Pesquisadores do Instituto Weizmann desenvolveram um método que permite examinar, pela primeira vez, a composição celular das placas de crescimento em três dimensões. O método permitiu novos insights sobre o crescimento do osso saudável e as maneiras pelas quais esse crescimento pode ser interrompido no nanismo.
Há quase um século, os cientistas que estudavam o crescimento ósseo já haviam falado sobre a necessidade de se concentrar nas mudanças nas células da cartilagem em ambas as extremidades dos ossos longos. Essas células criam uma espécie de modelo que é posteriormente substituído por tecido ósseo mineralizado, e o desvio da norma nessas células pode pressagiar problemas futuros. “Se a cartilagem é anormal, você acaba com osso anormal – pode ser muito curto, muito longo ou deformado”, explica o prof. Elazar Zelzer, do Departamento de Genética Molecular, que liderou a equipe de pesquisa.
No entanto, nenhuma maneira eficaz de rastrear os processos que as células da cartilagem sofrem dentro da placa de crescimento estava disponível. Os métodos para examinar essas células forneceram imagens em duas dimensões, dando aos pesquisadores apenas uma imagem parcial do volume e da disposição espacial das células. Além disso, os métodos de alta resolução produziram imagens detalhadas, mas apenas de pequenas porções da placa de crescimento, perdendo assim a imagem completa.
A estudante de doutorado Sarah Rubin, do laboratório de Zelzer, liderou o novo estudo, no qual ela e os outros cientistas criaram um método de várias etapas, 3D MAPs, para explorar centenas de milhares de células de cartilagem em três dimensões. Primeiro, os cientistas tratam o tecido da placa de crescimento com produtos químicos que o tornam transparente para que possam obter imagens usando uma técnica chamada microscopia de folha de luz.
Eles então dividem as imagens em segmentos e aplicam uma série de algoritmos que caracterizam as células em cada seção transversal. Finalmente, eles mapeiam as células de volta para a imagem completa, obtendo um mapa 3D de alta resolução de toda a placa de crescimento que revela a forma e o tamanho de todas as células da cartilagem, bem como sua orientação e organização espacial.
O método mostra, em detalhes sem precedentes, o que acontece com as células dentro da placa de crescimento, e já derrubou uma suposição anterior sobre o crescimento ósseo. Sabia-se que as células da cartilagem que nascem nas duas pontas do osso mudam continuamente, de modo que as “mais antigas” – ou seja, as mais próximas do meio do osso – estão em fase final de transformação. Em estudos anteriores, essas células “mais antigas” pareciam quase dez vezes maiores do que as do estágio anterior. Mas quando os cientistas usaram MAPs 3D para observar as placas de crescimento de camundongos, eles descobriram que esse suposto salto de tamanho era na verdade uma ilusão resultante das distorções da imagem bidimensional. Em vez disso, o aumento no tamanho das células é relativamente gradual, com grande parte ocorrendo no estágio próximo ao final da transformação das células.
Com 3D MAPs, os cientistas também conseguiram resolver dois enigmas de longa data sobre uma forma de nanismo chamada síndrome de Grebe, que é causada por uma mutação no gene Gdf5. Este gene era conhecido por regular a formação das articulações, então não estava claro por que sua forma mutante faz com que as pessoas nasçam com membros severamente encurtados e deformados. Também não ficou claro porque a placa de crescimento que deu origem a esses ossos anormais em pessoas com a síndrome parecia ser completamente normal em estudos anteriores.
Quando os cientistas aplicaram MAPs 3D aos ossos de camundongos transgênicos jovens com a mutação Gdf5, o método revelou toda uma gama de anormalidades na placa de crescimento que não haviam sido detectadas por estudos anteriores. Essas anormalidades sugeriram que, além de seu papel na formação das articulações, o gene Gdf5 regula a transformação das células da cartilagem dentro da placa de crescimento. Quando esse gene sofreu mutação, as células da cartilagem não aumentaram de tamanho nos estágios certos, sua forma era anormal e não estavam orientadas adequadamente.
“Pense em bolas de gude bem compactadas – se você alterar sua forma, não poderá embalá-las em uma caixa da mesma maneira que antes”, diz Rubin. “Da mesma forma, as células de cartilagem alteradas não podem ser organizadas corretamente dentro da placa de crescimento, e isso impede que o osso se alongue normalmente”.
O novo método fornece um meio de explorar ainda mais os mecanismos celulares que operam dentro da placa de crescimento no osso saudável, bem como naquele afetado por várias anormalidades. Também pode ser usado para estudar influências externas no osso – por exemplo, como seu crescimento é afetado pela interação com os músculos.
Zelzer acrescenta: “A placa de crescimento pode ser vista como um motor que impulsiona o alongamento do osso. Agora levantamos o capô para ver de perto como esse motor funciona e o que acontece quando ele quebra”.
FOTO: Orientação 3D de células de cartilagem na placa de crescimento de uma tíbia de camundongo, vista com MAPs 3D. No osso saudável (esquerda), a maioria das células está alinhada aproximadamente na mesma direção (vermelho ou laranja); no osso de um mutante Gdf5 (direita), um desvio de 90 graus (azul) é mais comum
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