O Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS em Dresden, em colaboração com o Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM em Hannover e a Universidade de Regensburg, desenvolveu sistemas de microssistemas especiais. Neles, eles agora investigam cortes de tecido de tumores em condições realistas.
O Fraunhofer IWS já desenvolve com sucesso há vários anos sistemas microfisiológicos do tamanho de uma caixa de comprimidos desenvolvidos pelo Fraunhofer. Eles podem ser usados para representar artificialmente funções de órgãos ou processos de doenças usando culturas de células, pesquisar doenças fora do organismo, ou seja, ex vivo, e testar medicamentos. "Para isso, empilhamos várias camadas de filme plástico umas sobre as outras", explica Stephan Behrens, engenheiro de desenvolvimento do Fraunhofer IWS. Primeiro, lasers são usados para estruturá-los. Canais e câmaras, bombas e válvulas são criados. Isso modela processos específicos no corpo humano. Um líquido semelhante ao sangue circula nos sistemas microfisiológicos, fornecendo oxigênio e nutrientes às células. Um novo desafio em um projeto interdisciplinar foi investigar a metástase de tumores em sistemas microfisiológicos.
Com esse desejo, o Prof. Christoph Klein, Cátedra de Medicina Experimental e Métodos Terapêuticos da Universidade de Regensburg e chefe da área de Terapia Tumoral Personalizada do Fraunhofer ITEM, abordou o Fraunhofer IWS. Juntamente com a Universidade de Erlangen-Nuremberg, a Deutsche Forschungsgemeinschaft (Sociedade Alemã de Amparo à Pesquisa) concedeu aos pesquisadores de Regensburg um Fundo de Pesquisa Especial em 2020. O objetivo é descobrir exatamente como as metástases colonizam os órgãos.
Interação entre tumor e sistema imunológico em um chip
»Para poder investigar isso, era importante para nós integrar vários cortes de tecido tumoral em nosso sistema microfisiológico«, diz Florian Schmieder, líder de grupo no Fraunhofer IWS. Isso foi conseguido pela primeira vez no mundo neste projeto. Agora, até dez cortes de tecido podem ser cultivados em paralelo em um chip. A equipe do Fraunhofer IWS também implementou aberturas onde amostras podem ser retiradas para exame a qualquer momento. »Além disso, parâmetros importantes como o teor de CO2, o valor de pH ou a concentração de oxigênio podem ser medidos continuamente«, explica Schmieder. »Os sensores usados para isso medem diretamente no sistema microfisiológico e podem ser reutilizados para investigações posteriores.«
Os especialistas do Fraunhofer ITEM contribuíram com seu conhecimento sobre cortes de tecido. Eles usaram os cortes mais finos de tecido pulmonar, explica o Prof. Armin Braun, chefe de área de Farmacologia e Toxicologia Pré-clínica no Fraunhofer ITEM. »Durante a operação de um paciente com um tumor pulmonar, não apenas o tumor em si, mas também o tecido saudável é removido.« Um vibrátomo equipado com uma lâmina de barbear oscilante produz fatias finíssimas dessas amostras com uma espessura de 350 micrômetros e um diâmetro de aproximadamente um centímetro. Estas ainda são bem supridas com nutrientes. Aplicados ao chip, os cortes de tecido permaneceram vitais e funcionais no sistema microfisiológico por um longo período. »Assim, podemos observar a interação do sistema imunológico humano com o tumor«, acrescenta Braun. Todas as células imunes relevantes já estão presentes no corte. »Isso nos aproxima muito do sistema real, muito mais perto do que seria possível com modelos animais.«
Usar sistemas também para pesquisar outras doenças
Como o câncer se desenvolve exatamente e como ele se espalha pelo corpo? Um ponto importante: o metabolismo no tumor difere do tecido normal. »Para os médicos, é importante poder investigar quais condições atraem metástases em um órgão«, explica Florian Schmieder. Altas concentrações de oxigênio e o valor do pH são decisivos para isso. Os pesquisadores do Fraunhofer IWS querem ajustar essas condições ambientais de forma ainda mais eficaz nos microssistemas no futuro. »Até agora, podemos, por exemplo, alterar o teor de oxigênio em todo o sistema«, explica ele. Um desafio agora é permitir diferentes concentrações de oxigênio em um chip para observar a reação das células tumorais e metástases a elas.
Seria ideal se vários tipos de tecido de um paciente pudessem ser combinados. »No entanto, tais amostras são extremamente raras na realidade«, afirma Schmieder. Mas é possível reunir amostras de sangue e tecidos do mesmo paciente no sistema. Em combinação com os diferentes sensores, isso cria um valor agregado que não era alcançável por outros métodos até agora. Assim, a tecnologia também pode ser usada como uma alternativa útil aos testes em animais existentes. Infelizmente, a pesquisa ainda não pode prescindir completamente de modelos animais por enquanto.
Paralelamente, a equipe de 15 pessoas do Fraunhofer IWS também está trabalhando em projetos que testam o uso de cortes de tecido para outras doenças. Um exemplo é a fibrose. Nesse caso, ocorre uma reação alterada do sistema imunológico com o tecido, que subsequentemente endurece patologicamente e perde parcialmente sua função. Esses processos restringem a função de tecidos e órgãos. »Estamos trabalhando nessa questão no projeto interno do Fraunhofer FIBROPATHS«, diz Schmieder. É preciso esclarecer quais sistemas específicos os tecidos individuais precisam no minilaboratório para poder cultivá-los por mais tempo.
Novas terapias para pacientes com câncer possíveis
Os resultados até agora na pesquisa sobre o crescimento tumoral e a formação de metástases com a ajuda de sistemas microfisiológicos deixam o Prof. Christoph Klein otimista. »Se quisermos investigar doenças, esta é uma nova e muito interessante oportunidade que se apresenta a nós«, diz o médico. »Entender a metástase de forma abrangente é a chave para novos métodos de tratamento que previnam a formação posterior de metástases no corpo de pacientes com câncer«.
Florian Schmieder vê um grande potencial na tecnologia para o futuro: »Nossos sistemas estão se tornando cada vez mais modulares.« Diferentes blocos de construção podem ser recombinados no futuro para esclarecer as mais diversas questões científicas.
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