Estudo analisa como crescimento de neurônios é regulado

Durante o desenvolvimento do sistema nervoso, os neurônios crescem e projetam seus axônios – ramificações pelas quais os impulsos nervosos são conduzidos – ao longo de um caminho bem definido. Neurocientistas tentam, há décadas, desvendar os fatores que orientam esse processo.

Diversos estudos demonstraram a importância de sinais químicos para guiar o trajeto neuronal. Algumas moléculas secretadas por células do tecido nervoso, entre elas as proteínas efrina e semaforina, podem repelir ou atrair os axônios para uma determinada direção.

Agora, um novo estudo, cujo resultado foi divulgado na revista Nature Neuroscience, revelou que o processo também é mediado por sinais mecânicos, relacionados com o grau de rigidez do tecido.

A pesquisa foi coordenada por Kristian Franze, professor da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, e teve a participação de pesquisadores brasileiros, no âmbito de um Projeto Temático apoiado pela FAPESP.

“Nossos dados sugerem que os neurônios tendem a projetar os axônios para as regiões mais macias do tecido e evitar as áreas mais rígidas. Se conseguirmos entender melhor esse mecanismo, talvez seja possível encontrar meios de modular o crescimento e a regeneração neuronal, contribuindo, por exemplo, para o tratamento de lesões na medula espinhal e doenças neurodegenerativas”, disse Franze à Agência FAPESP.

As conclusões são baseadas em experimentos in vitro e in vivo conduzidos no Departamento de Fisiologia, Desenvolvimento e Neurociências da Universidade de Cambridge.

A análise quantitativa das imagens registradas durante os experimentos foi feita com a colaboração dos brasileiros Matheus Viana e Luciano da Fontoura Costa, ambos do Instituto de Física de São Carlos (IFSC), da Universidade de São Paulo (USP).

Como modelo de estudo, o grupo usou embriões de sapos do gênero Xenopus, frequentemente adotados em investigações sobre crescimento neuronal. Os primeiros ensaios foram feitos in vitro com células ganglionares de embriões em estágio inicial de desenvolvimento.

“Essas células são, na verdade, neurônios existentes na retina desses animais. Durante o desenvolvimento embrionário, eles projetam os axônios para fora da retina e formam os nervos ópticos, que se cruzam formando uma estrutura chamada quiasma óptico. Os axônios crescem por essa superfície e se curvam em direção à parte de trás da cabeça, conectando-se à região do cérebro onde os estímulos visuais serão processados”, contou Franze.

Conforme explicou o pesquisador, as células ganglionares foram cultivadas em um substrato feito de poliacrilamida, um tipo de hidrogel cuja rigidez pode ser controlada em laboratório.

Foram comparadas duas culturas – ambas expostas às mesmas substâncias químicas. A única diferença era a rigidez do substrato.

“Essas células crescem e começam a projetar os axônios em todas as direções. É impossível analisar isso a olho nu e, neste ponto, contamos com a ajuda da equipe brasileira”, contou Franze.

Todas as etapas do desenvolvimento celular foram registradas por meio de microscopia e analisadas na USP de São Carlos. “Com o auxílio de diversos softwares, como ImageJ e Fiji, monitoramos a velocidade e curvatura de crescimento dos neurônios", contou Fontoura.

Os resultados revelaram que, no substrato mais rígido, os axônios crescem mais rapidamente, ficam mais longos e mais retos. Já no substrato macio o crescimento é mais lento e exploratório, sendo que as ramificações se cruzam com maior frequência.

O passo seguinte foi acompanhar o desenvolvimento neuronal no modelo in vivo. Com auxílio de uma técnica conhecida como microscopia de força atômica, o grupo mediu a rigidez local em diferentes partes do cérebro dos embriões de sapo.

“Notamos que há diferentes gradientes de rigidez no tecido cerebral. Os neurônios evitam os locais mais rígidos e seguem em direção aos mais macios. Decidimos então reproduzir in vitro esses diferentes gradientes de rigidez e observamos que também em cultura as células crescem em direção às áreas mais macias do substrato”, disse Franze.

Sensor mecânico

Os experimentos seguintes tiveram o objetivo de descobrir por qual mecanismo os neurônios conseguem perceber as diferenças na rigidez no tecido.

O grupo escolheu investigar a participação da proteína PIEZO1, que atua na membrana da célula como um canal iônico, ou seja, um poro pelo qual ocorre a troca de íons entre os meios extra e intracelular.

“PIEZO1 funciona como um sensor mecânico da célula. O canal se abre quando uma determinada força é aplicada sobre ele. Por meio de experimentos in vitro demonstramos que, quando esse canal é bloqueado, o padrão de crescimento dos neurônios se altera”, disse Franze.

Nos ensaios in vivo, feitos com animais geneticamente modificados para não expressar o gene que codifica PIEZO1, os cientistas notaram que os neurônios da retina não se desenvolvem de maneira adequada e não conseguem chegar até a região-alvo no sistema nervoso central.

No teste seguinte, o grupo usou microscopia de força atômica para pressionar levemente o tecido cerebral dos embriões de sapo, de modo a aumentar a rigidez no local.

Cerca de seis horas depois, já era possível observar que os neurônios passaram a evitar a região, mudando o trajeto de crescimento.

Na avaliação de Franze, as descobertas abrem caminho para o desenvolvimento de técnicas para modular o crescimento e a regeneração neuronal, com possíveis aplicações terapêuticas.

“Por exemplo, se desejamos que os neurônios cresçam rapidamente em uma determinada região, ela deve ser rígida e tornar-se mais macia ao se aproximar do destino, para reduzir a velocidade de crescimento. Há diferentes formas de alterar a rigidez de um tecido in vivo e, dessa forma, alterar o padrão de crescimento neuronal”, avaliou.

Antes, no entanto, o pesquisador diz serem necessários mais estudos básicos, importantes para ampliar o entendimento sobre os mecanismos de sinalização mecânica.

“Pretendemos repetir esses experimentos com outras espécies animais e ver se os achados são semelhantes. Também vamos investigar se outros tipos celulares do tecido nervoso são mecanossensíveis, como os neurônios. Ainda há muito trabalho a fazer”, avaliou.

O artigo Mechanosensing is critical for axon growth in the developing brain (doi: 10.1038/nn.4394) pode ser lido aqui.

Durante o desenvolvimento do sistema nervoso, os neurônios crescem e projetam seus axônios – ramificações pelas quais os impulsos nervosos são conduzidos – ao longo de um caminho bem definido. Neurocientistas tentam, há décadas, desvendar os fatores que orientam esse processo.

Diversos estudos demonstraram a importância de sinais químicos para guiar o trajeto neuronal. Algumas moléculas secretadas por células do tecido nervoso, entre elas as proteínas efrina e semaforina, podem repelir ou atrair os axônios para uma determinada direção.

Agora, um novo estudo, cujo resultado foi divulgado na revista Nature Neuroscience, revelou que o processo também é mediado por sinais mecânicos, relacionados com o grau de rigidez do tecido.

A pesquisa foi coordenada por Kristian Franze, professor da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, e teve a participação de pesquisadores brasileiros, no âmbito de um Projeto Temático apoiado pela FAPESP.

“Nossos dados sugerem que os neurônios tendem a projetar os axônios para as regiões mais macias do tecido e evitar as áreas mais rígidas. Se conseguirmos entender melhor esse mecanismo, talvez seja possível encontrar meios de modular o crescimento e a regeneração neuronal, contribuindo, por exemplo, para o tratamento de lesões na medula espinhal e doenças neurodegenerativas”, disse Franze à Agência FAPESP.

As conclusões são baseadas em experimentos in vitro e in vivo conduzidos no Departamento de Fisiologia, Desenvolvimento e Neurociências da Universidade de Cambridge.

A análise quantitativa das imagens registradas durante os experimentos foi feita com a colaboração dos brasileiros Matheus Viana e Luciano da Fontoura Costa, ambos do Instituto de Física de São Carlos (IFSC), da Universidade de São Paulo (USP).

Como modelo de estudo, o grupo usou embriões de sapos do gênero Xenopus, frequentemente adotados em investigações sobre crescimento neuronal. Os primeiros ensaios foram feitos in vitro com células ganglionares de embriões em estágio inicial de desenvolvimento.

“Essas células são, na verdade, neurônios existentes na retina desses animais. Durante o desenvolvimento embrionário, eles projetam os axônios para fora da retina e formam os nervos ópticos, que se cruzam formando uma estrutura chamada quiasma óptico. Os axônios crescem por essa superfície e se curvam em direção à parte de trás da cabeça, conectando-se à região do cérebro onde os estímulos visuais serão processados”, contou Franze.

Conforme explicou o pesquisador, as células ganglionares foram cultivadas em um substrato feito de poliacrilamida, um tipo de hidrogel cuja rigidez pode ser controlada em laboratório.

Foram comparadas duas culturas – ambas expostas às mesmas substâncias químicas. A única diferença era a rigidez do substrato.

“Essas células crescem e começam a projetar os axônios em todas as direções. É impossível analisar isso a olho nu e, neste ponto, contamos com a ajuda da equipe brasileira”, contou Franze.

Todas as etapas do desenvolvimento celular foram registradas por meio de microscopia e analisadas na USP de São Carlos. “Com o auxílio de diversos softwares, como ImageJ e Fiji, monitoramos a velocidade e curvatura de crescimento dos neurônios", contou Fontoura.

Os resultados revelaram que, no substrato mais rígido, os axônios crescem mais rapidamente, ficam mais longos e mais retos. Já no substrato macio o crescimento é mais lento e exploratório, sendo que as ramificações se cruzam com maior frequência.

O passo seguinte foi acompanhar o desenvolvimento neuronal no modelo in vivo. Com auxílio de uma técnica conhecida como microscopia de força atômica, o grupo mediu a rigidez local em diferentes partes do cérebro dos embriões de sapo.

“Notamos que há diferentes gradientes de rigidez no tecido cerebral. Os neurônios evitam os locais mais rígidos e seguem em direção aos mais macios. Decidimos então reproduzir in vitro esses diferentes gradientes de rigidez e observamos que também em cultura as células crescem em direção às áreas mais macias do substrato”, disse Franze.

Sensor mecânico

Os experimentos seguintes tiveram o objetivo de descobrir por qual mecanismo os neurônios conseguem perceber as diferenças na rigidez no tecido.

O grupo escolheu investigar a participação da proteína PIEZO1, que atua na membrana da célula como um canal iônico, ou seja, um poro pelo qual ocorre a troca de íons entre os meios extra e intracelular.

“PIEZO1 funciona como um sensor mecânico da célula. O canal se abre quando uma determinada força é aplicada sobre ele. Por meio de experimentos in vitro demonstramos que, quando esse canal é bloqueado, o padrão de crescimento dos neurônios se altera”, disse Franze.

Nos ensaios in vivo, feitos com animais geneticamente modificados para não expressar o gene que codifica PIEZO1, os cientistas notaram que os neurônios da retina não se desenvolvem de maneira adequada e não conseguem chegar até a região-alvo no sistema nervoso central.

No teste seguinte, o grupo usou microscopia de força atômica para pressionar levemente o tecido cerebral dos embriões de sapo, de modo a aumentar a rigidez no local.

Cerca de seis horas depois, já era possível observar que os neurônios passaram a evitar a região, mudando o trajeto de crescimento.

Na avaliação de Franze, as descobertas abrem caminho para o desenvolvimento de técnicas para modular o crescimento e a regeneração neuronal, com possíveis aplicações terapêuticas.

“Por exemplo, se desejamos que os neurônios cresçam rapidamente em uma determinada região, ela deve ser rígida e tornar-se mais macia ao se aproximar do destino, para reduzir a velocidade de crescimento. Há diferentes formas de alterar a rigidez de um tecido in vivo e, dessa forma, alterar o padrão de crescimento neuronal”, avaliou.

Antes, no entanto, o pesquisador diz serem necessários mais estudos básicos, importantes para ampliar o entendimento sobre os mecanismos de sinalização mecânica.

“Pretendemos repetir esses experimentos com outras espécies animais e ver se os achados são semelhantes. Também vamos investigar se outros tipos celulares do tecido nervoso são mecanossensíveis, como os neurônios. Ainda há muito trabalho a fazer”, avaliou.

O artigo Mechanosensing is critical for axon growth in the developing brain (doi: 10.1038/nn.4394) pode ser lido aqui.