Novo Modelo de Laboratório para Estudar Infecções Meningocócicas

Antibióticos são super eficazes pra tratar várias infecções bacterianas, mas um grande problema hoje em dia é que algumas bactérias tão ficando resistentes a esses remédios. Essa resistência representa uma séria ameaça à saúde global. Pra desenvolver novas formas de tratar infecções, a gente precisa entender melhor como essas doenças funcionam e criar modelos experimentais sólidos pra testar tratamentos potenciais.

Neste estudo, a gente apresenta um modelo tridimensional de laboratório que simula a interação entre meningococos, um tipo de bactéria, e vasos sanguíneos humanos. Essa interação é crucial pra entender doenças como sepse e meningite, que podem ser causadas por essa bactéria específica.

#Visão Geral da Doença Meningocócica

A doença meningocócica invasiva é uma enfermidade séria que pode se espalhar pela corrente sanguínea, levando a uma condição chamada bacteremia. Quando as bactérias se movem pelo sangue, elas podem desencadear sepse, que é uma resposta inflamatória perigosa. Tratar infecções sistêmicas como a sepse é muitas vezes difícil porque não tem modelos de laboratório relevantes que imitem como essas infecções realmente funcionam. Diferentes tipos de bactérias, incluindo Staphylococcus aureus e E. coli, podem causar várias formas de sepse dependendo das suas características individuais.

Neisseria meningitidis é conhecida por causar meningite e uma forma severa de sepse chamada purpura fulminans, que causa alterações na pele e problemas na função dos vasos sanguíneos.

#Importância dos Modelos Experimentais

A pesquisa clínica descobriu informações importantes sobre como N. meningitidis causa reações severas na pele que precisam ser replicadas em modelos de laboratório. Estudos de tecidos de pacientes que morreram de doença meningocócica mostraram que as bactérias são frequentemente encontradas dentro dos vasos sanguíneos em órgãos importantes como fígado, cérebro, rins e pele. A presença dessas bactérias está ligada a mudanças severas na função dos vasos sanguíneos, incluindo coágulos sanguíneos e danos à parede do vaso. Portanto, um bom modelo de laboratório deve representar com precisão como essa bactéria interage com as paredes dos vasos sanguíneos e células do sistema imunológico, enquanto também imita os danos causados durante a infecção.

Infecções meningocócicas são, na sua maioria, limitadas aos humanos, por isso um modelo usando tecido humano era necessário. Esse modelo usou enxertos de pele humana em camundongos pra recriar características-chave da infecção meningocócica. Ele foi útil pra mostrar como certas estruturas bacterianas chamadas pili tipo IV são essenciais pra que as bactérias se fixem aos vasos sanguíneos. Embora esse modelo forneça o ambiente de tecido certo, ele requer tecido humano fresco e técnicas cirúrgicas complexas.

Outra abordagem envolveu estudar células humanas infectadas em culturas planas e bidimensionais. Embora esses modelos tenham ajudado os cientistas a aprender sobre as interações entre as bactérias e as células, eles são limitados porque não conseguem replicar a estrutura complexa dos vasos sanguíneos encontrados em organismos vivos.

Esforços recentes focaram em criar vasos sanguíneos sintéticos pra experimentos. Pesquisadores têm incorporado Células Endoteliais humanas dentro de hidrogéis pra formar tubos. Embora essa técnica produza vasos sanguíneos funcionais, não permite muito controle sobre as formas criadas. Outros métodos incluíram moldar células em formatos, mas muitas vezes não combinam com as formas complexas e sinuosas dos verdadeiros vasos sanguíneos.

Técnicas de fotoablação surgiram como uma solução interessante, permitindo que os cientistas criem formas de vasos sanguíneos altamente controladas que também refletem como aparecem no corpo.

#Desenvolvendo um Novo Modelo

Neste estudo, usamos um sistema a laser personalizado pra criar um sistema vascular em um chip, permitindo ajustar o tamanho e a forma dos vasos pra combinar com a complexidade dos vasos sanguíneos vivos. Otimizamos as condições pra imitar fatores-chave nas infecções meningocócicas, incluindo como as bactérias se grudam nos vasos, mudanças na forma das células, danos aos vasos sanguíneos e interações com células do sistema imunológico.

Comparamos nosso novo modelo de laboratório com modelos animais existentes durante nossa pesquisa. Nossa abordagem oferece uma alternativa forte aos testes em animais no estudo de como as infecções afetam o corpo e pode servir como uma ferramenta importante pra pesquisas futuras.

#Criando o Modelo Vessel-on-Chip

Pra estudar como N. meningitidis infecta vasos sanguíneos, projetamos um Vessel-on-Chip (VoC) baseado em tecnologia de fotoablação. O chip tem um canal central cheio de um gel à base de Colágeno e conectado a canais mais largos que transportam meio nutritivo e células. O processo de fotoablação esculpe precisamente o gel de colágeno pra criar uma estrutura vascular, que é então povoada com células endoteliais pra formar tubos semelhantes a vasos sanguíneos.

A configuração permite um fluxo consistente de nutrientes e fácil introdução de bactérias e células imunológicas. Durante este estudo, monitoramos de perto como esse modelo se comparou a camundongos vivos com enxertos de pele humana.

#Importância da Matriz Extracelular

Em organismos vivos, a matriz extracelular fornece estabilidade e suporte para os tecidos sanguíneos. No nosso VoC, o colágeno I desempenha esse papel, já que é o principal componente da matriz extracelular. Investigamos como a concentração de colágeno afeta a forma dos vasos sanguíneos em crescimento. Após dois dias de crescimento, as células endoteliais se esticaram ao longo das bordas dos vasos, moldando-os em tubos arredondados.

Notamos também que, com concentrações mais baixas de colágeno, as células formaram vários brotos ao longo dos vasos, enquanto concentrações mais altas reduziram essa brotação. Isso sugere que tanto a quantidade quanto o tipo de colágeno influenciam como as células endoteliais crescem.

Uma vez que encontramos a concentração certa de colágeno, desenvolvemos tubos endoteliais, mesmo que o design inicial fosse quadrado. A técnica de fotoablação também nos permitiu recriar formas complexas vistas em organismos vivos.

#Avaliando a Permeabilidade

Um aspecto crítico da infecção meningocócica é a perda de permeabilidade dos vasos sanguíneos. Nossos modelos experimentais devem permitir que os pesquisadores vejam e meçam essa mudança na integridade dos vasos. Após 48 horas, observamos que as células endoteliais na nossa configuração formaram conexões fortes, destacando a estabilidade dos vasos sanguíneos construídos. Também confirmamos que as células estavam produzindo colágeno IV, um componente importante da membrana basal que apoia a sinalização celular.

Pra avaliar quão bem nosso modelo imitava a permeabilidade dos vasos sanguíneos reais, injetamos um corante fluorescente pra medir como ele viajava tanto pelo nosso VoC quanto por camundongos vivos. Notamos que a perda de permeabilidade aumentou significativamente com o número de vasos brotados. Nossas descobertas mostraram que o VoC podia manter uma barreira forte semelhante ao que é observado em animais vivos.

#Observando a Infecção Bacteriana

Com um modelo funcional de vaso sanguíneo em funcionamento, introduzimos as bactérias N. meningitidis e vimos que elas se grudaram facilmente às paredes dos vasos, formando microcolônias. Essas colônias variaram em tamanho e forma, refletindo o que acontece em infecções reais. As bactérias se adaptaram bem às formas dos vasos, o que nos permitiu observar seu comportamento num ambiente tridimensional.

#Estudando Condições de Fluxo e Respostas Celulares

O estresse de cisalhamento mediado por fluxo é um fator importante em como as células endoteliais se comportam e como as bactérias se aderem. Pra entender como o fluxo sanguíneo afeta nossa configuração, medimos o estresse de cisalhamento médio em vasos vivos e ajustamos nosso modelo pra replicar essas condições.

Descobrimos que as células endoteliais alinharam seus núcleos na direção do fluxo quando expostas a condições normais, imitando como elas se comportam em vasos sanguíneos reais. Ao medir as mudanças na forma e orientação nuclear, confirmamos que as condições de fluxo influenciaram o comportamento celular no nosso modelo.

#Examinando a Morfologia das Colônias Bacterianas

Notamos que sob condições de fluxo, a forma das colônias de N. meningitidis mudava significativamente. As bactérias formavam colônias alongadas que se alinhavam na direção do fluxo, ao contrário das formas circulares que normalmente vemos em culturas planas. Essa mudança provavelmente resultou das forças mecânicas em jogo.

Acompanhamos o crescimento dessas colônias ao longo do tempo e descobrimos que se expandiam a uma taxa semelhante à observada em infecções vivas. Essa informação é crucial pra entender como as bactérias se propagam durante infecções.

#Investigando a Resposta do Citoesqueleto de Actina

Em modelos bidimensionais, os pesquisadores documentaram como colônias bacterianas podem mudar o citoesqueleto de actina em células endoteliais. Nosso estudo teve como objetivo determinar se esses efeitos também estavam presentes em um ambiente tridimensional.

Células endoteliais na nossa configuração exibiram fibras de actina aleatórias sem fluxo, mas se alinharam sob condições de fluxo. Esse alinhamento ocorreu rapidamente, indicando que as células se adaptam ao seu ambiente em resposta ao estresse mecânico do fluxo sanguíneo.

Além disso, observamos estruturas chamadas placas corticais se formando abaixo das colônias bacterianas. Essas reorganizações de actina foram evidentes apesar da presença de uma rede de actina bem organizada, enfatizando o impacto de N. meningitidis sobre as células endoteliais, mesmo em condições de estresse.

#Recrutamento de Neutrófilos e Resposta Imune

A presença de neutrófilos, um tipo de célula imune, é uma característica chave das infecções meningocócicas. Em estudos anteriores, os pesquisadores notaram que os neutrófilos são recrutados para áreas infectadas. Nosso modelo replicou com sucesso essa resposta de recrutamento.

Primeiro, estabelecemos que as células endoteliais não expressavam E-selectina sob condições normais, mas os níveis dessa molécula importante aumentaram durante o tratamento com TNFα e a infecção por N. meningitidis.

Ao passar neutrófilos humanos purificados através do nosso modelo, pudemos observar como eles se aderiam ao endotélio inflamado. Medimos o número de neutrófilos se aderindo às paredes dos vasos em resposta tanto ao TNFα quanto à infecção bacteriana, encontrando que ambos os estímulos levaram a níveis de adesão semelhantes.

#Conclusão

O modelo que desenvolvemos oferece uma ferramenta única e poderosa pra estudar como N. meningitidis interage com vasos sanguíneos durante a infecção. Ele simula efetivamente as condições encontradas em organismos vivos, permitindo uma exploração mais profunda do comportamento bacteriano e da resposta imunológica.

Nossa abordagem também aborda as deficiências dos modelos existentes ao fornecer um ambiente complexo pra estudar infecções bacterianas. Esse trabalho abre as portas pra pesquisas futuras sobre vários patógenos responsáveis por infecções sistêmicas, permitindo que os cientistas examinem como as bactérias interagem com o sistema vascular em cenários detalhados e realistas.

Através dessa pesquisa, a gente fornece uma plataforma versátil que pode se adaptar pra estudar diferentes organismos e condições vasculares, promovendo uma compreensão mais profunda das infecções e apoiando o desenvolvimento de tratamentos inovadores.