Terça-feira, 22 de abril de 2014.- Imagine que os médicos possam abrir congeladores e selecionar rins, fígados ou corações para usar em operações que salvam vidas. O seguinte explica por que isso é tão difícil de alcançar.
Caso você precise de um novo rim, um coração substituto ou outro órgão vital, você não tem muitas opções. Isso ocorre porque quando se trata de órgãos humanos saudáveis para transplantes que podem salvar vidas, existe um enorme abismo entre oferta e demanda.
Nos Estados Unidos, 26.517 órgãos foram transplantados em 2013, mas mais de 120.000 pacientes estão na lista de espera. Simplificando, não há doações suficientes para todos.
Pior ainda, às vezes os órgãos disponíveis são desperdiçados porque eles não têm muita vida útil depois de removidos do doador.
No momento, o melhor que podemos fazer é mantê-los em uma solução especial acima de 0 graus Celsius por um ou dois dias, o que não dá muito tempo para encontrar pacientes que são receptores totalmente compatíveis para recebê-los.
Mas existe uma resposta possível. Se os cientistas encontrassem uma maneira de congelar órgãos e trazê-los de volta sem causar danos, poderíamos mantê-los por semanas ou meses.
O mesmo poderia ser feito com os órgãos projetados em laboratório, se formos capazes de criá-los. Com isso em mente, a Click Organ Preservation Alliance, uma instituição de caridade vinculada aos laboratórios da Singularity University no NASA Research Park, na Califórnia, planeja criar um prêmio milionário para aqueles que incentivam o progresso nesse sentido.
Então, poderíamos vislumbrar um momento em que os cirurgiões de transplante abrem congeladores e selecionam rins, fígados ou corações para realizar operações que salvam vidas?
Os cientistas criopreservam ou congelam com sucesso pequenos grupos de células humanas há 40 anos.
Eles retêm ovos e embriões inundando as células com soluções dos chamados compostos crioprotetores, que impedem a formação de cristais de gelo que podem destruir as células e também os protegem contra contrações mortais.
Infelizmente, eles encontram grandes obstáculos ao tentar implementar esse processo em uma escala maior, pois a arquitetura dos órgãos e tecidos mais complexos é muito mais vulnerável a danos relacionados aos cristais de gelo.
No entanto, um pequeno grupo de pesquisadores não desistiu e está se preparando para o desafio, em parte, seguindo as pistas da natureza.
Por exemplo, peixes de gelo na Antártica sobrevivem em águas muito frias a -2 graus Celsius, graças às proteínas anticongelantes (AFP), que reduzem o ponto de congelamento dos fluidos corporais e se ligam a Cristais de gelo para impedir sua propagação.
Os pesquisadores usaram soluções contendo AFPs antárticos de peixes de gelo para conservar corações de ratos por um período de até 24 horas, a alguns graus abaixo de zero.
No entanto, a uma temperatura mais baixa, ocorrem efeitos contraproducentes nas AFPs deste animal: forçam a formação de cristais de gelo a produzir pontos agudos que perfuram as membranas celulares.
Outro composto anticongelante recentemente descoberto em um besouro do Alasca que pode tolerar -60 ° C pode ser mais útil.
Mas os ingredientes anticongelantes sozinhos não farão o trabalho. Isso ocorre porque o congelamento também destrói as células, afetando o fluxo de fluidos dentro e fora delas.
O gelo se forma nos espaços entre as células, reduzindo o volume de líquido e aumentando a concentração de sais dissolvidos e outros íons. A água corre das células para fora para compensar, fazendo com que murcham e morram.
Nos óvulos e embriões, os compostos crioprotetores, como o glicerol, são muito úteis: eles não apenas deslocam a água para impedir a formação de gelo nas células, mas também ajudam a prevenir a contração e a morte das células.
O problema é que esses compostos não podem trabalhar com a mesma mágica nos órgãos. Por um lado, as células dos tecidos são muito mais suscetíveis à penetração no gelo.
E mesmo quando as células estão protegidas, os cristais de gelo que se formam nos espaços entre elas destroem as estruturas extracelulares que mantêm o órgão unido e facilitam sua função.
Uma maneira de superar os perigos da formação de gelo é impedir que isso aconteça. É por isso que alguns cientistas estão comprometidos com uma técnica chamada vitrificação, na qual os tecidos ficam tão frios que se tornam um copo sem gelo.
O método já é usado por algumas clínicas de fertilidade e produziu alguns dos resultados mais encorajadores até o momento em relação à preservação de tecidos complexos.
Em 2000, por exemplo, Mike Taylor e seus colegas da Cell and Tissue Systems em Charleston, Carolina do Sul, vitrificaram segmentos de 5 cm de comprimento da veia de um coelho, localizados entre células e órgãos em termos de complexidade e mostraram que mantêm a maior parte de sua função após o aquecimento.
Dois anos depois, Greg Fahy e seus colegas da 21st-Century Medicine, uma empresa de pesquisa em criopreservação da Califórnia, fizeram uma descoberta: eles vitrificaram o rim de um coelho, mantendo-o abaixo da temperatura de transição vítrea de - 122 graus Celsius por 10 minutos, antes de descongelar e transplantá-lo para um coelho que viveu por 48 dias antes de ser abatido para examiná-lo.
"Foi a primeira vez que um órgão vital com suporte subsequente à vida foi criopreservado e transplantado", diz Fahy. "Foi a prova de que era uma proposta realista".
Mas o rim não funcionou tão bem quanto uma versão saudável, principalmente porque uma parte específica, a medula, demorou mais tempo a absorver a solução crioprotetora, o que significava que um pouco de gelo se formava durante o degelo.
"Embora estivéssemos de bom humor, também sabíamos que tínhamos que melhorar", acrescenta Fahy.
"É o mais próximo que chegamos", diz Taylor, acrescentando uma nota de advertência. "Isso foi há mais de 10 anos e, se a técnica fosse suficientemente robusta, deveria haver relatórios e estudos de acompanhamento atestando a descoberta, algo que não existia".
O progresso tem sido lento, em parte, diz Fahy, porque parou de produzir um produto químico que era parte essencial de seu método. No entanto, seu grupo recuperou terreno e avançou: na reunião anual da Sociedade de Crioobiologia em 2013, Fahy apresentou um método que permite que o cordão carregue mais rapidamente com crioprotetores.
Apesar do otimismo de Fahy, é claro que, quando se trata de preservar grandes órgãos, a vitrificação apresenta alguns desafios formidáveis. Para começar, são necessárias altas concentrações de crioprotetores (pelo menos cinco vezes maiores do que no resfriamento lento convencional) que podem envenenar as células e os tecidos que eles devem proteger.
O problema é exacerbado com tecidos maiores porque é necessário mais tempo para carregar os compostos, o que significa tempos de resfriamento mais lentos e mais oportunidades para a exposição tóxica. Além disso, se o resfriamento for muito rápido ou atingir temperaturas muito baixas, podem aparecer rachaduras.
Este processo de aquecimento extremamente delicado apresenta mais obstáculos. Se a amostra vitrificada não aquecer de maneira rápida ou uniforme, a vidraria dá lugar à cristalização, um processo conhecido como desvitrificação e, novamente, rachaduras.
(Este) é um desafio que ainda não superamos ", diz John Bischof, criologista e engenheiro da Universidade de Minnesota." O fator limitante é a velocidade e a uniformidade com que podemos descongelá-lo. " O aquecimento é geralmente feito de fora para dentro.
No ano passado, Bischof e o estudante de graduação Michael Etheridge propuseram uma maneira de resolver o problema: adicionar nanopartículas magnéticas à solução de crioprotetor.
A idéia é que as partículas se dispersem pelo tecido e, uma vez excitadas pelos campos magnéticos, aqueçam tudo de maneira rápida e uniforme. Atualmente, a dupla está trabalhando com Taylor e seus colegas para testar o método nas artérias de coelhos.
Na maioria das vezes, os avanços no campo ocorreram por tentativa e erro: testar combinações de soluções e métodos de congelamento e descongelamento.
Mas os pesquisadores também começaram a tirar proveito das novas tecnologias para examinar mais de perto como o gelo se comporta nas células e tecidos.
Se os processos são entendidos em detalhes, pode-se esperar que métodos inovadores e mais eficazes possam ser projetados para controlá-los.
Nos últimos 12 meses, houve avanços significativos nessa área. Taylor, que trabalha com Yoed Rabin, engenheiro mecânico da Universidade Carnegie Mellon, em Pittsburgh, introduziu um novo dispositivo que permite a visualização de imagens térmicas coloridas de alta resolução em tecidos de grande volume.
Enquanto isso, Jens Karlsson, da Universidade Villanova, na Pensilvânia, capturou recentemente seqüências de vídeo microscópicas em câmera ultra-lenta a partir do momento em que o gelo entra em pequenos bolsos entre duas células firmemente ligadas e causa a cristalização dentro delas.
As perspectivas desses métodos podem trazer novas idéias sobre como manipular o processo de congelamento, diz Karlsson, que está tentando descobrir como criopreservar os tecidos através de um controle cuidadoso do processo de congelamento e descongelamento, e não através de de vitrificação.
Uma possibilidade é projetar geneticamente células que podem ser persuadidas a formar junções célula-célula capazes de resistir à criopreservação. A próxima tarefa seria encontrar uma maneira de direcionar a formação de gelo extracelular para que não afete a função de um órgão.
Karlsson também está disposto a usar simulações em computador do processo de congelamento para testar efetivamente milhões de protocolos possíveis.
"Precisamos desses tipos de ferramentas para acelerar o progresso", diz Karlsson, que compara a tarefa com "tentar alcançar a lua com uma fração dos fundos dedicados a esse esforço".
Mesmo com recursos limitados, a área mostrou que a criopreservação sem gelo é prática para pequenos tecidos, como um segmento de vasos sanguíneos. "A barreira que permanece e que é importante", diz Taylor, "é dimensioná-la para um órgão humano".
Para Karlsson, que suspeita que esses esforços "possam colidir com um muro" antes que a vitrificação atenda órgãos humanos, os métodos de congelamento (ou o que ele chama de métodos baseados em gelo) representam um caminho igual ou até mesmo um caminho Mais confiável para o sucesso.
Mas há uma última noção que deve ser levada a sério. "Nenhuma técnica de criopreservação oferece 100% de sobrevivência das células componentes", diz Taylor.
"Em muitas aplicações, isso pode ser tolerado, mas para um único órgão, isso pode significar um grau considerável de lesão a ser reparada após armazenamento ou transplante".
Por fim, isso significa que, por mais que as amostras sejam bem criopreservadas, é provável que sejam de qualidade inferior em comparação aos órgãos recém-adquiridos.
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Caso você precise de um novo rim, um coração substituto ou outro órgão vital, você não tem muitas opções. Isso ocorre porque quando se trata de órgãos humanos saudáveis para transplantes que podem salvar vidas, existe um enorme abismo entre oferta e demanda.
Nos Estados Unidos, 26.517 órgãos foram transplantados em 2013, mas mais de 120.000 pacientes estão na lista de espera. Simplificando, não há doações suficientes para todos.
Pior ainda, às vezes os órgãos disponíveis são desperdiçados porque eles não têm muita vida útil depois de removidos do doador.
No momento, o melhor que podemos fazer é mantê-los em uma solução especial acima de 0 graus Celsius por um ou dois dias, o que não dá muito tempo para encontrar pacientes que são receptores totalmente compatíveis para recebê-los.
Mas existe uma resposta possível. Se os cientistas encontrassem uma maneira de congelar órgãos e trazê-los de volta sem causar danos, poderíamos mantê-los por semanas ou meses.
O mesmo poderia ser feito com os órgãos projetados em laboratório, se formos capazes de criá-los. Com isso em mente, a Click Organ Preservation Alliance, uma instituição de caridade vinculada aos laboratórios da Singularity University no NASA Research Park, na Califórnia, planeja criar um prêmio milionário para aqueles que incentivam o progresso nesse sentido.
É possível criopreservar?
Então, poderíamos vislumbrar um momento em que os cirurgiões de transplante abrem congeladores e selecionam rins, fígados ou corações para realizar operações que salvam vidas?
Os cientistas criopreservam ou congelam com sucesso pequenos grupos de células humanas há 40 anos.
Eles retêm ovos e embriões inundando as células com soluções dos chamados compostos crioprotetores, que impedem a formação de cristais de gelo que podem destruir as células e também os protegem contra contrações mortais.
Infelizmente, eles encontram grandes obstáculos ao tentar implementar esse processo em uma escala maior, pois a arquitetura dos órgãos e tecidos mais complexos é muito mais vulnerável a danos relacionados aos cristais de gelo.
No entanto, um pequeno grupo de pesquisadores não desistiu e está se preparando para o desafio, em parte, seguindo as pistas da natureza.
Por exemplo, peixes de gelo na Antártica sobrevivem em águas muito frias a -2 graus Celsius, graças às proteínas anticongelantes (AFP), que reduzem o ponto de congelamento dos fluidos corporais e se ligam a Cristais de gelo para impedir sua propagação.
Os pesquisadores usaram soluções contendo AFPs antárticos de peixes de gelo para conservar corações de ratos por um período de até 24 horas, a alguns graus abaixo de zero.
No entanto, a uma temperatura mais baixa, ocorrem efeitos contraproducentes nas AFPs deste animal: forçam a formação de cristais de gelo a produzir pontos agudos que perfuram as membranas celulares.
Outro composto anticongelante recentemente descoberto em um besouro do Alasca que pode tolerar -60 ° C pode ser mais útil.
Mas os ingredientes anticongelantes sozinhos não farão o trabalho. Isso ocorre porque o congelamento também destrói as células, afetando o fluxo de fluidos dentro e fora delas.
O gelo se forma nos espaços entre as células, reduzindo o volume de líquido e aumentando a concentração de sais dissolvidos e outros íons. A água corre das células para fora para compensar, fazendo com que murcham e morram.
Nos óvulos e embriões, os compostos crioprotetores, como o glicerol, são muito úteis: eles não apenas deslocam a água para impedir a formação de gelo nas células, mas também ajudam a prevenir a contração e a morte das células.
O problema é que esses compostos não podem trabalhar com a mesma mágica nos órgãos. Por um lado, as células dos tecidos são muito mais suscetíveis à penetração no gelo.
E mesmo quando as células estão protegidas, os cristais de gelo que se formam nos espaços entre elas destroem as estruturas extracelulares que mantêm o órgão unido e facilitam sua função.
Vitrificação
Uma maneira de superar os perigos da formação de gelo é impedir que isso aconteça. É por isso que alguns cientistas estão comprometidos com uma técnica chamada vitrificação, na qual os tecidos ficam tão frios que se tornam um copo sem gelo.
O método já é usado por algumas clínicas de fertilidade e produziu alguns dos resultados mais encorajadores até o momento em relação à preservação de tecidos complexos.
Em 2000, por exemplo, Mike Taylor e seus colegas da Cell and Tissue Systems em Charleston, Carolina do Sul, vitrificaram segmentos de 5 cm de comprimento da veia de um coelho, localizados entre células e órgãos em termos de complexidade e mostraram que mantêm a maior parte de sua função após o aquecimento.
Dois anos depois, Greg Fahy e seus colegas da 21st-Century Medicine, uma empresa de pesquisa em criopreservação da Califórnia, fizeram uma descoberta: eles vitrificaram o rim de um coelho, mantendo-o abaixo da temperatura de transição vítrea de - 122 graus Celsius por 10 minutos, antes de descongelar e transplantá-lo para um coelho que viveu por 48 dias antes de ser abatido para examiná-lo.
"Foi a primeira vez que um órgão vital com suporte subsequente à vida foi criopreservado e transplantado", diz Fahy. "Foi a prova de que era uma proposta realista".
Mas o rim não funcionou tão bem quanto uma versão saudável, principalmente porque uma parte específica, a medula, demorou mais tempo a absorver a solução crioprotetora, o que significava que um pouco de gelo se formava durante o degelo.
"Embora estivéssemos de bom humor, também sabíamos que tínhamos que melhorar", acrescenta Fahy.
"É o mais próximo que chegamos", diz Taylor, acrescentando uma nota de advertência. "Isso foi há mais de 10 anos e, se a técnica fosse suficientemente robusta, deveria haver relatórios e estudos de acompanhamento atestando a descoberta, algo que não existia".
O progresso tem sido lento, em parte, diz Fahy, porque parou de produzir um produto químico que era parte essencial de seu método. No entanto, seu grupo recuperou terreno e avançou: na reunião anual da Sociedade de Crioobiologia em 2013, Fahy apresentou um método que permite que o cordão carregue mais rapidamente com crioprotetores.
Apesar do otimismo de Fahy, é claro que, quando se trata de preservar grandes órgãos, a vitrificação apresenta alguns desafios formidáveis. Para começar, são necessárias altas concentrações de crioprotetores (pelo menos cinco vezes maiores do que no resfriamento lento convencional) que podem envenenar as células e os tecidos que eles devem proteger.
O problema é exacerbado com tecidos maiores porque é necessário mais tempo para carregar os compostos, o que significa tempos de resfriamento mais lentos e mais oportunidades para a exposição tóxica. Além disso, se o resfriamento for muito rápido ou atingir temperaturas muito baixas, podem aparecer rachaduras.
Este processo de aquecimento extremamente delicado apresenta mais obstáculos. Se a amostra vitrificada não aquecer de maneira rápida ou uniforme, a vidraria dá lugar à cristalização, um processo conhecido como desvitrificação e, novamente, rachaduras.
(Este) é um desafio que ainda não superamos ", diz John Bischof, criologista e engenheiro da Universidade de Minnesota." O fator limitante é a velocidade e a uniformidade com que podemos descongelá-lo. " O aquecimento é geralmente feito de fora para dentro.
No ano passado, Bischof e o estudante de graduação Michael Etheridge propuseram uma maneira de resolver o problema: adicionar nanopartículas magnéticas à solução de crioprotetor.
A idéia é que as partículas se dispersem pelo tecido e, uma vez excitadas pelos campos magnéticos, aqueçam tudo de maneira rápida e uniforme. Atualmente, a dupla está trabalhando com Taylor e seus colegas para testar o método nas artérias de coelhos.
Gelo em ação
Na maioria das vezes, os avanços no campo ocorreram por tentativa e erro: testar combinações de soluções e métodos de congelamento e descongelamento.
Mas os pesquisadores também começaram a tirar proveito das novas tecnologias para examinar mais de perto como o gelo se comporta nas células e tecidos.
Se os processos são entendidos em detalhes, pode-se esperar que métodos inovadores e mais eficazes possam ser projetados para controlá-los.
Nos últimos 12 meses, houve avanços significativos nessa área. Taylor, que trabalha com Yoed Rabin, engenheiro mecânico da Universidade Carnegie Mellon, em Pittsburgh, introduziu um novo dispositivo que permite a visualização de imagens térmicas coloridas de alta resolução em tecidos de grande volume.
Enquanto isso, Jens Karlsson, da Universidade Villanova, na Pensilvânia, capturou recentemente seqüências de vídeo microscópicas em câmera ultra-lenta a partir do momento em que o gelo entra em pequenos bolsos entre duas células firmemente ligadas e causa a cristalização dentro delas.
As perspectivas desses métodos podem trazer novas idéias sobre como manipular o processo de congelamento, diz Karlsson, que está tentando descobrir como criopreservar os tecidos através de um controle cuidadoso do processo de congelamento e descongelamento, e não através de de vitrificação.
Uma possibilidade é projetar geneticamente células que podem ser persuadidas a formar junções célula-célula capazes de resistir à criopreservação. A próxima tarefa seria encontrar uma maneira de direcionar a formação de gelo extracelular para que não afete a função de um órgão.
Karlsson também está disposto a usar simulações em computador do processo de congelamento para testar efetivamente milhões de protocolos possíveis.
"Precisamos desses tipos de ferramentas para acelerar o progresso", diz Karlsson, que compara a tarefa com "tentar alcançar a lua com uma fração dos fundos dedicados a esse esforço".
Mesmo com recursos limitados, a área mostrou que a criopreservação sem gelo é prática para pequenos tecidos, como um segmento de vasos sanguíneos. "A barreira que permanece e que é importante", diz Taylor, "é dimensioná-la para um órgão humano".
Para Karlsson, que suspeita que esses esforços "possam colidir com um muro" antes que a vitrificação atenda órgãos humanos, os métodos de congelamento (ou o que ele chama de métodos baseados em gelo) representam um caminho igual ou até mesmo um caminho Mais confiável para o sucesso.
Mas há uma última noção que deve ser levada a sério. "Nenhuma técnica de criopreservação oferece 100% de sobrevivência das células componentes", diz Taylor.
"Em muitas aplicações, isso pode ser tolerado, mas para um único órgão, isso pode significar um grau considerável de lesão a ser reparada após armazenamento ou transplante".
Por fim, isso significa que, por mais que as amostras sejam bem criopreservadas, é provável que sejam de qualidade inferior em comparação aos órgãos recém-adquiridos.
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