O que é a engenharia de tecidos?

A engenharia de tecidos é uma ferramenta importante para perceber como determinadas doenças progridem e como podem ser tratadas. Algumas terapias baseadas em técnicas de engenharia de tecidos já foram aprovadas na Europa. Então, o que é a engenharia de tecidos?

O que é a engenharia de tecidos?

A engenharia de tecidos faz parte da área da bioengenharia. A bioengenharia é uma disciplina ampla que combina princípios da biologia com princípios da engenharia. É por vezes descrita como uma abordagem de engenharia ao estudo da biologia.

Na saúde, os bioengenheiros contribuem para áreas como a conceção de dispositivos (por exemplo, ter em conta todas as forças mecânicas a que um implante articular tem de resistir), fisioterapia (por exemplo, estudar de que forma carregar pesos afeta a cura de um osso partido) e administração de medicamentos (por exemplo, compreender qual a velocidade de degradação do revestimento de um comprimido e quão rápido começa a fazer efeito).

A engenharia de tecidos implica estudar as forças biológicas, físicas e químicas envolvidas no desenvolvimento dos tecidos, nas lesões e na cura de feridas. O objetivo da engenharia de tecidos é reparar, manter, melhorar ou substituir tecidos biológicos. Isto requer compreender o que é um tecido saudável e como fazer com que o tecido danificado volte ao estado normal com o tratamento. Para estudar estes aspetos, os engenheiros de tecidos têm de multiplicar células em laboratório que se comportam como células saudáveis do organismo (“tecido nativo”).

As amostras de tecido desenvolvidas fora do organismo através de técnicas de engenharia de tecidos são frequentemente chamadas de “estruturas (constructs) de engenharia de tecidos”.

Qual é a diferença entre a engenharia de tecidos e a medicina regenerativa?

Os termos “engenharia de tecidos” e “medicina regenerativa” são frequentemente utilizados de forma intercambiável.  Ambos centram-se na reparação, manutenção e restauro dos tecidos biológicos. A diferença-chave é que a engenharia de tecidos se centra no desenvolvimento de tecidos fora do organismo. A medicina regenerativa, especificamente, centra-se na forma como estas técnicas de engenharia de tecidos podem ser utilizadas em saúde para reparar os tecidos dentro do organismo.

Muitas das investigações na engenharia de tecidos têm como objetivo a longo prazo desenvolver uma estrutura que possa ser usada na prática clínica. A investigação em engenharia de tecidos é um primeiro passo necessário das terapias de medicina regenerativa.

Quais são os princípios da engenharia de tecidos?

Existem três elementos que definem a engenharia de tecidos:

• Células estaminais
• Um scaffold biocompatível tridimensional
• Moléculas bioativas

As células estaminais são células capazes de se alterarem (diferenciarem), podendo tornar-se em mais do que um tipo de célula. Os exemplos mais conhecidos são as células estaminais embrionárias, que se podem tornar em qualquer tipo de célula no organismo. As células estaminais em adultos podem diferenciar-se em vários tipos de células diferentes, dependendo da parte do organismo de que são provenientes. Por exemplo, células estaminais que derivam do tecido adiposo, que se encontram na gordura, podem diferenciar-se em células do osso, cartilagem ou gordura, entre outros. O caminho percorrido pela célula depende de muitos fatores, incluindo forças mecânicas (como movimento muscular no embrião em desenvolvimento) ou exposição a substâncias químicas (como moléculas sinalizadoras na corrente sanguínea).

Os scaffolds são estruturas tridimensionais que suportam o desenvolvimento das células estaminais no tipo de célula ou tecido desejado. Em laboratório, as células são frequentemente multiplicadas em superfícies planas ou suspensas num líquido. Um scaffold 3D corresponde melhor ao ambiente 3D do organismo.

É importante que o material utilizado num scaffold seja biocompatível – que não danifique o tecido com o qual entra em contacto. Isto significa que o material não pode ser tóxico, mas também que não se pode decompor ao longo do tempo em partes pequenas que possam irritar o tecido. Os materiais utilizados nos scaffolds de engenharia de tecidos incluem colagénio ou certas cadeias proteicas (proteoglicanos).

Os scaffolds de engenharia de tecidos também têm de ser porosos. As células estaminais apenas pode ser colocadas (implantadas) na parte exterior do scaffold, pelo que é importante que este seja suficientemente poroso para as células se moverem para o interior, em direção ao centro, conforme proliferarem. Se o scaffold tem células apenas no exterior, não tendo nenhuma no centro, não terá o comportamento de tecido normal.

As moléculas bioativas são substâncias que afetam o tecido vivo. Na engenharia de tecidos, o termo pode referir-se a moléculas sinalizadoras ou fatores de crescimento que podem influenciar a diferenciação de uma célula estaminal. Estas moléculas bioativas podem estar incluídas na mistura de nutrientes utilizada para fazer proliferar as células em laboratório. Isto também pode ser incorporado no scaffold 3D durante a fase de fabrico.

Os investigadores também estão a investigar como as moléculas bioativas podem ser utilizadas para aumentar a eficácia dos implantes concebidos através de engenharia de tecidos. Por exemplo, um scaffold poderia libertar um medicamento que reduz a inflamação ou que ajuda as células implantadas a serem incorporadas no local do implante.

Como pode a engenharia de tecidos ser utilizada na investigação e desenvolvimento de terapias génicas e celulares?

As técnicas de engenharia de tecidos são utilizadas para desenvolver “modelos” de tecido em laboratório. Estes “modelos” podem ser utilizados de muitas formas em investigação:

• Estudar o desenvolvimento dos tecidos normais. A engenharia de tecidos pode permitir aos investigadores ver como determinados tipos de tecidos se desenvolvem a partir das células estaminais. Controlando o ambiente, conseguem observar como determinadas alterações afetam o tecido em desenvolvimento. Isto permite-lhes responder a perguntas muito específicas. Ao realizar um estudo em animais ou humanos, existirão sempre fatores desconhecidos que não podem ser controlados. Num modelo desenvolvido através de engenharia de tecidos, os investigadores podem controlar alterações ao ambiente e medir os resultados com exatidão.
• Estudar as doenças a nível dos tecidos. Os cientistas podem adaptar o ambiente laboratorial para que este seja semelhante a uma doença específica. (Por exemplo, para compreender como a artrite afeta o desenvolvimento e a reparação da cartilagem, os cientistas podem adicionais moléculas anti-inflamatórias à mistura de nutrientes.) Outra forma de estudar uma doença ao nível dos tecidos é colher células de pessoas com a doença e comparar o desenvolvimento do tecido destes doentes com as células de pessoas saudáveis.
• Testar as terapias. As estruturas de engenharia de tecidos podem ser utilizadas para testar medicamentos, para confirmar se estes são seguros para um tipo de tecido específico ou para ver o efeito dos medicamentos num modelo de doença.

Utilizações terapêuticas atuais e potenciais

A engenharia de tecidos é utilizada nas terapias aprovadas seguintes:

• Spherox (CO.DON.AG, aprovado na UE em 2017), utilizado para tratar defeitos de cartilagem na articulação do joelho. Esta terapia envolve colher células do doente e depois isolar as células capazes de se tornarem em cartilagem. No laboratório, estas proliferam, formando conjuntos esféricos de células (esferoides). Estes esferoides são implantados nos defeitos de cartilagem, ligando-se aí à cartilagem. Juntamente com um plano de fisioterapia, estes implantes podem preencher o defeito ao longo do tempo, reduzindo a dor e aumentando a mobilidade.

Os investigadores também estão a estudar se os tecidos desenvolvidos através de engenharia de tecidos podem ser utilizados para enxertos de tecido ou implantes, incluindo:

• Pele, para tratar queimaduras graves
• Válvulas cardíacas, para doentes com doenças nas válvulas do coração
• Tecido do sistema nervoso, para reparar nervos com danos ou cortados
• Tecido dos vasos sanguíneos
• Tecido ósseo, para substituir osso perdido devido a lesão ou infeção
• Tecido intestinal, para tratar a síndrome do intestino curto

Esta lista não está, de forma alguma, completa. A investigação em engenharia de tecidos tem impacto no tratamento de doenças congénitas, tecido patológico e lesões.

Quais são os desafios na utilização de engenharia de tecidos para o desenvolvimento de terapias?

• Colher as células adequadas. Como os tecidos são compostos por vários tipos de células diferentes, os investigadores precisam de desenvolver métodos para colher e isolar o tipo certo de célula indiferenciada dos doentes ou dadores; caso contrário, não se vai desenvolver o tipo de tecido certo.

• Compreender que fatores afetam a diferenciação celular. O corpo humano é um ambiente muito mais complexo para as células do que um laboratório, em que todas as substâncias químicas, nutrientes e forças físicas podem ser controladas. Isto significa que um tecido desenvolvido em laboratório será exposto a um ambiente diferente quando for implantado no organismo. Os cientistas precisam de compreender o ambiente do organismo para evitar que o implante se diferencie no tipo de célula diferente do pretendido (por exemplo, osso em vez de cartilagem).

• Recriar as características nativas de um tecido. Ser capaz de desenvolver um tipo específico de tecido não é necessariamente suficiente: alguns tecidos comportam-se de forma diferente em regiões diferentes do organismo. Por exemplo, as propriedades mecânicas da cartilagem na superfície de uma articulação são diferentes das da cartilagem imediatamente ao lado de um osso. Isto significa que um implante para um defeito de cartilagem profundo teria a mesma amplitude da cartilagem nativa.

• Integração celular no local do implante. Para segurar completamente o implante no lugar, o tecido desenvolvido em laboratório e o tecido nativo precisam de se desenvolver “um no outro” e de ficar envoltos um no outro. Se um implante desenvolvido em laboratório não se integra no organismo, o local pode não curar devidamente.

• Avaliar os efeitos a longo prazo das células implantadas. Como com qualquer nova tecnologia, será necessário que os investigadores monitorizem as estruturas a longo prazo para garantir que são seguras e previsíveis.

Saiba mais

Tissue Engineering and Regenerative Medicine (National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, National Institutes of Health) (em inglês)