidade movimentada, onde alguns estão ocupados construindo as estradas, enquanto outros ficam de olho para evitar problemas.
A Importância dos Ambientes de Crescimento
As condições ao redor-como o meio de crescimento usado-jogaram um papel significativo em como essas células se comportaram. Por exemplo, alguns ambientes fizeram as células knockout crescer como ervas daninhas, enquanto outros não apoiaram tanto seu crescimento. Isso revela como os fatores externos são críticos para determinar os comportamentos celulares, enfatizando que não é apenas sobre quais genes estão ativos, mas também sobre onde eles estão crescendo.
Um Olhar Mais Atento à Patologia da MCC
Através desses vários estudos, ficou claro que as MCCs não são apenas incidentes isolados. Há uma interação intrincada de genes, comportamentos celulares e condições ambientais que contribuem para a formação delas. Essa complexidade esclarece por que alguns indivíduos com certos defeitos genéticos podem sofrer sintomas mais severos do que outros. É uma teia complicada, onde fios de informação genética e influências ambientais se entrelaçam para criar o resultado final.
Conclusão: Um Brilho de Esperança
A exploração de organoides de vasos sanguíneos representa um passo significativo para desvendar os mistérios das MCCs. Ao fornecer uma plataforma para testes e observação, esses modelos permitem que os cientistas adquiram insights valiosos sobre como diferentes genes e fatores ambientais contribuem para essa condição. Embora ainda não existam curas ou terapias disponíveis, a pesquisa contínua nos aproxima de entender e, potencialmente, tratar as malformações cavernosas cerebrais.
No final, quem sabe? Talvez um dia, esses organoides nos ajudem a pavimentar um caminho mais suave em direção a um mundo livre de MCCs, ou pelo menos, nos armem com o conhecimento que precisamos para enfrentá-las de forma eficaz.
Título: High-throughput differentiation of human blood vessel organoids reveals overlapping and distinct functions of the cerebral cavernous malformation proteins
Resumo: Cerebral cavernous malformations (CCMs) are clusters of thin-walled enlarged blood vessels in the central nervous system that are prone to recurrent hemorrhage and can occur in both sporadic and familial forms. The familial form results from loss-of-function variants in the CCM1, CCM2, or CCM3 gene. Despite a better understanding of CCM pathogenesis in recent years, it is still unclear why CCM3 mutations often lead to a more aggressive phenotype than CCM1 or CCM2 variants. By combining high-throughput differentiation of blood vessel organoids from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) with a CCM1, CCM2, or CCM3 knockout, single-cell RNA sequencing, and high-content imaging, we uncovered both shared and distinct functions of the CCM proteins. While there was a significant overlap of differentially expressed genes in fibroblasts across all three knockout conditions, inactivation of CCM1, CCM2, or CCM3 also led to specific gene expression patterns in neuronal, mesenchymal, and endothelial cell populations, respectively. Taking advantage of the different fluorescent labels of the hiPSCs, we could also visualize the abnormal expansion of CCM1 and CCM3 knockout cells when differentiated together with wild-type cells into mosaic blood vessel organoids. In contrast, CCM2 knockout cells showed even reduced proliferation. These observations may help to explain the less severe clinical course in individuals with a pathogenic variant in CCM2 and to decode the molecular and cellular heterogeneity in CCM disease. Finally, the ability to differentiate blood vessel organoids in a 96-well format will further facilitate their use in drug discovery and other biomedical research studies. STATEMENTS AND DECLARATIONSO_ST_ABSConflicts of interest statementC_ST_ABSThe authors declare no competing interests. The here described protocol for high-throughput organoid synthesis has been filed as a patent application at the European Patent Office (Process number: EP24213596.0) Author contribution statementMR, DSk, and UF designed the study. DSk, VS, LM, and RAP performed most of the functional experiments. SH and TA performed the CAM assays. SR performed the immunohistochemical stainings. SB, DSi, DSk, and VS performed the confocal microscopy and high-content imaging analyses. AE, CB, and EMB performed the scRNA sequencing analysis. AW and CAH performed and analyzed the karyotyping of the hiPSC clones. DSk, RAP, VS, KC, MR, and SB analyzed the data. DSk, VS, LM, and MR prepared figures. All authors contributed to the interpretation of the results. DSk, RAP, VS, and MR drafted the manuscript, and all authors contributed to writing. Ethics statementThis study does not involve human participants or animal subjects. Availability of data and materialsAll relevant data are published within the paper and the supplementary files. ScRNA sequencing data can be accessed through the Gene Expression Omnibus (GEO) database (record number: GSE276497).
Autores: Dariush Skowronek, Robin A. Pilz, Valeriia V. Saenko, Lara Mellinger, Debora Singer, Silvia Ribback, Anja Weise, Kevin Claaßen, Christian Büttner, Emily M. Brockmann, Christian A. Hübner, Thiha Aung, Silke Haerteis, Sander Bekeschus, Arif B. Ekici, Ute Felbor, Matthias Rath
Última atualização: 2024-12-05 00:00:00
Idioma: English
Fonte URL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.12.04.626588
Fonte PDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.12.04.626588.full.pdf
Licença: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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