Porque é que as células estaminais pluripotentes induzidas (iPSCs) estão a ganhar cada vez mais importância na investigação com células estaminais?

As células estaminais pluripotentes induzidas (iPSCs) têm vindo a ser cada vez mais estudadas pelos biólogos devido ao seu potencial terapêutico e medicinal. Podem ser geradas a partir de células somáticas terminalmente diferenciadas de um determinado doente, oferecendo assim a vantagem significativa de uma auto-renovação ilimitada, combinada com a capacidade de diferenciação em qualquer outro tipo de célula do próprio corpo. Embora seja possível obter iPSCs a partir de qualquer fonte, a maioria é, na realidade, derivada de fibroblastos humanos. Estas células desempenham um papel essencial na medicina regenerativa, uma vez que apresentam características das células estaminais embrionárias (ESC) sem as preocupações éticas associadas à utilização das ESC. Até ao momento, têm sido utilizadas para obter organóides de tecido ovariano, cardíaco, pancreático e de tecido normal, compatíveis do ponto de vista imunitário, para potencial transplante em doentes ou como plataformas para a triagem de fármacos. Os investigadores estão a começar a utilizar essas células e organóides para o desenvolvimento personalizado de medicamentos e a modelação de doenças.

Quais são os principais incentivos que levam os cientistas a trabalhar com células iPS na ciência atual?

Atualmente, o rápido avanço das tecnologias relacionadas com as células iPS tem suscitado um grande interesse tanto na investigação básica como na aplicada; no entanto, a sua aplicação na prática clínica é relativamente limitada, uma vez que a oferta de organóides derivados de células iPS é insuficiente para transplantes em doentes ou para o rastreio de fármacos. Melhorar a eficiência na geração de células iPS e o rendimento dos organóides derivados dessas células permitirá reduzir os prazos de desenvolvimento e proporcionar uma melhor interpretação da atividade dos fármacos, conduzindo a avanços que facilitem a sua integração nos processos de desenvolvimento terapêutico.

Como é que as células estaminais pluripotentes induzidas se formam e qual é a sua função?

Os investigadores podem induzir as células somáticas a regressarem a um estado pluripotente através da expressão de fatores associados à pluripotência, o que resulta em células estaminais pluripotentes induzidas (iPSCs). Estas imitam de perto o perfil transcriptómico e o estado epigenético das células estaminais embrionárias (ESCs), diferenciam-se em múltiplas linhagens, mantendo simultaneamente a capacidade de auto-renovação em estados indiferenciados. Estes temas e tecnologias orientam a reprogramação das células somáticas para um estado mais tolerante e plástico.

As células estaminais pluripotentes induzidas representam um avanço extraordinário na biologia das células estaminais, bem como na medicina regenerativa, com grande potencial para aplicação clínica. Existe um número substancial de artigos de investigação sobre as iPSCs que continuam a ser publicados na *Nature*, na *Science* e noutras revistas de renome em áreas relacionadas. O número de registos sobre as iPSCs no PubMed — incluindo artigos de investigação original, revisões e relatórios clínicos — cresceu rapidamente na sequência da primeira publicação do grupo de Yamanaka sobre a geração de iPSCs, em 2006.

Quais são os principais objetivos da atual investigação com células estaminais iPSC?

A investigação atual sobre as iPSC centra-se principalmente em quatro objetivos: novas abordagens às terapias regenerativas, geração de células estaminais específicas de cada doente para a medicina personalizada, modelação de doenças para uma melhor compreensão dos mecanismos e da sua progressão, e aceleração do desenvolvimento de medicamentos, particularmente contra doenças raras. Os estudos sobre as iPSC nestas quatro áreas estão agora a conduzir a descobertas e aplicações inovadoras. As abordagens regenerativas procuram determinar se alguma das muitas células derivadas de iPSC consegue reparar ou substituir funcionalmente tecidos danificados por lesões ou doenças, com vista à restauração da saúde. Isto é prosseguido principalmente através de duas estratégias complementares. Em primeiro lugar, as terapias baseadas em células envolvem o transplante das células necessárias — idealmente, estas seriam produtos armazenados em bancos, prontos a utilizar e disponíveis para qualquer doente. Em segundo lugar, a engenharia de tecidos é uma abordagem indireta que utiliza as iPSC para construir tecidos bioengenheirados que podem depois ser utilizados em implantes in vivo ou em estudos de ensaio. As iPSC podem permitir a utilização desses tecidos engenheirados como alvos de transplante para estimular o desenvolvimento embrionário com vista à regeneração de órgãos inteiros ou permitir a realização de ensaios de medicamentos in vivo.

Por que razão a cultura em clínicas e laboratórios reforça a importância das iPSCs na investigação com células estaminais?

Nas clínicas e nos laboratórios, a importância das iPSCs na investigação com células estaminais está a aumentar por três razões principais. Em primeiro lugar, a investigação sobre as iPSCs tem implicações diretas na medicina regenerativa através da terapia de substituição celular para a construção ou reparação de tecidos, com o objetivo de contrariar a degeneração resultante da perda gradual de função em populações celulares específicas. Estão a ser desenvolvidas novas estratégias para o tratamento de doenças dos olhos e dos ouvidos, do cérebro, do coração e do pâncreas, bem como de doenças musculoesqueléticas degenerativas. Em segundo lugar, as iPSCs permitem a medicina personalizada, uma vez que, em vez de tratamentos universais, é possível obter diretamente a partir das iPSCs células e tecidos específicos do doente para testes de medicamentos. Essas células e tecidos permitem testar compostos compatíveis com o doente, aumentando assim a probabilidade de sucesso nos ensaios clínicos. Em terceiro lugar, este sistema é considerado uma ferramenta extremamente valiosa para a modelação de doenças humanas — o estudo de condições que surgem no ser humano, que o afetam ou que se manifestam exclusivamente nele tem um âmbito muito limitado, uma vez que os modelos animais muitas vezes não são transferíveis. A modelação de doenças utilizando células de doentes relacionadas com a patologia pode melhorar significativamente a compreensão dos mecanismos, além de ajudar a descobrir novos compostos terapêuticos. Por conseguinte, embora o objetivo da terapia de substituição celular domine a investigação na medicina regenerativa, este não constitui todas as vias possíveis abertas à investigação com iPSCs; assim, este campo poderá ser reconhecido sem que tais abordagens se tornem a corrente dominante.

A tecnologia das iPSC não é algo que se possa considerar um sucesso total, mesmo que tenha o potencial de revolucionar o campo da medicina regenerativa e dos cuidados de saúde personalizados. As possibilidades de aplicação terapêutica são vastas, o entusiasmo é enorme e as expectativas das pessoas são, muitas vezes, irrealistas. Até ao momento, não tem sido possível transpor os resultados dos estudos em animais para os seres humanos, de forma a proporcionar uma ajuda concreta aos doentes. No entanto, a tecnologia iPSC tornou-se uma ferramenta muito útil para a indústria farmacêutica. Oferece uma base sólida para a descoberta de novos tratamentos para doenças relacionadas com o sistema nervoso central, problemas cardíacos, diabetes e outras doenças em que as proteínas se aglomeram ou se dobram de forma incorreta. Além disso, com as iPSCs surge um novo mercado que se centra na produção e venda de linhas celulares específicas para cada doença, com vista à descoberta de medicamentos. Este mercado constitui também uma excelente forma de testar a segurança dos compostos farmacêuticos.

De que forma as abordagens da medicina regenerativa com iPSC ajudam os doentes?

Células estaminais pluripotentes induzidas (iPSCs) são semelhantes às células estaminais embrionárias no que diz respeito às abordagens da medicina regenerativa. Os doentes que sofrem de traumatismos, doenças e degeneração podem beneficiar da criação de fenótipos celulares maduros para tecidos ou órgãos danificados. A rejeição imunitária deve ser minimizada ou eliminada; as iPSCs autólogas resolverão este problema, uma vez que provêm do próprio recetor. As iPSCs isogénicas também cumprem este requisito, pois não apresentam mutações reconhecidas no genoma do doente e podem produzir descendentes alogénicos a partir de dadores sem compatibilidade HLA.

As iPSCs podem gerar tipos de células a partir de qualquer uma das camadas germinativas do corpo humano, e estão a ser desenvolvidos muitos esforços para criar bancos de recursos de tipos de células derivadas de iPSCs para a medicina regenerativa, que sejam padronizados e produzidos em grandes quantidades. Um dos principais obstáculos pré-clínicos consiste em obter um tipo de célula madura eficiente e suficientemente segura para transplante; por isso, foram desenvolvidas estratégias para gerar células β em abundância a partir de iPSCs humanas. Em doentes com diabetes tipo 1, o transplante de uma massa adequada de células β restaura a normoglicemia, evitando complicações diabéticas; no entanto, a atual escassez torna esta opção terapêutica altamente exigente, uma vez que os dadores disponíveis apresentam riscos devido à incompatibilidade de HLA. Contudo, a geração de células β específicas para cada doente pode proporcionar uma solução personalizada para esta doença.

Que papel desempenha a medicina personalizada com iPSCs nos planos de tratamento?

Os estudos abordam normalmente o potencial futuro das iPSCs e as suas propriedades. Os doentes com doenças de origem genética ou hereditárias apresentam a alteração genética responsável pela alteração observada no tecido. Pode haver uma fase assintomática, mas o gene alterado acabará por se manifestar no doente. Os mecanismos celulares da doença nunca podem ser investigados no próprio tecido ou órgão do indivíduo. No entanto, as iPSCs podem ser obtidas a partir de tecido facilmente acessível (normalmente sangue) e reprogramadas para a pluripotência. Estas iPSCs podem então ser diferenciadas para o tipo celular específico que se encontra danificado no indivíduo. Posteriormente, a fisiopatologia da doença específica pode ser analisada in vitro. Este tipo de investigação tem vindo a ser realizado para várias doenças, tais como a distrofia muscular de Duchenne, a doença de Alzheimer, a doença de Huntington, a esclerose amiotrófica e outras. A modelação da doença de Alzheimer utilizando iPSCs permite mapear e explorar vias celulares e moleculares, incluindo a agregação de Aβ, a patologia da proteína Tau, a função mitocondrial, bem como a gliose reativa, que inclui a hiperatividade nos astrócitos e a ativação excessiva da microglia.

Por fim, uma análise da fisiopatologia celular proporciona uma compreensão profunda da doença e pode também servir de plataforma para a triagem de fármacos de alto rendimento para doentes individuais. Além disso, o tipo de célula utilizado, proveniente do próprio doente, está facilmente disponível; assim, a modelação da doença utilizando iPSCs constitui uma ferramenta poderosa na triagem personalizada de fármacos. As iPSCs autólogas podem ser geradas a partir de células somáticas de um doente e, subsequentemente, diferenciadas para uma linhagem específica, sendo depois transplantadas de volta para esse mesmo doente sem qualquer risco de rejeição imunitária; esta estratégia foi validada com sucesso em modelos animais. Em termos gerais, a tecnologia das iPSCs abre um caminho interessante para a obtenção direta de células estaminais pluripotentes específicas do doente, aplicadas na medicina regenerativa com personalização.

Quais são as aplicações da modelização de doenças com iPSC na medicina moderna?

É importante estudar os mecanismos das doenças para desenvolver terapias eficazes. Uma das estratégias que está a ser seguida envolve a modelização dos processos de doenças familiares e esporádicas com células estaminais pluripotentes induzidas, tanto ao nível celular como ao nível do organismo. Vários investigadores geraram linhas de iPSC a partir de controlos saudáveis, bem como de doentes com esclerose lateral amiotrófica, doença de Alzheimer, demência frontotemporal, hipertrofia cardíaca, doença de Parkinson e anemia falciforme. Formas significativamente esporádicas destas doenças foram modeladas por linhas celulares com mutações de knockout em genes relacionados com a resposta às proteínas desdobradas.

Outros estudos têm recorrido a iPSCs portadoras de múltiplas alterações genéticas relacionadas com doenças. Até à data, estas linhas de iPSCs têm sido utilizadas para definir fenótipos específicos de variantes, examinar o impacto das interações entre células neuronais e gliais na progressão da doença e avaliar a contribuição da reprogramação epigenética para o envelhecimento celular e as respostas sensíveis às células. Outras aplicações incluem a modelação de organismos completos no peixe-zebra. Os modelos de doença estão a beneficiar de dados transcriptómicos e proteómicos de doentes reais, enquanto as bibliotecas CRISPR-Cas9 específicas constituem ferramentas promissoras para a exploração de mecanismos patogénicos, nomeadamente no que diz respeito aos genes envolvidos na penetração dos fatores de risco, bem como aos que modificam a expressividade fenotípica.

De que forma o desenvolvimento de medicamentos com base em iPSC acelera o desenvolvimento de novas terapias?

Não é tarefa fácil transformar os conhecimentos cada vez mais aprofundados sobre as doenças — possibilitados pela utilização de modelos derivados de iPSC — em tratamentos concretos para essas mesmas doenças; no entanto, é possível — recorrendo a modelos derivados de iPSC — descobrir e otimizar novos compostos farmacológicos que atuem num processo específico da doença. Os membros do corpo docente estão agora a aplicar os seus conhecimentos especializados em neurónios humanos derivados de iPSC na descoberta de novos fármacos para a epilepsia resistente ao tratamento, através do desenvolvimento de uma plataforma de imagiologia de alto conteúdo para a triagem de fármacos em neurónios corticais humanos portadores de uma mutação num canal iônico associada à epilepsia. Isto abre uma nova frente na utilização de iPSC para a descoberta de fármacos.

Outro projeto em curso visa acelerar o desenvolvimento de medicamentos para a espinha bífida, uma malformação comum do tubo neural. Atualmente, o tratamento aceite para a espinha bífida é a intervenção cirúrgica no útero, mas esta é arriscada tanto para a mãe como para o bebé. A equipa de investigação desenvolveu uma nova combinação química capaz de induzir o fecho do tubo neural em embriões de ratinho e está a investigar se tal poderá conduzir a uma via mais segura de intervenção farmacológica durante a gravidez para as mães que esperam bebés com espinha bífida

Que desafios existem na transposição do trabalho com iPSC para a prática clínica?

Os esforços para desenvolver curas e tratamentos com células iPS têm suscitado grande interesse tanto no meio clínico como nos laboratórios de investigação. É possível estudar, modelar e tratar uma grande variedade de doenças e condições humanas com células iPS diferenciadas em células somáticas humanas. A medicina regenerativa, a modelação de doenças, o desenvolvimento de medicamentos, a toxicologia, as doenças genéticas e o cancro são algumas das áreas de interesse. No entanto, os investigadores têm de superar inúmeros desafios antes de estas aplicações se tornarem rotineiramente acessíveis aos doentes.

A medicina regenerativa com recurso a células iPS é muito promissora, mas enfrenta desafios igualmente significativos no caminho para a aplicação clínica. Algumas complicações são semelhantes às associadas às células estaminais embrionárias (ESC), especialmente as questões relacionadas com a doença do enxerto contra o hospedeiro e a formação de teratomas. Os riscos associados à terapia com iPSCs específicas do doente podem parecer triviais — por exemplo, o implante de células derivadas de iPSCs em ratos recetores imunodeficientes —, mas tornam-se muito mais críticos quando se considera a potencial aplicação na reparação neural num organismo totalmente imunocompetente, como um procedimento em várias etapas que envolve a propagação, expansão e maturação celular. Outras complicações decorrem do facto de se tratar de um campo em desenvolvimento. A utilização clínica das iPSC exige o controlo de um número enorme de variáveis e incógnitas: o método de reprogramação, o tipo de célula somática utilizada para iniciar a cultura, as condições e o tempo necessário para a cultura in vitro, o protocolo de diferenciação juntamente com os fatores de crescimento utilizados, o local onde as células serão implantadas no corpo do doente e até mesmo o tipo de pessoa que as irá receber.

Qual poderá ser o futuro da investigação com células estaminais com as iPSCs?

Novas ferramentas de investigação e avanços no domínio mais vasto das células estaminais podem impulsionar desenvolvimentos na ciência das células estaminais. Podem ocorrer desenvolvimentos catalíticos em subáreas relacionadas, até então inesperadas, tais como a deteção de biomarcadores para doenças neurológicas, e acabar por voltar a afetar o domínio das iPSC após terem sido inicialmente aplicados a outras células. A investigação adaptativa de novas descobertas pode até vir a afetar, a longo prazo, a utilização de cardiomiócitos derivados de iPSC em testes de segurança de medicamentos. O próprio campo está em constante mudança, o que torna difícil prever o que o futuro nos reserva. Esta comunidade tem vindo a perseguir um grande número de objetivos com as iPSC e os seus derivados diferenciados, com certas áreas prioritárias a assumirem cada vez mais destaque.

Num esforço para proporcionar benefícios imediatos aos doentes, as universidades estão a liderar um ensaio clínico de regeneração cardíaca com base em iPSC em seres humanos, apesar do sucesso misto obtido anteriormente em modelos animais. Numa tentativa de explorar novos caminhos que tirem partido das qualidades únicas das iPSC, os investigadores estão a tentar ativar essa resposta reparadora endógena que as iPSC provocam quando transplantadas, mas que ainda não foi reproduzida. Vários grupos estão a utilizar iPSC para o desenvolvimento de terapias com moléculas pequenas. A fenotipagem de alto rendimento revela os mecanismos das doenças; a ampliação da descoberta e triagem de fármacos, utilizando modelos de doenças baseados na pluripotência, conduz a uma avalanche de candidatos. Este trabalho está a revelar mais utilizações para as iPSC do que qualquer pessoa imaginava ser possível quando esta tecnologia foi desenvolvida pela primeira vez. Baseia-se nos avanços já alcançados, mas seguirá por caminhos que ninguém sequer começou ainda a imaginar.