Pesquisadores da Escola de Medicina de San Diego da Universidade da Califórnia e seus colaboradores desenvolveram uma técnica que lhes permite acelerar ou desacelerar o crescimento de células cardíacas humanas em um prato - simplesmente iluminando-as com uma luz e variando sua intensidade. As células são cultivadas em um material chamado grafeno, que converte luz em eletricidade, fornecendo um ambiente mais realista do que pratos de laboratório de plástico ou vidro padrão.

O método, descrito na edição de 18 de maio de Avanços da Ciência , poderia ser usado para uma série de aplicações clínicas e de pesquisa, incluindo:testar drogas terapêuticas em sistemas mais biologicamente relevantes, desenvolver drogas de uso específico que são mais precisas e têm menos efeitos sistêmicos, e a criação de melhores dispositivos médicos, como marcapassos controlados por luz.

"Quando começamos isso funcionando em nosso laboratório, de repente, tínhamos algo como 20 pessoas reunidas ao redor, gritando coisas como 'Impossível!' e me acusando de pregar uma peça neles. Nunca tínhamos visto nada assim antes, "disse o primeiro autor Alex Savchenko, Ph.D., um cientista pesquisador do Departamento de Pediatria da Escola de Medicina da UC San Diego e do Consórcio Sanford para Medicina Regenerativa. Savchenko liderou o estudo com Elena Molokanova, Ph.D., CEO da Nanotools Bioscience.

Embora, de certa forma, seja simplesmente uma versão mais fina de grafite ("grafite"), as propriedades únicas do grafeno só foram verdadeiramente apreciadas há relativamente pouco tempo, um esforço reconhecido com o Prêmio Nobel de Física 2010, concedido a Andre Geim, Ph.D., e Kostantin Novoselov, Ph.D., ambos físicos da Universidade de Manchester, no Reino Unido. O grafeno é um semimetal feito de uma rede de átomos de carbono, o mesmo elemento que forma a base de todos os organismos vivos. Parte do que torna o grafeno especial é sua capacidade de converter luz em eletricidade com eficiência. Em contraste, vidro e plástico são isolantes - eles não conduzem eletricidade. A maioria das pesquisas biomédicas depende de células individuais ou culturas de células cultivadas em placas de Petri de plástico ou em placas de vidro.

"Ainda em seu corpo, você não vê muitas superfícies agindo como plástico ou vidro, "Savchenko disse." Em vez disso, nós somos condutores. Nossos corações são extremamente bons em conduzir eletricidade. No cérebro, é a condutividade elétrica que me permite pensar e falar ao mesmo tempo. "

Savchenko, Molokanova e outros pesquisadores notaram que as células em laboratório crescem melhor com grafeno do que outros materiais, e se comportam mais como as células do corpo. Savchenko e Molokanova creditam sua formação em física por ajudá-los a ver os sistemas biológicos de uma forma um pouco diferente da maioria.

Neste estudo, os pesquisadores geraram células do coração a partir de células da pele doadas, por meio de um tipo de célula intermediária chamada célula-tronco pluripotente induzida (iPSC). Em seguida, eles cultivaram essas células cardíacas derivadas de iPSC em uma superfície de grafeno.

Savchenko disse que a equipe demorou um pouco para definir a formulação ideal à base de grafeno. Em seguida, eles tiveram que encontrar a melhor fonte de luz e a maneira de fornecer essa luz ao sistema de células de grafeno. Mas eles finalmente encontraram uma maneira de controlar com precisão quanta eletricidade o grafeno gerava, variando a intensidade da luz à qual o expuseram.

"Ficamos surpresos com o grau de flexibilidade, que o grafeno permite que você acompanhe as células literalmente à vontade, "Savchenko disse." Você quer que eles batam duas vezes mais rápido? Sem problemas - você apenas aumenta a intensidade da luz. Três vezes mais rápido? Sem problemas - aumente a densidade da luz ou do grafeno. "

Savchenko e seus colegas descobriram que podiam da mesma forma controlar a atividade cardíaca em um organismo vivo (embriões de peixe-zebra) usando luz e grafeno disperso.

A equipe também ficou surpresa com a ausência de toxicidade, que muitas vezes apresenta aos pesquisadores um grande desafio. "Normalmente, se você introduzir um novo material em biologia, você esperaria ver um certo número de células mortas no processo, "Disse Savchenko." Mas não vimos nada disso. Isso nos deixa esperançosos de que poderemos evitar problemas prejudiciais mais tarde, enquanto testamos várias aplicações médicas. "

Os pesquisadores estão entusiasmados com as muitas aplicações possíveis para este novo sistema de grafeno / luz. Um uso potencial é na triagem de drogas. Atualmente, pesquisadores usam tecnologia robótica para testar centenas de milhares de compostos químicos, rastreá-los por suas habilidades de mudar o comportamento de uma célula. Aqueles compostos que têm o efeito desejado são posteriormente estudados quanto ao seu potencial como um novo fármaco terapêutico. Contudo, muitos compostos benéficos podem ser perdidos porque seus efeitos não são imediatamente aparentes na condição em que as células de teste são cultivadas - em plástico, fora do contexto da doença.

Por exemplo, os pesquisadores podem testar drogas em células do coração cultivadas em uma placa de laboratório de plástico padrão. Mas essas células estão se contraindo em seu próprio ritmo, não modelar as condições que podem existir logo antes de uma pessoa ter um ataque cardíaco. Os medicamentos que testam nessas células podem parecer não fazer nada se forem dependentes do uso - o que significa que os medicamentos só têm efeito sob certas condições.

Para testar este aplicativo, a equipe adicionou mexiletine, um medicamento usado para tratar batimentos cardíacos irregulares (arritmias), às células do coração. Mexiletina é conhecida por ser dependente do uso - ela só tem efeito quando há um aumento na frequência cardíaca, como ocorre durante uma arritmia. Os pesquisadores iluminaram suas células cardíacas com grafeno com luz de diferentes intensidades. Quanto mais rápido eles fazem as células do coração baterem, melhor a mexiletina os inibia.

Por enquanto, a equipe está focada em células e neurônios do coração. Mas eles estão interessados ​​em eventualmente aplicar seu sistema de grafeno / luz para pesquisar drogas que matam especificamente as células cancerosas, enquanto deixa as células saudáveis ​​sozinhas. Os pesquisadores também prevêem o uso de grafeno para encontrar alternativas de opióides - analgésicos dependentes do uso que só funcionam quando e onde uma pessoa está com dor, reduzindo assim os efeitos sistêmicos que podem levar ao uso indevido e ao vício. Finalmente, Savchenko acredita que os marcapassos controlados por luz feitos de grafeno podem ser mais seguros e eficazes do que os modelos atuais.

Há muito trabalho a fazer, mas Savchenko está otimista. "Você pode espremer meio ano de experimentos com animais em um dia de experimentos com este sistema baseado em grafeno, " ele disse.