Checagem preventiva: Teste avalia sensibilidade de células tumorais a medicamentos e o eventual retorno do câncer

Ambiente tumoral: células saudáveis (em verde) protegem células tumorais (em vermelho)

© ARIOSTO SILVA / MOFFITT CANCER CENTER

Em um dos principais centros de pesquisa em câncer nos Estados Unidos, o Moffitt Cancer Center, na Flórida, um brasileiro formado em engenharia de computação está avançando em um teste que, por meio de imagens processadas em computador, avalia a sensibilidade das células tumorais aos medicamentos antes do início do tratamento. Se o trabalho correr como desejado, essa abordagem poderá ir além dos testes já disponíveis, que ajudam a selecionar os quimioterápicos mais eficientes, e predizer se e quando o câncer poderia voltar.

“Hoje, os testes equivalentes ao nosso permitem apenas saber se as células tumorais são sensíveis ou resistentes aos medicamentos”, diz Ariosto Silva, responsável pela concepção e desenvolvimento do teste, cujos resultados preliminares foram apresentados em janeiro em um artigo na revista Cancer Research. “O novo teste, se funcionar como o esperado, representará um passo importante rumo a tratamentos personalizados contra o câncer.”

O teste ainda está em fase de ajustes. No dia 27 de janeiro, Silva recebeu em seu laboratório um pequeno tubo de vidro com células de um tipo de câncer sanguíneo chamado mieloma múltiplo, mais frequente em pessoas com mais de 60 anos. Era mais uma amostra de células tumorais extraídas da medula óssea que ele pretendia submeter ao teste em que trabalha há três anos. No dia seguinte, as células de mieloma foram acondicionadas em compartimentos de um bloco plástico montado sobre uma lâmina de vidro. Ali, as células doentes entraram em contato com células saudáveis do mesmo paciente, imersas em uma mistura de nutrientes do sangue: essa combinação tenta reproduzir em laboratório o ambiente que as células tumorais encontram no interior dos ossos, onde se proliferam.

Em seguida, Ariosto, com sua equipe, adicionou a cada compartimento dosagens diferentes de seis medicamentos contra o mieloma, além de combinações desses compostos antitumorais. Pelos cinco dias seguintes, eles acompanharam, por meio de fotografias tiradas a cada cinco minutos com o auxílio de um microscópio, o ritmo de morte das células. Silva, com sua equipe, fez um programa de computador que faz a identificação e a contagem automática das células mortas e sobreviventes e, com base nessas informações, calcula o risco de o câncer voltar após o tratamento com a medicação mais adequada.

Vizinhança acolhedora
Nos experimentos iniciais os pesquisadores usaram células tumorais e saudáveis de sete pessoas com mieloma para avaliar o desempenho de dois compostos – bortezomib e melphalan – usados para tentar reduzir a progressão desse câncer, ainda sem cura. Eles constataram que, em companhia das células saudáveis do tecido (estroma) que lhes fornece apoio físico e nutrientes, as células do mieloma se mostraram mais resistentes aos medicamentos. Em contato com o estroma, mais da metade das células tumorais continuavam vivas um dia depois de serem tratadas com melphalan – isoladas, quase todas morrem em pouco mais de 12 horas, dependendo da concentração do quimioterápico. O efeito do melphalan foi restaurado quando os pesquisadores acrescentaram o bortezomib ao meio contendo as células saudáveis e as tumorais.

© ARIOSTO SILVA / MOFFITT CANCER CENTER

“Ao reconstituir o ambiente tumoral, conseguimos fazer uma análise mais realista da resposta ao tratamento”, comenta Silva. É que no interior dos ossos os plasmócitos, células que originam o mieloma, não estão sozinhos. Vivem aderidos a células do estroma, com as quais trocam informações químicas o tempo todo. “O ambiente da medula protege as células tumorais”, diz ele. “Durante o tratamento as células do mieloma migram no interior da medula óssea para regiões cada vez mais protegidas.”

Com graduação em engenharia de computação pelo Instituto Tecnológico da Aeronáutica, Silva especializou-se em biologia molecular durante o doutorado na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e no Centro Infantil Boldrini, que atende crianças com câncer. Em 2008 ele se mudou com a família para trabalhar no Moffitt Center, na cidade de Tampa, na Flórida, com o oncologista matemático Robert Gatenby. Autor de uma visão própria sobre a evolução das células tumorais, Gatenby, como outros líderes do centro, buscava uma abordagem ampla e multidisciplinar, com matemáticos, físicos e cientistas da computação, que trabalham com biólogos e oncologistas, de modo a entender o câncer como um sistema complexo e dinâmico, em vez de olhar apenas para as células doentes, que, agora se vê, são apenas um dos componentes desse ambiente (ver Pesquisa FAPESP nº 162, agosto de 2009).

Silva e sua equipe pretendem usar o novo teste para estudar como o ambiente tumoral e a localização do câncer evoluem durante o tratamento. Sua estratégia não usa compostos que danificam as células tumorais e as saudáveis – um programa de computador tira fotos automaticamente e depois as analisa, reconhecendo as que estão vivas porque elas pulsam, como se respirassem. Assim, é possível identificar mais facilmente o efeito dos quimioterápicos e acompanhar as células por até cinco dias, um período considerado bastante longo. Os testes comerciais usam compostos para marcar as células que também as danificam e podem matá-las, dificultando saber se morreram por causa do tratamento ou da técnica de medição usada no teste.

Risco de retorno
Como o novo teste permite observar célula por célula, Silva e sua equipe conseguiram verificar a sensibilidade das células a diferentes concentrações de medicamentos e medir o tamanho da população resistente ao longo do tempo. Segundo ele, isso torna possível reconstruir a trajetória de redução do tumor e estimar quando ele pode voltar a crescer. “Estamos tentando personalizar o tratamento e também fazer o acompanhamento personalizado de como ele evolui”, conta Silva.

Essa estratégia já foi usada experimentalmente no Moffitt Cancer Center para verificar se o que os pesquisadores observavam em laboratório também ocorria na prática clínica. E os resultados preliminares parecem favoráveis. “Já acompanhamos alguns pacientes por um ano e constatamos que existe uma correlação entre a sensibilidade e a resistência verificadas nos testes in vitro e as medidas in vivo, agora precisamos validar o método testando em mais 40 ou 50 pessoas”, diz Silva, que planeja aplicar o teste em outros cânceres sanguíneos, como o linfoma e a leucemia, em colaboração com pesquisadores do Brasil. Silva acredita que não será difícil validar o método se conseguir trabalhar em colaboração com outros centros. Além disso, ele acrescenta, os programas de computador empregados nos testes são de uso livre e, portanto, qualquer laboratório de biologia molecular poderia repetir os experimentos.

“Pela natureza do teste, muitos esquemas terapêuticos poderiam ser testados in vitro antes de expor o paciente a tratamentos que eventualmente se mostrem menos eficazes”, observa Roger Chammas, professor da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo e coordenador do laboratório de pesquisa translacional do Instituto do Câncer do Estado de São Paulo, que colabora com Silva e Gatenby. “Da forma como foi proposto, o modelo parece mais adequado aos tumores hematológicos, como o próprio mieloma. Contudo, o modelo permitirá acomodar no futuro variáveis experimentais que simulem as condições encontradas em tumores sólidos. À medida que esses detalhes sejam acertados, estratégias como essas devem chegar à prática clínica. No meu entender, esse trabalho representa um exemplo bastante interessante de um passo nessa direção”, diz Chammas.

Gatenby está otimista. “Penso que essa estratégia pode rapidamente ir para testes clínicos mais amplos, porque Ariosto fez realmente um bom trabalho em conjunto com oncologistas clínicos, sempre ancorados em aplicações médicas”, disse ele a Pesquisa FAPESP. “Estou certo de que esse tipo de abordagem não é somente necessária, mas o único modo pelo qual realmente conseguiremos progredir no controle do câncer.”

Artigo científico
KHIN, Z. P. et al. A preclinical assay for chemosensiti­vity in multiple myeloma. Cancer Research. v. 74, n.1. 1º jan. 2014. 

Fonte Revista Fapesp

Por: RICARDO ZORZETTO | Edição 217 - Março de 2014

Fronteiras fluidas: Propriedades elásticas da membrana variam segundo o tipo e a função da célula

© NIBSC / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Captura: célula de defesa chamada macrófago (amarelo) emite prolongamentos e envolve uma hemácia, antes de a digerir

Cada célula do organismo é como uma metrópole agitada em que, em vez de carros e pessoas, circulam continuamente moléculas e estruturas de tamanhos e tipos variados, essenciais para mantê-la viva. Toda essa movimentação, por vezes frenética, ocorre em um espaço limitado, definido por uma estrutura extremamente delgada e maleável: a membrana celular. Formado por uma dupla camada de lipídios, um tipo de gordura que lhe dá a viscosidade de um óleo fino e o torna relativamente fluido, esse revestimento das células abriga aqui e ali proteínas incrustadas. Nos últimos anos vem crescendo a compreensão de que a membrana, de aspecto frágil ao microscópio, desempenha funções bem mais complexas do que a de somente separar o conteúdo interno do meio externo das células.

“A membrana é muito mais do que o pacote envolvendo o conteúdo celular”, resume o biólogo Bruno Pontes, pesquisador da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Atualmente em um estágio de pós-doutorado no Instituto de Mecanobiologia da Universidade Nacional de Cingapura, no Sudeste Asiático, Bruno integra uma equipe no Rio que investiga as características físicas da membrana celular e recentemente mediu, com nível inédito de precisão, suas propriedades elásticas.

Coordenado pelo físico Herch Moysés Nussenzveig, conhecido internacionalmente por seus estudos em óptica, o grupo da UFRJ inclui biólogos, matemáticos, além de, claro, físicos. Em uma série de testes feitos nos últimos anos os pesquisadores usaram um feixe de laser bastante concentrado para manipular em laboratório a membrana de células do cérebro, do sangue e de outros tecidos. Com essa ferramenta chamada de pinça óptica – no ponto de maior concentração, o laser induz o surgimento de dipolos elétricos que permitem atrair e mover objetos microscópicos e, por exemplo, manusear células vivas sem as danificar –, eles constataram que tipos distintos de células apresentam propriedades elásticas de membrana diferentes.

Em experimentos bastante delicados, Bruno usou o laser da pinça para aprisionar esferas microscópicas de um material plástico e, em seguida, fazê-las aderir a diferentes pontos da membrana das células. Segundos mais tarde ele puxava cada uma das esferas a uma velocidade constante até que se formasse um tubo alongado de membrana – a força necessária para esticar a membrana e formar um tubo é da ordem de dezenas de piconewtons, alguns trilionésimos da força que a gravidade exerce sobre uma maçã.

Medindo o raio do tubo e a força necessária para formá-lo, foi possível obter as duas grandezas físicas que determinam a elasticidade da membrana: a tensão superficial (resistência a se romper) e a rigidez de curvatura (resistência a se dobrar). Em alguns casos, a elasticidade da membrana variou tanto de um tipo celular para outro que, segundo Nussenzveig, “saltou aos olhos que deve existir uma relação direta entre as propriedades da membrana e a função que a célula desempenha no organismo”.

Os neurônios, as células mais abundantes no cérebro, responsáveis pelo armazenamento e pela transmissão de informações, foram também aquelas com membrana mais flexível entre os cinco tipos de célula avaliados. Com formato bastante característico, o neurônio tem uma região mais volumosa, o corpo celular, onde fica o núcleo, e outra composta por prolongamentos mais estreitos e alongados, os axônios e dendritos, por onde os sinais elétricos trafegam até chegar ao neurônio seguinte. No cérebro, um neurônio se conecta a outros por meio dessas extensões que podem ser remodeladas constantemente. Como preservam essa plasticidade e são bastante assimétricos, faz sentido, segundo o grupo da UFRJ, que sua membrana seja mais maleável.

O segundo colocado nessa espécie de ranking de flexibilidade foram os astrócitos, de acordo com os resultados que os pesquisadores publicaram em julho deste ano na revista PLoS One. Os astrócitos têm a aparência de estrela e são o segundo tipo de célula mais abundante no cérebro, onde desempenham os papéis essenciais de nutrir os neurônios e de regular a formação de sinapses, conexões entre um neurônio e outro.

Curiosamente, a célula cerebral com membrana mais rígida é também a que costuma ser mais ativa e é capaz de sofrer mais deformações: a micróglia. Semelhante ao astrócito, mas com prolongamentos mais extensos, a micróglia é a principal célula de defesa do sistema nervoso central. Com esses prolongamentos, ela sonda o ambiente o tempo todo à procura de células doentes e agentes infecciosos. Quando os encontra, emite prolongamentos e os engloba para em seguida os destruir, num processo chamado fagocitose.

Na interpretação dos pesquisadores, faz todo o sentido que as propriedades físicas da membrana variem segundo o tipo de célula. Afinal, células diferentes desempenham funções distintas no organismo. “A membrana faz a interface entre o interior da célula e o meio externo, permitindo a interação entre ambos”, lembra o físico, coordenador do Laboratório de Pinças Ópticas da UFRJ. “Ela também detecta sinais químicos e estímulos mecânicos do ambiente ao redor e os transmite para o interior da célula. Ao mesmo tempo, serve de plataforma para a célula exibir sinais para o restante do organismo, indicando, por exemplo, a necessidade de se produzirem anticorpos. Além disso, a membrana dá forma à célula e também se deforma, permitindo à célula se mover por meio da emissão de projeções”, conclui.

Nos experimentos feitos na UFRJ, Bruno e os outros pesquisadores da equipe de Nussenzveig constataram também que a membrana da micróglia apresenta as mesmas propriedades elásticas da membrana de outras células de defesa: os macrófagos, que são produzidos na medula dos ossos e lançados na corrente sanguínea, por meio da qual se espalham pelo corpo (com exceção do sistema nervoso central). De modo semelhante à micróglia, os macrófagos também realizam fagocitose, emitindo prolongamentos que identificam, englobam e destroem tanto células velhas como agentes infecciosos e partículas estranhas ao organismo.

Para o grupo da UFRJ, uma origem embrionária comum pode explicar o fato de a membrana dos macrófagos e a das micróglias compartilharem as mesmas propriedades elásticas. Ambas as células são provenientes da mesoderme, uma das três camadas de células que formam o embrião em seus estágios iniciais (as demais células do sistema nervoso central se originam na ectoderme). E conservam muitas características em comum, embora migrem para regiões diferentes do corpo durante o desenvolvimento – a micróglia vai para o sistema nervoso central, enquanto o macrófago circula pelos tecidos periféricos.

“São como irmãos que foram criados juntos na infância e depois de adultos foram viver em países diferentes”, compara Bruno. “Eles preservam muitas características em comum, embora vivam separados e em contextos diferentes.” Nussenzveig lembra que tanto a micróglia quanto o macrófago têm de suportar forças intensas e grande deformação da superfície durante a fagocitose, o que justificaria que tivessem membranas mais resistentes.

Essa rigidez, porém, não é permanente. Ela é cerca de quatro vezes superior à da membrana dos neurônios quando a micróglia e o macrófago estão inativos, em um estado de dormência. E cai a cerca de metade da inicial quando essas células de defesa são ativadas.

Os pesquisadores registraram esse aumento de flexibilidade quando trataram os macrófagos e as micróglias com compostos encontrados nas paredes de bactérias. Esses compostos despertam as células de defesa e as tornam ativas. “A diminuição da rigidez de curvatura facilita a essas células se dobrarem e emitirem prolongamentos, preparando-se para fagocitar”, explica Nussenzveig.

A semelhança que encontraram entre macrófagos e micróglias também foi observada entre astrócitos e células de glioblastoma, um tipo devastador de tumor cerebral que resulta da proliferação descontrolada de astrócitos. “Ainda não sabemos os detalhes de como essas propriedades influenciam a função de uma célula”, diz Bruno. “Mas o fato de as constantes elásticas mudarem de acordo com o ambiente e o estado em que a célula se encontra certamente exerce alguma influência sobre o seu desempenho”, conta o biólogo, que em Cingapura trabalha com a equipe de Nils Gauthier tentando compreender melhor como essas propriedades elásticas da membrana poderiam orquestrar uma série de fenômenos no interior da célula.

“Esses são indícios bastante consistentes de que as propriedades elásticas da membrana conservam uma relação direta com a função da célula no organismo”, diz Nussenzveig. No trabalho publicado na PLoS One, a equipe da UFRJ demonstrou também que a flexibilidade da membrana não depende apenas dos lipídios que a formam. O que determina em grande parte sua rigidez é o chamado citoesqueleto de actina: uma rede difusa de filamentos da proteína actina que se distribuem pelo interior da célula e se ancoram nas proteínas aprisionadas na membrana.

Antes desse trabalho, se acreditava que os tubos de membrana que se formam quando a célula é manipulada com uma pinça óptica fossem constituídos de membrana pura, ou seja, quase exclusivamente lipídios. O grupo da UFRJ demonstrou que ao puxar a membrana, junto com os lipídios, também se arrasta o citoesqueleto. Observações anteriores, realizadas pelo grupo do Michael Sheetz, diretor do Instituto de Mecanobiologia em Cingapura, onde Bruno faz seu pós-doutorado desde o início do ano, não levavam em consideração a influência dessa rede de fibras proteicas. Essa situação, para os pesquisadores da UFRJ, não condiz com a realidade. “Uma célula com membrana pura, desacoplada do citoesqueleto, não existe porque seria muito instável”, explica Nussenzveig. “Na célula, a membrana fica ancorada em uma espécie de tapete de actina, o córtex, que lhe confere maior rigidez.”

Seu grupo também verificou que a membrana das células é dezenas de vezes mais resistente do que se imaginava. Especialista em óptica e criador do Laboratório de Pinças Ópticas da UFRJ, ele e os físicos Nathan Bessa Viana e Paulo Américo Maia Neto perceberam que, de um modo geral, as pinças ópticas – elas consistem em um sistema de laser acoplado a um microscópio – sofriam de uma espécie de defeito de visão, que interferia nas medições. Esse defeito é uma aberração óptica chamada astigmatismo, uma alteração no foco do laser diminui a força que ele é capaz de exercer. Depois de 13 anos estudando o assunto, a equipe da UFRJ afirma ter finalmente identificado a causa do problema e encontrado uma forma de corrigi-lo. “O trabalho descrevendo essas correções já foi submetido e deve ser publicado em breve”, conta Nussenzveig.

“Finalmente a pinça está completamente entendida a partir de primeiros princípios”, diz o físico. Com isso ele acredita que seu grupo conseguiu o controle completo sobre a pinça e como aumentar seu poder de captura. “Até os nossos trabalhos, a calibração era feita de modo indireto, comparando com força hidrodinâmica, causada pelo atrito da microesfera plástica com o fluido”, conta. Como consequência da calibração menos precisa dos instrumentos, viam-se diferenças grandes, da ordem de até 10 vezes, nas medições feitas por laboratórios distintos. “Nosso grupo é o único que até o momento obteve a calibração absoluta e nossos resultados são confiáveis dentro da precisão que é possível alcançar em biologia celular”, afirma Nussenzveig, que, aos 80 anos, continua entusiasmado com suas pesquisas e sabe que ainda se está longe de conseguir um modelo físico da membrana celular. “Há teorias que procuram analogias com materiais que a gente conhece para descrever o funcionamento da membrana das células”, conta. “Mas são rudimentares. Não basta tratar os materiais como sistemas inertes, passivos. É preciso levar em conta as reações da célula como sistema vivo.”

Artigo científico

PONTES, B. et al. Membrane elastic properties and cell function. PLoS One. 3 de jul. 2013.

Fonte: Revista Fapesp on line - edição 213 - 11/2013

Por Ricardo Zorzetto

Tempestades do corpo e da alma

Crises de depressão e de euforia provocam desequilíbrios químicos que podem danificar as células e acelerar o envelhecimento do corpo.

Desde 2009 o psiquiatra Rodrigo Bressan e outros pesquisadores da Universidade Federal de São Paulo (Unifesp) acompanham um grupo de adolescentes com alto risco de desenvolver doenças mentais graves como o transtorno bipolar e a esquizofrenia. Eles querem descobrir o momento adequado para agir antes que os problemas se manifestem e, assim, tentar evitar que se instalem. Ao mesmo tempo, procuram ensinar os adolescentes e seus familiares a lidar com situações estressantes que podem disparar as crises. Assim que possível, Bressan e os psiquiatras Elisa Brietzke e Ary Araripe Neto querem ver se compostos anti-inflamatórios, antioxidantes ou neurotróficos poderiam proteger as células cerebrais e, quem sabe, reduzir o risco de desenvolver essas doenças mentais.

A estratégia de tentar proteger o cérebro com esses e outros compostos se baseia na hipótese de que os neurônios e outras células cerebrais sofrem danos gradativos a partir do primeiro episódio mais intenso da doença – há quem suspeite de que os danos podem começar até mesmo antes. Estudos recentes indicam que nesses distúrbios o cérebro produz certos compostos em níveis nocivos que atrapalham o funcionamento das células e podem causar danos irreparáveis à medida que se sucedem, levando à deterioração das capacidades de raciocínio, planejamento e aprendizagem e até a uma alteração leve e definitiva do humor. Simultaneamente ao aumento na concentração dessas substâncias, haveria também uma diminuição nos de compostos neuroprotetores naturalmente produzidos pelo organismo.

Um dos pesquisadores que ajudou a desenvolver essa hipótese é o psiquiatra Flávio Kapc-zinski, professor da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e coordenador do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Medicina Translacional. Ele está convencido de que a evolução dramática dos casos graves de transtorno bipolar e de depressão é consequência de alterações fisiológicas causadas pelas crises recorrentes.

As crises que de tempos em tempos atormentam a mente também intoxicam o corpo, acredita Kapc-zinski. Elas seriam como tempestades químicas que desfazem o equilíbrio das células cerebrais e liberam compostos que, carregados pelo sangue, inundariam o organismo – às vezes levando a um grau de intoxicação quase tão grave como o enfrentado por quem desenvolve uma infecção generalizada (sepse). Repetidas ao longo de anos ou décadas, essas avalanches tóxicas precipitadas por surtos de depressão ou de mania produziriam um desgaste lento e progressivo do cérebro e de todo o corpo, reduzindo a capacidade de recuperação e acelerando o processo de envelhecimento.

Kapczinski começou a elaborar esse modelo teórico com base em experimentos feitos por sua equipe e por outros grupos para explicar como e por que a depressão e o transtorno bipolar, uma vez instalados e sem o tratamento adequado, seguem um padrão de agravamento progressivo que pode culminar com a morte precoce por problemas cardiovasculares e até câncer. De acordo com o modelo, as outras doenças que aparentemente nada têm a ver com o que se passa no cérebro poderiam evoluir como resultado dos desequilíbrios orgânicos gerados pelos episódios severos de depressão e mania.

Apresentada inicialmente em 2008 na Neuroscience and Behavioral Reviews, essa hipótese vem ganhando reconhecimento internacional. No último ano os estudos de Kapczinski já foram citados cerca de mil vezes em outros trabalhos. O psiquiatra australiano Michael Berk, da Universidade de Melbourne, acompanha essas pesquisas e, com Kapczinski, chamou esse novo modelo de neuroprogressão.

“Sabemos que esses distúrbios são progressivos e essa proposta teórica explica por quê”, diz Berk. Para ele, a interpretação de que essas doenças se agravam a cada surto pode gerar um impacto importante no tratamento por indicar a necessidade de diagnóstico e intervenção precoce e por sugerir que terapias neuroprotetoras possam atenuar o efeito desses problemas.

“A ideia está posta”, diz o pesquisador da UFRGS. “Agora é possível trabalhar para tentar confirmá-la ou refutá-la.” Ele sabe que o modelo é ousado e que é necessário reunir mais evidências para demonstrar que ele representa de modo adequado a evolução da depressão e do transtorno bipolar. “Temos trabalho para umas duas décadas”, diz Kapczinski.

Leia a integra da matéria no site: http://revistapesquisa.fapesp.br/2012/07/16/tempestades-do-corpo-e-da-alma

Fonte: Revista Fapesp - Edição 197 - Julho de 2012

Por: RICARDO ZORZETTO

Imagem: EDUARDO SANCINETTI