Entre os dias 27 e 30 de janeiro de 2020, aconteceu o curso “Imersão nas tecnologias do futuro: Cultivo celular em 3D e Bioimpressão de tecidos”. Organizado pela BioEdTech em parceira com a GCell Cultivo 3D, o curso foi uma edição especial, que uniu a especialidade das suas startups, a Bioimpressão e o cultivo celular 3D. O curso foi realizado no M-LAB da empresa Merck, em Barueri – SP, Para ter acesso à programação completa do evento clique aqui.
A colaboradora Jennifer Medrades participou do curso e conta tudo o que aconteceu para os leitores do Profissão Biotec!
Por que esse curso é importante dentro do cenário brasileiro? O que é Bioimpressão? O que é Cultivo Celular 3D? Quais as suas aplicações? Em que ponto está o Brasil nessas novas tecnologias? Vamos nos aprofundar nesses assuntos e no final contamos o que rolou no curso!
O que é Bioimpressão de tecidos?
É uma técnica fundamentada na impressão 3D e consiste na construção de tecidos e órgãos em 2D e 3D com o auxílio robótico e computadorizado para manipulação e transferência de biomateriais vivos, células e agregados de células, em um gel 3D. A transferência é realizada camada por camada, até que se forme o construído desejado.
Se liga no nosso conteúdo específico sobre bioimpressão produzido pela fundadora da BioEdTech.
Quais as aplicações da bioimpressão de tecidos?
Uma aplicação promissora da bioimpressão de tecidos é a produção de órgãos e tecidos humanos para transplante.
Segundo a Associação Brasileira de Transplante de Órgãos (ABTO), somente nos meses de janeiro a setembro de 2019 foram realizados 6.722 transplantes de órgãos no Brasil e no mesmo mês de setembro ainda haviam 36.468 pacientes ativos na lista de espera para receber um transplante, número incompatível com a quantidade de doadores potenciais e doadores elegíveis que, somados, não chegam a 13 mil. Os órgãos mais transplantados são os rins e o fígado e, ainda que o número de transplantes venha crescendo ano a ano, é importante destacar que cerca de 5,8% dos pacientes morrem na fila de espera por um transplante. Tendo em vista esse cenário, uma solução bastante ambiciosa está sendo testada: a construção de tecidos e órgãos em laboratório, para que os pacientes na fila de espera não dependam apenas de doadores.
Falamos sobre a biotecnologia no transplante de órgãos também neste texto e neste vídeo.
A bioimpressão de órgãos e tecidos também pode ser utilizada para produção de pele e córnea humanas, como alternativa para testes de cosméticos, organoides testes de drogas farmacêuticas, estudos de doenças em 3D, além de pesquisas de base que podem nos ajudar a compreender melhor o funcionamento do organismo humano.
Quais são as etapas da bioimpressão de tecidos?
A Bioimpressão possui basicamente 3 etapas sequenciais. A primeira é o pré-processamento, ou seja, o desenvolvimento do projeto do órgão a ser construído. Nesta etapa, é exigido o conhecimento da anatomia e histologia do órgão. Softwares de desenho, transferência e fatiamento são utilizados para programar as coordenadas necessárias para a bioimpressora trabalhar.
A segunda etapa é a de processamento ou impressão real dos órgãos, quando a bioimpressora é colocada em ação. E a última etapa é a de pós-processamento, podendo ser chamada também de condicionamento de órgãos ou maturação acelerada de órgãos. Nesta etapa, as células-tronco utilizadas na bioimpressão receberão os estímulos necessários para se diferenciarem e darem origem ao órgão propriamente dito, com sua morfologia e funcionalidade.
Existem atualmente técnicas diferentes para transferência das células na bioimpressão, sendo elas: extrusão mecânica; extrusão pneumática; extrusão por rosca; jato de tinta por aquecimento; jato de tinta piezoelétrico; transferência direta induzida por laser e microfluídica, sendo a extrusão mecânica a mais utilizada. A bioimpressão piezoelétrica e por microfluídica são as que oferecem melhor precisão.
Exemplos de bioimpressão de tecidos no Brasil e no Mundo
A primeira bioimpressora foi desenvolvida entre os anos de 2000 e 2003 por Vladimir Mironov, professor do departamento de engenharia química e de ciências da vida na Virginia Commonwealth University (EUA) e chefe de pesquisa do laboratório 3D Bioprinting Solutions, que atualmente se dedica à fabricação e comercialização de bioimpressoras e biotintas.
Os primeiros trabalhos publicados sobre bioimpressão são do ano de 2003 e relatam os desafios e as potencialidades da bioimpressão. Já em 2004 era realizado o Primeiro Workshop de Bioimpressão e Biopadronização na University of Manchester (United Kingdom).
No Brasil, o Centro Nacional de Metrologia do Brasil (INMETRO) e o Centro de Tecnologia da Informação (CTI) Renato Archer foram os órgãos responsáveis por receber Vladimir Mironov em 2015, para a apresentação de seu relatório sobre a construção da glândula tiróide de rato, que foi bioimpressa e transplantada com sucesso.
Neste mesmo ano, pesquisadores do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique, na Suíça, produziram em seu laboratório um nariz bioimpresso a partir de células de cartilagem e biopolímeros. O Grupo de Regeneração e Engenharia de Cartilagem do Departamento de Ciências da Saúde e Tecnologia afirma que o nariz pode ser construído em 16 minutos e se mostra uma alternativa viável para transplante em pacientes que sofreram um acidente de carro, por exemplo.
À direita: nariz construído pela bioimpressora com base no modelo tridimensional.
Fonte: ETH Zurich
Nessa época, já haviam mais de 80 grupos de pesquisa espalhados pelo mundo dedicados a projetos de Bioimpressão, e o caso mais famoso talvez seja o da construção do coração de Israel, em que os pesquisadores imprimiram pela primeira vez um coração em miniatura, com células cardíacas e vasos sanguíneos no sistema fresh, ou seja, dentro de uma camada de gelatina que serve como suporte para o órgão até que as células sejam capazes de sustentar após a fase de maturação.
Atualmente no Brasil, existem muitos grupos de pesquisa e Startups empenhadas no desenvolvimento e promoção da Bioimpressão, sendo algumas delas BioEdTech, 3DBS, BioPrint.
O que é cultivo celular 3D?
O cultivo de células em laboratório é realizado para estudar as funções das células, a expressão de genes e atividade de proteínas para o entendimento de doenças e processos metabólicos.
O cultivo tradicional é realizado em garrafas plásticas ou placas nas quais as células crescem formando uma monocamada (2D). Esse tipo de cultivo levanta questionamentos de o quanto os resultados podem ser comparados com o que acontece num organismo vivo, no qual as células interagem formando estruturas tridimensionais (tecidos e órgãos).
Buscando minimizar os artefatos experimentais e se aproximar mais do ambiente e das interações que ocorrem nos organismos, existe o cultivo celular 3D. Esse cultivo possibilita um microambiente semelhante ao natural para a célula, possibilitando, entre outras coisas, que sua morfologia sustentada pelo citoesqueleto influencie, inclusive na expressão gênica e dê maiores condições para a célula se diferenciar e formar o tecido desejado.
O cultivo celular em 3D tem avançado muito e hoje são produzidos esferoides, agregados celulares em formato esférico, que podem ser produzidos em tamanho e com número de células padronizados, e os organoides, que são estruturas tridimensionais de células diferenciadas que espelham ao menos uma função e a histologia do órgão original.
Quais as aplicações do cultivo celular 3D?
Os esferoides são utilizados atualmente como modelo para estudos de toxicologia, testes de drogas, na terapia celular e apresentam uso promissor dentro da bioimpressão, por isso o domínio dessa técnica de produção é essencial.
Exemplos de cultivo celular 3D no Brasil e no mundo
Um dos organoides mais destacados na literatura é o mini brain produzido pela pesquisadora Madeline A. Lancaster em 2014, o qual possui protocolo publicado pela Nature Protocols. Existem também organoides do epitélio intestinal feitos por cientistas dos EUA, e organoides hepáticos produzidos com bioimpressão por pesquisadores brasileiros (assista ao vídeo aqui).
Conheça mais sobre a biotecnologia e a engenharia de tecidos neste texto!
No Brasil, existem diversos centros de pesquisa que estudam o culivo de células, como a Universidade Federal do Rio de Janeiro e o Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais. Também existem startups de cultivo celular 3D como a GCell Cultivo 3D e a Episkin Brasil .
O curso “Imersão nas tecnologias do futuro: Cultivo celular em 3D e Bioimpressão de tecidos”
O curso teve quatro dias de duração, dividido em aulas teóricas e demonstrações práticas. Foi prestigiado por 16 inscritos entre professores de universidade, alunos de mestrado, doutorado e pós-doutorado das universidades USP, UFABC, UFRJ, UNESP e UFSCar e representantes de empresas como a Eppendorf do Brasil, Merck, Ashland e 3DBS.
Primeiro dia de curso
O primeiro dia foi utilizado para fornecer o embasamento teórico sobre o cultivo celular 3D e a Bioimpressão.
Nas duas primeiras palestras, a Dra. Leandra S. Baptista (professora da UFRJ e co-fundadora da GCell Cultivo 3D) falou sobre as diferentes células-tronco e os novos conceitos da engenharia de tecidos, destacando a diferença entre a terapia celular autóloga, aquela que utiliza células do próprio paciente, e a alogenéica, baseada em células de um doador da mesma espécie.
A palestrante destacou as vantagens de se trabalhar com células-tronco, no lugar das células de tecidos específicos, por conta de sua maior plasticidade e capacidade de renovação in vitro. Entre os principais tipos de células-tronco, existe uma classe chamada de células-tronco pluripotente induzidas (iPS) que são produzidas com células de adultos induzidas a retornar ao estado pluripotente e o primeiro protocolo foi descrito por Yamanaka em 2006.
O uso das células iPS tem se tornado mais frequente pela modernização do protocolo e por enfrentar menos problemas éticos que células tronco embrionárias Atualmente, essas células são utilizadas, principalmente, para produção de células cardíacas e tecido nervoso.
Durante a segunda palestra, a professora Leandra abordou as estratégias scaffold-based e scaffold-free da engenharia de tecidos, destacando que a mais utilizada hoje é scaffold-free por conta das vantagens existentes, como baixa rejeição e organização celular semelhante ao tecido original.Nesta palestra também ficou clara a distinção entre o cultivo celular 2D e 3D, conforme explicamos no tópico anterior.
Em seguida, houve a palestra da Dra. Janaína Dernowsek (pesquisadora do CTI Renato Archer e fundadora da
BioEdTech), fundamentada no histórico, nas aplicações e nos desafios enfrentados por quem deseja hoje trabalhar com a bioimpressão. Atualmente, existem muitas empresas e grupos de pesquisa envolvidos nas mais diversas etapas da bioimpressão, tais como:
- Desenvolvimento de softwares cada vez mais especializados no design e fatiamento de modelos computacionais para estruturas biológicas;
- Produção de hidrogéis que sejam adequados para a impressão dos mais diversos tipos celulares;
- Produção e venda de bioimpressoras, oferecendo treinamento de capacitação para operá-las;
- Além daquelas que já fabricam produtos bioimpressos, como uma Startup Espanhola (NOVAMEAT) que está produzindo carne em seus laboratórios de bioimpressão.
Segundo dia do Curso
No segundo dia, começaram as aulas práticas com demonstração da produção dos esferoides pelas estudantes de Doutorado em Biotecnologia: Letícia Charelli e Ísis Côrtes.
Os esferoides são utilizados atualmente como modelo para estudos de toxicologia, testes de drogas, na terapia celular e apresentam uso promissor dentro da bioimpressão, por isso o domínio dessa técnica de produção é essencial.
A produção dos esferoides é realizada dentro de moldes de ágar fabricados com intersecções na escala de micrômetros, nas quais as células são semeadas. As células se sedimentam no fundo nas intersecções e começam a formar os esferoides, depois de 48 horas eles estão completamente formados e podem ser coletados com o auxílio de pipetas. São feitas várias lavagens até que todos os esferoides tenham se desprendido do fundo do ágar, então eles são transferidos para um tubo falcon e estão prontos para serem incorporados ao hidrogel e formarem as biotintas, por exemplo.
(A) Molde de silicone utilizado pelo grupo de pesquisa da professora Leandra Baptista para produção do ágar para fabricação do esferoides. (B) Carimbo desenvolvido pela Janaína Dernowsek para produção do ágar utilizado na fabricação dos esferoides. (C) Ágar pronto para pronto para receber a semeadura de células, produzido com o molde de silicone. (D) Ágar pronto para pronto para receber a semeadura de células, produzido com o carimbo.
Terceiro Dia de Curso
O terceiro dia foi focado nas práticas de Bioimpressão. A primeira aula foi ministrada pelo Alessandro Queiroz, diretor de tecnologia da BioEdTech. Nessa palestra, os alunos do curso foram apresentados aos softwares existentes para modelagem 3D, transferência, fatiamento e host, destacando que nenhum destes softwares foram pensados e desenvolvidos para bioimpressão e que na verdade todos são “emprestados” da impressão 3D.
Na sequência, Janaína Dernowsek, em sua aula sobre modelagem biológica, apresentou a importância da reologia das biotintas para a bioimpressão e o quanto essa propriedade “ideal” irá depender da técnica utilizada na bioimpressão, da velocidade, do fatiamento, do tipo de célula, da pressão da seringa, da viscosidade e assim por diante.
Essas características da biotinta também devem ser ajustadas às células utilizadas na bioimpressão. Se forem apenas células em solução, elas possuem uma capacidade de sofrer pressão (durante o processo de bioimpressão) que irá variar de acordo com o tipo de célula. Se forem esferóides, essa capacidade aumenta.
Alessandro apresentou as funcionalidades e ferramentas encontradas dentro do software Simplify3D para fatiamento de modelos 3D, passando pelos parâmetros mais importantes a serem otimizados, como: velocidade de impressão, porcentagem e padrão de preenchimento, altura e largura das camadas, pressão de extrusão, entre outros.
As demonstrações práticas foram realizadas pelo Alessandro mostrando as peças componentes da Bioimpressora fabricada pela BioEdTech e os ajustes realizados no Simplify3D para a impressão.
Janaína demonstrou em laboratório a fabricação da biotinta, utilizando os esferoides produzidos no dia anterior do curso, a impressão de um cilindro com creme Nívea e a bioimpressão de um cubo, como a biotinta.
Quarto dia de curso
O último dia de curso iniciou com a aula intitulada “Biomateriais e suas funcionalidades para biofabricação de tecidos, da Professora Juliana Kelmy Macário Barboza Daguano, da Universidade Federal do ABC e pesquisadora do CTI Renato Archer,”. Nesta aula, ela apresentou as classes de biomateriais, como metais, cerâmicas e polímeros, com ênfase nos biopolímeros utilizados em biotintas, como o colágeno, elastina, fibroína, quitosana e ácido hialurônico.
Mas o destaque do dia foi para a aula de Rodrigo de Vecchi, CEO da Episkin Brasil, que apresentou a empresa, composta por 3 laboratórios do mundo: um no Brasil, um na França e outro na China. Essa empresa é especializada na fabricação de pele em laboratório a partir de células humanas. A epiderme reconstituída é composta por ao menos 6 camadas diferenciadas e passa por um controle de qualidade bastante rígido ao longo de todo seu processo de fabricação e certificação final, sendo o principal teste realizado o histológico.
A epiderme reconstituída é comercializada dentro de kits e é destinada a testes alternativos para cosméticos. Essa demonstração foi realizada em laboratório para o alunos do curso. O teste de irritação na pele foi realizado com um controle positivo, um controle negativo, creme de barbear e pó facial.
O teste é realizado com brometo de tetrazólio (MTT), um reagente muito utilizado para medir a atividade celular, o qual, em condições adequadas é convertido pelas células em um produto insolúvel de coloração roxa. Ao utilizar um produto que irrita a pele, as células morrem e tornam-se incapazes de converter o MTT, assim a coloração roxa é indicativo de atividade celular. Essa atividade pode ser, posteriormente, medida através de técnicas de espectroscopia.
O diferencial da pele da Episkin é que ela é produzida sem qualquer produto de origem animal, não utilizando colágeno, por exemplo. O laboratório do Brasil recebe as células que são enviadas da França e produz a pele padronizada e validada pela OECD. Já o laboratório da China, produz peles personalizadas, como por exemplo pele envelhecida, sob demanda.
E o que mais?
Nós do Profissão Biotec achamos esses temas bastante relevantes por sua aplicabilidade para resolver problemas de saude humana. E você, achou o tema interessante? Quer aprender mais? Muitas oportunidades estão disponíveis. A BioEdTech já possui alguns cursos programados para este ano:
Também são promovidos no INMETRO e a UFRJ Workshops gratuitos de Bioimpressão e Engenharia de Tecidos, uma ótima oportunidade para estudantes e pessoas que queiram conhecer melhor o assunto.
Pesquisa da Dra. Leandra Baptista
O foco da pesquisa da Professora Leandra na Universidade Federal do Rio de Janeiro são as células-tronco mesenquimais provenientes do tecido adiposo, sendo utilizadas, sobretudo, para terapia celular por conta de sua função parácrina. Essas células são capazes de estimular a renovação dos tecidos, sintetizar fatores de crescimento, interagir e regular a ação das células do sistema imune, estimular a angiogênese e promover a produção de matriz extracelular pelo tecido lesionado.
Importante destacar que, durante sua pesquisa com as células do tecido adiposo, a professora Leandra percebeu que as características das células são alteradas significativamente em pessoas obesas ou com outras doenças sistêmicas, como a diabetes. Aquelas células que antes eram anti-inflamatórias se tornam pró-inflamatórias, sendo assim, impróprias para o uso em terapia celular, e mesmo em pacientes ex-obesos essa característica pode ser notada.
