A arte de reciclar o corpo. Tecidos descartados no parto ajudam à regeneração óssea

Na porta do gabinete de João Mano está a figura de uma salamandra. Este anfíbio, com a capacidade para autorregenerar partes do seu corpo, é o modelo natural de inspiração para um cientista mergulhado no universo da engenharia de tecidos e da biomedicina regenerativa. E é esse o mundo em que se distingue este investigador, que dirige no CICECO, laboratório associado da Universidade de Aveiro, um dos mais ativos grupos de investigação dedicados à área dos biomateriais.

A atestar a qualidade do seu trabalho, de resto, estão as duas ERC Advanced Grant - as mais prestigiadas bolsas de investigação científica da União Europeia - já conquistadas por este investigador português com projetos focados na regeneração de tecido ósseo. A segunda dessas bolsas, no valor de 2,5 milhões de euros, chegou no ano passado, em pleno caos da novidade pandémica, e foi a única atribuída a um investigador português nessa edição do concurso promovido pelo Conselho Europeu de Investigação.

O projeto, de nome Reborn, vem na sequência do anterior, o Atlas, premiado em 2015, e tem como objetivo desenvolver tecidos tridimensionais à medida e escala dos defeitos ósseos reais e com alta precisão geométrica, para preencher regiões diferenciadas de quem perdeu massa de osso por circunstâncias diversas, como cancros ou fraturas extensas, e assim evitar o recurso a grandes cirurgias ou ao uso de próteses.

"A ideia é mesmo construir tecidos em laboratório que sejam funcionais e que possam ser implantados em pacientes que não tenham esses tecidos por qualquer motivo - um trauma, um acidente, uma doença", refere ao DN o cientista. "Isto é para ser usado em terapias, em estratégias de medicina regenerativa, mas ao mesmo tempo também estamos a trabalhar com as mesmas ferramentas de engenharia de tecidos para criar modelos de doença, para testar fármacos e terapias", acrescenta.

CitaçãocitacaoA ideia é construir tecidos em laboratório que sejam funcionais e que possam ser implantados em pacientes que não tenham esses tecidos por qualquer motivo - um trauma, um acidente, uma doença.

A engenharia de tecidos é uma das áreas em mais rápida expansão dentro da ciência, geradora de inovação e empreendimento, e por isso também considerada como uma das vertentes com maior potencial de crescimento futuro. Entre as gerações adultas muitas pessoas recordarão ainda o impacto que teve o implante de uma orelha humana nas costas de um ratinho, uma das primeiras experiências que despertou o grande público para este campo, levada a cabo pelos irmãos Joseph e Charles Vacanti na última década do século passado. A orelha foi produzida a partir de células cartilaginosas, obtidas de vaca, crescidas sobre uma matriz artificial no formato de orelha, implantada sobre a pele do ratinho para maturação. Na altura, a experiência provocou enormes ondas de choque, mas abriu o horizonte a uma nova esperança a alimentar a medicina regenerativa: a possibilidade de regenerar tecidos e órgãos humanos.

De então para cá muito evoluiu já. "Sim, houve muita evolução, tanto da parte dos materiais como das tecnologias. Aqueles scaffolds, matrizes tridimensionais, eram muito rudimentares. Agora fazem-se coisas com uma precisão incrível, multimaterial, com heterogeneidade espacial... Essas células eram bovinas, e agora já se tem um controlo muito maior em termos de seleção de células e do que vai acontecer às mesmas, refere João Mano. Nessa altura falava-se em criar tecidos, depois em órgãos, hoje, ao nível de modelos de doença, trabalha-se já no desenvolvimento de micro-órgãos interconectados que simulam o próprio organismo.

No caso do novo projeto de João Mano, o objetivo é criar construções multiescala baseadas em materiais de origem humana empacotados em miniplacentas artificiais que vão ser injetadas para induzir a regeneração óssea. Na descrição oficial em inglês, Full human-based multi-scale constructs with jammed regenerative pockets for bone engineering.

"Este projeto Reborn vem na sequência do anterior, em que pretendíamos desenvolver pequenos tecidos ósseos ou tecidos humanizados. A ideia era desenvolver cápsulas, ou miniplacentas, como lhe chamamos, onde podemos incluir células e biomateriais para gerar um pequeno tecido e tentar perceber qual será o melhor ecossistema: quais as células que temos de pôr, quais os biomateriais e como tem de ser a comunicação com o exterior para essa miniplacenta artificial receber nutrientes, ou oxigénio, para que possa desenvolver o tecido que nós queremos, como osso ou cartilagem", descreve o investigador.

CitaçãocitacaoNeste caso usamos materiais recolhidos durante o parto, como a membrana amniótica e o cordão umbilical. Nós trabalhamos muito com materiais de origem natural e o mais natural é mesmo o de origem humana.

Agora, no âmbito do Reborn, que vai ser desenvolvido ao longo dos próximos cinco anos, "a ideia é usar essas miniplacentas como unidades para se conseguir ter um sistema macroscópico, do tamanho real de um osso, por exemplo, de um paciente que lhe foi removido um tumor ósseo e ficou com aquele defeito, que, por si só, não consegue regenerar. Ou seja, neste caso é aproveitar as miniplacentas para montar estruturas mais complexas. É por isso que falamos em sistemas multiescala. A escala vai depender muito da geometria e do tamanho do defeito do paciente".

Estas bolsas do Conselho Europeu de Investigação, as ERC Advanced Grant, premeiam não só líderes científicos considerados excecionais como valorizam, sobretudo, o caráter inovador e disruptivo dos projetos, incentivando uma investigação de elevado risco na Europa. No caso deste projeto de João Mano, uma das inovações prende-se com a "utilização de proteínas obtidas a partir de tecidos recolhidos durante o parto, e normalmente descartáveis, como a membrana amniótica e o cordão umbilical".

Para isso, o grupo liderado pelo investigador fez uma parceria com o Hospital de Aveiro. "Neste caso, vamos usar apenas materiais que derivam do nascimento de bebés humanos. Por isso a ideia do reborn, renascimento. Nós trabalhamos muito com materiais de origem natural e o mais natural é mesmo o de origem humana", explica. "Se nós queremos dar às células as melhores condições para produzirem o novo tecido, o ideal é dar as condições que elas já experimentam naturalmente, que é com as proteínas humanas. Para quê sintetizar coisas muito complicadas se elas já funcionam à partida?"

Desses tecidos perinatais será então possível "retirar células que desempenharão um papel fundamental na construção dos tecidos em laboratório". As células serão introduzidas dentro das tais pequenas "placentas" artificiais, que, ao fornecerem sinais bioquímicos e mecânicos adequados, fomentarão a formação de microtecidos de forma completamente autónoma.

Essencial neste domínio da bioengenharia de tecidos e da medicina regenerativa é a parceria entre dois elementos fundamentais: os biomateriais e as células. João Mano gosta de usar a história de Bonnie & Clyde, o mais famoso casal de criminosos, como analogia. Não pelas fatalidades provocadas, naturalmente, mas por se tratar da "história de uma parceria perfeita, com amor e confiança incondicionais". Tal como deve ser a parceria entre os biomateriais e as células utilizados na engenharia de tecidos.

No entanto, a peça base desta equação são as células, assume João Mano. "Obviamente, os materiais são uma componente muito importante, e é por isso que nós estamos no laboratório associado CICECO, que é a maior unidade de investigação dedicada a materiais. Mas o que é mesmo importante são as células." E, entre estas, as "estrelas principais" são, naturalmente, as células estaminais, aquelas que "têm a capacidade de se autorrenovarem e se diferenciarem em diferentes linhagens celulares". Ou seja, são capazes de formar tanto novas células estaminais como outros tipos de células que podem ser utilizadas na regeneração de tecidos e órgãos do corpo humano que se tenham danificado por doença ou envelhecimento. "As células estaminais são aquelas que para nós são mais interessantes, porque são as que têm uma grande capacidade de proliferação. Conseguimos também controlar muito bem o que vamos fazer com elas", sublinha o investigador.

CitaçãocitacaoOs materiais são parte importante, mas o que é mesmo importante são as células [...] Entrámos numa lógica de engenharia de tecidos minimalista. O que nos interessa mesmo é que as células façam o seu trabalho.

Além disso, há outras células preciosas neste trabalho regenerativo, "como as células endoteliais, que vão dar origem a vasos sanguíneos, células da linhagem do sangue, que também podem dar sinais às células estaminais para a criação de um tecido ósseo mais natural e de melhor qualidade em termos microestruturais e mecânicos. E isso é o que nós queremos, não é ter uma massa calcificada com funcionalidade diferente da do osso nativo. A parte da vascularização é importante, há que dar nutrientes àquilo tudo. As miniplacentas têm que ter capacidade para se integrarem com a vasculatura circundante quando forem implantadas".

As células são então introduzidas dentro das minibolsas artificiais que, ao fornecerem sinais bioquímicos e mecânicos adequados, fomentarão a formação de microtecidos de forma completamente autónoma. E que sinais são esses? "Nós podemos dar-lhe sinais, por exemplo, de superfície, e aí os materiais são muito importantes... Uma célula estaminal pode, só pelo contacto com uma superfície específica, desencadear os processos de ordem genética para ser redirecionada para uma célula óssea", explica João Mano. Tal como nós sentimos se um colchão é mais mole ou mais duro, ou mais liso ou mais áspero, as células reconhecem isso também no contacto com as superfícies e podem reagir no sentido da sua diferenciação (a função que assumem), "dependendo de sinais como a rugosidade, a topografia, a geometria da superfície, a curvatura, as irregularidades, a rigidez...".

Neste caso, o tipo de tecidos desenvolvidos exige células aderentes, que precisam de suporte, logo "precisamos sempre dos materiais, não há nada a fazer", refere o investigador. A tendência, contudo, é reduzir ao máximo a quantidade de material a colocar. "Nós agora entrámos numa lógica que se chama engenharia de tecidos minimalista. O que nos interessa mesmo é que as células façam o seu trabalho", reforça.

CitaçãocitacaoA biocompatibilidade é o aspeto mais importante no processo de escolha dos biomateriais a utilizar. Sem essa essa sã convivência entre os materiais, as células e os organismos não se consegue nada.

Ou seja, quanto menos materiais externos ou estranhos ao ambiente natural das células, "à partida melhor". Assim sendo, é importante que os materiais utilizados sejam biodegradáveis. "Os materiais são importantes, mas no início. Depois de as células já terem recriado e produzido o tecido, os materiais já não estão lá a fazer nada, queremos que desapareçam", diz João Mano, que privilegia os biomateriais de origem natural nos seus projetos, "embora não exclusivamente".

A utilização de materiais de origem humana, como acontece neste projeto Reborn, favorece um conceito-chave neste campo: a biocompatibilidade. Esse é "talvez o aspeto mais importante" no processo de escolha dos biomateriais a utilizar. Sem essa biocompatibilidade, essa sã convivência entre os materiais, as células e os organismos, "não se consegue nada, por muito boa resposta e resultados que tenhamos in vitro", resume.

No projeto liderado pelo cientista da Universidade de Aveiro trabalha-se com materiais que podem vir do sangue do próprio paciente. "Tiramos umas proteínas do sangue, que depois são modificadas quimicamente, e podemos fazer hidrogéis fotopolimerizáveis (com luz) a partir do sangue do próprio paciente." Numa estratégia prevista, as miniplacentas regenerativas vão ser injetadas no local a necessitar da regeneração óssea usando essas proteínas modificadas como agente aglutinador, com a vantagem de serem implantadas utilizando métodos minimamente invasivos, sem recurso a cirurgias, por exemplo.

Na descrição do projeto é explicado que a aglomeração dessas "bolsas regenerativas" de forma controlada no espaço permitirá "o desenvolvimento de tecidos tridimensionais à escala dos defeitos ósseos reais, com grande precisão geométrica". Para isso contribui outro dos avanços fundamentais nesta área da engenharia de tecidos: a democratização das impressoras 3D.

"Sim, é uma das áreas mais importantes agora. Principalmente a bioimpressão 3D, que permite imprimir já o tecido final, com as células, os materiais e a forma pretendidos", refere o investigador, explicando que, neste caso, "combinar várias bolsas com características diferentes, com maior ou menor densidade, ou com diferentes tipos de células, por exemplo, permite criar ambientes anatómicos mais heterogéneos". Ou seja, mais reais: "Se olharmos para um órgão, percebemos que ele é muito complexo na sua constituição."

CitaçãocitacaoA natureza, no seu processo evolutivo, aperfeiçoou o funcionamento de muitos processos biológicos. Então vamos procurar as tecnologias para podermos reproduzir alguns desses fenómenos.

Para além das aplicações in vivo na regeneração de tecidos, estes dispositivos criados pelo investigador do CICECO podem também servir como modelos de doenças destinados a testar novos fármacos e terapias, constituindo uma alternativa aos ensaios com modelos animais ou aos testes clínicos. O que já lhe valeu, de resto, duas outras bolsas atribuídas pelo Conselho Europeu de Investigação, neste caso as ERC Prova de Conceito, destinadas a premiar projetos paralelos que emanam dos projetos originais que mereceram as bolsas ERC Advanced Grant e que revelem uma maior capacidade de translação para a prática clínica ou comercial.

"Digamos que as bolsas ERC Advanced Grant são a alta costura: coisas muito conceptuais, de elevadíssima complexidade, que, se calhar, não têm logo uma aplicação prática, mas dão-nos ferramentas e um avanço no conhecimento que nos permitirão depois ir fazendo outras coisas mais aplicáveis. Depois temos um "pronto-a-vestir" que são as ERC Prova de Conceito. Esses projetos de modelos de doença são um exemplo de algo que poderá ser comercializado e utilizado de forma mais massificada e imediata", explica o cientista, a trabalhar então na validação comercial e na exploração de uma plataforma baseada em hidrogéis que combinam biomateriais de origem humana e células como modelos de doenças, particularmente o osteossarcoma - um tumor ósseo raro, mas com consequências devastadoras, que afeta principalmente crianças, adolescentes e idosos.

DestaquedestaqueEstes dispositivos criados pelo investigador do CICECO podem também servir como modelos de doenças destinados a testar novos fármacos e terapias

João Mano, que iniciou o seu percurso de investigação na área da engenharia de polímeros - "os mais conhecidos são os plásticos. No fundo, são moléculas muito grandes, e isso faz com que elas tenham propriedades especiais que nos permitem produzir objetos com múltiplas aplicações no nosso dia a dia" -, rendeu-se à engenharia e ciência de biomateriais aplicados à medicina regenerativa quando começou a colaborar com um grupo ligado aos biomateriais e precursor do Grupo 3B"s, na Universidade do Minho, onde trabalhou antes de se mudar para Aveiro, em 2016. "No início desenvolvia materiais à base de polímeros mais para serem usados em aplicações biomédicas mais comuns, como próteses. Depois evoluímos para utilizar esses materiais como suporte para células quando se deu o boom, no final dos anos 90, desta área da medicina regenerativa e engenharia de tecidos."

Esta é uma área que "junta várias áreas científicas e que pode ter grande impacto na qualidade de vida do paciente", diz. Além disso, "é uma área onde a criatividade é muito importante". E a inspiração pode estar em todo o lado. Como na capacidade de polinização das abelhas, por exemplo, em que o investigador se inspirou para criar "uma espécie de pensos artificiais para libertação controlada de fármacos, formulando, por microfabricação, pelos artificiais com flexibilidade semelhante à flexibilidade dos pelos das abelhas e que lhes permite transportar pólen de uma flor para outra muito distante, mesmo em condições climatéricas complicadíssimas. E o pólen é semelhante a estas partículas usadas em libertação controlada de medicamentos", diz.

Este biomimetismo, a capacidade para mimetizar fenómenos naturais, é uma procura constante no trabalho de João Mano. Outro exemplo? Nas folhas de lótus, superfícies naturais super-hidrofóbicas (altamente repelentes à água), encontrou a solução para fazer uma superfície sintética que repele líquidos, permitindo a produção de partículas esféricas de base polimérica que conseguem proteger, transportar e libertar substâncias introduzidas no seu interior, sejam medicamentos ou até células vivas.

CitaçãocitacaoPrecisávamos de um espessante para fazer bioimpressão e fomos encontrar inspiração em polissacarídeos de origem natural que são muito usados como espessantes na culinária

"A natureza, no seu processo evolutivo, aperfeiçoou o funcionamento de muitos processos biológicos. E há aspetos interessantes que nós vamos observando e que podemos utilizar. Sabemos porque é que aquele fenómeno existe na natureza, então vamos procurar as tecnologias para o podermos reproduzir noutras situações", explica o cientista, em frente a uma estante, no seu gabinete, onde podemos encontrar livros cujas temáticas vão desde fotografias de natureza até design japonês ou química na cozinha, que, garante, também já foi muito útil.

"Precisávamos de um espessante para fazer bioimpressão e fomos encontrar inspiração em polissacarídeos de origem natural que são muito usados como espessantes na culinária", conta o investigador, natural de Sintra, e que em criança viu um tio oferecer-lhe um kit de instalação de um microlaboratório em casa para explorar a criatividade. É o que continua a fazer hoje.

rui.frias@dn.pt

Este texto faz parte de uma série de reportagens sobre Ciência que o DN publica em agosto