Proteína pode ajudar a recuperar o movimento dos paraplégicos

Débora Motta

Regeneração do sistema nervoso: um neurônio cresce sobre um substrato de laminina polimerizada Uma proteína produzida naturalmente pelo corpo pode, no futuro, ser a chave para a recuperação dos movimentos das pessoas paraplégicas. Trata-se da laminina. Ela é a base de uma pesquisa de ponta coordenada pela professora Tatiana Coelho Sampaio, no Instituto de Ciências Biomédicas da Universidade Federal do Rio de Janeiro (ICB/UFRJ). À frente da equipe do Laboratório de Biologia da Matriz Extracelular, a bióloga vem testando os efeitos da aplicação da laminina em animais paraplégicos – e adianta que, se tudo der certo, a próxima etapa será a realização de testes com a proteína em humanos que perderam os movimentos. Quando injetada diretamente na medula lesionada, a substância mostrou-se capaz de restabelecer a comunicação perdida entre células do sistema nervoso, necessária para a movimentação dos braços e das pernas. “A recuperação dos movimentos ocorre porque os axônios, que são os condutores dos impulsos elétricos do cérebro ao resto do corpo, voltam a crescer e se reconectam. Na paralisia dos membros, essa conexão neuronal é interrompida”, explica Tatiana Sampaio, que foi Jovem Cientista do Nosso Estado da FAPERJ. “A proteína também reduz o processo inflamatório, comum após o trauma no sistema nervoso”, completa. O desenvolvimento desse modelo de tratamento, 100% nacional, começou há cinco anos. Inicialmente, os experimentos foram realizados com ratos. Eles tiveram a medula lesionada durante um procedimento cirúrgico. Depois, uma solução de laminina foi injetada especificamente no local da lesão. Os resultados, verificados a partir de análises microscópicas, comprovaram a regeneração medular. “A substância foi responsável por uma recuperação considerável da função motora perdida, devido ao crescimento dos neurônios adultos, mesmo nos casos em que a medula foi rompida totalmente”, destaca. Ação eficaz em roedores De acordo com a pesquisa, a luta contra o tempo é um fator fundamental para maximizar a eficácia do tratamento com laminina. “Observamos nos experimentos com ratos que quanto mais rápido a proteína for injetada, melhor os resultados. O ideal é aplicar a laminina na fase aguda da lesão, ou seja, pouco tempo depois que a lesão na medula ocorre. Nessa fase aguda, que em ratos vai até dois dias depois da ocorrência do trauma, a aplicação da laminina levou os animais tratados a recuperarem 75% dos movimentos de articulação das patas traseiras, enquanto os animais não tratados permaneceram com menos de 25% desses movimentos”, pondera a bióloga. “Já no caso de aplicações da proteína em ratos muitos dias depois da lesão, o que corresponderia, no caso de humanos, a meses depois do trauma, os resultados não seriam excelentes, mas existem dados que sugerem que eles possam ser bons.”

 Comparação entre as medulas de animais tratados (LM4) ou não (Bu4) com laminina polimerizada oito semanas após a lesão

Passada a etapa de experimentos com ratos, a pesquisadora coordena, há um ano, testes de toxicidade à laminina, realizados em cães de porte médio. “Não temos visto nenhum sinal de toxicidade até agora, nem em ratos nem em cães”, conta. Se essa etapa for aprovada, o próximo passo do estudo será a tão aguardada realização dos testes clínicos em humanos, que podem abrir as portas para o desenvolvimento de um produto para pessoas que perderam os movimentos. “A ideia é que os testes com laminina em humanos sejam realizados, no princípio, em pacientes ainda na fase aguda, isto é, que se tornaram paraplégicos há apenas dez dias”, planeja. O estudo, contemplado pela Fundação por meio do programa de Apoio à Pesquisa (APQ1), teve como desdobramento um artigo publicado no Faseb Journal, uma das mais conceituadas revistas científicas na área. 

Descoberta há cerca de 30 anos, a laminina é produzida pelo sistema nervoso, para auxiliar na formação e na regeneração do mesmo. Ela pode ser obtida da placenta humana após o parto – como é o caso da laminina utilizada na pesquisa, que é importada de uma empresa americana. O diferencial para o desenvolvimento do estudo foi a criação, em 2000, no próprio Laboratório de Biologia da Matriz Extracelular, de uma técnica de repolimerização da laminina, já patenteada pela UFRJ. “Na forma comercial, a laminina vem em monômeros, isto é, com as suas moléculas individualizadas. Mas para o tratamento da paraplegia, é preciso que as moléculas estejam polimerizadas, porque é assim que elas funcionam na natureza”, explica a professora, lembrando que a repolimerização desenvolvida no laboratório é um processo fácil e barato. 

A proteína seria uma alternativa ao uso de células-tronco para tentar reverter a paraplegia. Para Tatiana Sampaio, o tratamento com a laminina seria uma opção mais barata, fácil e segura, apesar das células-tronco receberem, atualmente, mais investimentos para pesquisas. “Nossos estudos com a laminina em lesões medulares estão mais avançados do que outros estudos com as células-tronco. A proteína é uma opção mais simples, pois é produzida pelo organismo naturalmente para ajudar no processo de regeneração do sistema nervoso. O que estamos fazendo é apenas imitar a natureza”, afirma. “Já as células-tronco têm uma complexidade maior, o que faz com que seja mais difícil prever seu comportamento após a injeção”, destaca. Também participam da equipe envolvida no projeto o professor João Menezes, do ICB/UFRJ e a aluna de doutorado Karla Menezes.

Cientistas testam método alternativo para tratamento do diabetes

Decomposição da insulina

Cientistas da Clínica Mayo de Jacksonville (EUA) demonstraram a viabilidade de uma nova e promissora estratégia para o tratamento em seres humanos do diabetes tipo 2, que afeta mais de 200 milhões de pessoas em todo o mundo.

No diabetes tipo 2, o organismo pára de responder eficientemente à insulina, um hormônio que controla o nível de açúcar no sangue.

Para compensar a insensibilidade à insulina, muitos medicamentos para o diabetes fazem aumentar os níveis da substância - por exemplo, injetando mais insulina ou elevando a quantidade secretada pelo pâncreas.

O novo estudo, publicado no jornal científico PLoS ONE, mostrou que um método diferente também pode ser eficaz no tratamento do diabetes - a saber, é possível a decomposição da insulina, depois que ela é secretada pelo pâncreas.

"Os níveis de insulina no sangue refletem o balanço entre o volume que é secretado e a rapidez com que é decomposta", diz o principal pesquisador do estudo, Malcolm A. Leissring, Ph.D., do Departamento de Neurociência da Clínica Mayo. "Impedir a decomposição da insulina é, simplesmente, um método alternativo para atingir o mesmo objetivo de muitas terapias já existentes para diabetes", declarou.

Nocaute molecular

Os pesquisadores testaram a ideia através de estudos de camundongos, nos quais a enzima degradante da insulina (IDE - insulin-degrading enzyme) era "nocauteada" ou "deletada" geneticamente.

A IDE é uma "máquina" molecular que, normalmente, danifica o hormônio insulina, quebrando-a em pequenos fragmentos. Os níveis de insulina no sangue são controlados, em parte, por esse processo.

Em comparação com camundongos normais, os camundongos em que a IDE foi nocauteada tinham mais insulina, no geral, pesavam menos e eram mais eficientes no controle das taxas de açúcar no sangue. Eles eram, de fato, "super camundongos", com respeito à habilidade deles de reduzir o nível de açúcar no sangue após uma refeição, um processo que é interrompido pelo diabetes, explica Malcolm Leissring.

Essas descobertas sugerem que medicamentos que inibem a IDE podem ser úteis no tratamento do diabetes. A equipe de Malcolm Leissring está trabalhando ativamente para desenvolver tais medicamentos.

Modelo imperfeito

Como foi relatado em um estudo separado no PLoS ONE, no ano passado, Malcolm Leissring e seus colegas desenvolveram o primeiro inibidor potente e seletivo da IDE.

A equipe da Mayo desenvolveu agora inibidores da IDE mais próximos a um medicamento, que está preparando para testar em modelos animais para o tratamento do diabetes.

"A razão de estudarmos camundongos com a IDE nocauteada foi a de nos ajudar a entender se os inibidores dessa enzima seriam úteis para o tratamento do diabetes", diz o autor principal do estudo, Samer Abdul-Hay, Ph.D.

Mas os camundongos com a IDE nocauteada não constituem um modelo perfeito para a avaliação do desempenho de um medicamento, ele observa. "Eles são, na verdade, um modelo melhor de dose excessiva em um inibidor da IDE. Não iríamos querer um medicamento que inibisse a IDE 100 por cento em todos os tecidos, por toda a vida", afirma.

Coisas boas que se tornam ruins

O efeito de extinguir todas as IDE nos camundongos foi tão forte, de fato, que essa ação, com o tempo, saiu pela culatra, dizem os pesquisadores.

Apesar de serem "super camundongos", quando jovens, conforme os camundongos com a IDE nocauteada envelheceram, eles se tornaram resistentes, lentamente, a níveis elevados de insulina, ganharam peso e perderam o controle de seu açúcar no sangue. Por isso, os camundongos mais velhos desenvolveram o diabetes tipo 2 clássico.

"A descoberta de que camundongos mais velhos, com a IDE nocauteada, desenvolveram diabetes confundiu muita gente", diz Malcolm Leissring. "É um exemplo de que muito de uma coisa boa se torna ruim para você", explicou.

A expectativa é de que os medicamentos que inibem a IDE apenas parcialmente ou apenas transitoriamente não causem diabetes. "Deletar todas as IDE é matar demais", afirma.

Início do diabetes

Os pesquisadores dizem que o estudo da Mayo também trouxe implicações interessantes para o entendimento sobre a forma que o diabetes começa.

"Deletar a IDE produz níveis elevados de insulina - uma doença conhecida como hiperinsulinemia. O diabetes é visto, normalmente, como um causador de hiperinsulinemia, não o contrário", diz o pesquisador.

Mesmo assim, nos camundongos com a IDE nocauteada, a hiperinsulinemia crônica parece, realmente, ter causado o diabetes. À medida que envelheceram, os camundongos deram a impressão de se adaptar a níveis cronicamente altos de insulina, por exemplo, reduzindo a quantidade de receptores de insulina em seus tecidos. "Essas adaptações tornaram os camundongos menos sensíveis à insulina, o que é exatamente a causa do diabetes tipo 2", explica.

Se essas descobertas se aplicam a humanos não está claro, adverte Malcolm Leissring. Ele diz que essas novas descobertas "representam estágios ainda iniciais, mas estimulantes", de um novo curso da pesquisa do diabetes. Ele recebeu, recentemente, uma subvenção de cinco anos de desenvolvimento de carreira da Associação Americana de Diabetes, que vai ajudar a dar suporte a essa linha de pesquisa.

Bactérias do intestino influenciam química cerebral e comportamento

Do intestino ao cérebro

Cientistas da Universidade McMaster, no Canadá, afirmam ter encontrado provas conclusivas de que as bactérias que residem no intestino influenciam a química cerebral e o comportamento humano.

Os resultados são importantes porque vários tipos de doença gastrointestinais, incluindo a síndrome do intestino irritável, são frequentemente associados com a ansiedade ou com a depressão.

Além disso, tem havido especulações de que alguns transtornos psiquiátricos, como o autismo de início tardio, pode ser associado com um teor anormal de bactérias no intestino.

Importância das bactérias do intestino

O intestino de cada um de nós é o lar de cerca de 1.000 trilhões de bactérias, com as quais vivemos em harmonia.

Essas bactérias desempenham uma série de funções vitais para a nossa saúde: elas protegem contra infecções, capturam energia da nossa alimentação e fornecem alimento para as células do intestino.

Qualquer interrupção nessa simbiose pode resultar em condições potencialmente fatais, como a colite induzida por antibióticos pela infecção com a "superbactéria" Clostridium difficile.

Antibióticos

Os pesquisadores demonstraram que danos causados ao conteúdo bacteriano normal do intestino, por meio da aplicação de antibióticos, produzem alterações no comportamento.

Essa mudança foi acompanhada por um aumento do fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF:brain derived neurotrophic factor), que tem sido associado com a depressão e com a ansiedade.

Quando os antibióticos orais foram interrompidos, as bactérias no intestino voltaram ao normal.

"Isto foi acompanhado pela restauração do comportamento normal e pela normalização da química do cérebro", disse o Dr. Stephen Collins, coordenador da pesquisa.

Comportamento ativo e passivo

Para confirmar que as bactérias podem influenciar o comportamento, os pesquisadores criaram camundongos em isolamento - livres de quaisquer germes - e inseriram neles bactérias retiradas de animais com padrões anormais de comportamento.

Eles descobriram que, quando os animais livres de germes com uma herança genética associada com um comportamento passivo foram colonizados com bactérias de animais com um comportamento mais exploratório, eles se tornaram mais ativos e ousados.

Da mesma forma, os animais normalmente ativos tornaram-se mais passivos depois de terem recebido as bactérias dos camundongos cuja genética de fundo está associada com o comportamento passivo.

Influência das bactérias

Collins afirmou que essa pesquisa indica que, embora muitos fatores determinem o comportamento, a natureza e a estabilidade das bactérias no intestino parecem influenciar o comportamento, e qualquer perturbação, seja por antibióticos ou por infecção, pode produzir mudanças no comportamento.

Pesquisas anteriores haviam se concentrado sobre o papel que as bactérias desempenham no desenvolvimento do cérebro no início da vida. Neste trabalho, a atenção se voltou para o estudo de animais adultos.

Radionuclide Treatment Against Small Tumors and Metastases

ScienceDaily (June 16, 2011) — A cancer diagnosis is not necessarily a death sentence. There are now quite a number of possibilities to treat cancer. In addition to radiotherapy and chemotherapy, so-called radionuclide treatment has also become an important component in the fight against the mutated cells. It involves injecting radioactive elements, so-called nuclides, into the patient's circulatory system. Bonded to special molecules which preferentially attach themselves to cancer cells, the nuclides are pumped through the body by the heart until they finally find their target: a cancer cell. Having arrived there, they attach themselves to its cell walls, decay and thus release radiation into their surroundings. This attacks the cancer cells at close range and ideally destroys them.

Medicine could very soon have a new ally in the fight against cancer: Terbium-161

Like lutetium or neodymium, which is familiar from high-power magnets, terbium is one of the so-called rare earth metals. The elements of the rare earths are extremely similar in chemical terms. Moreover, the raw material contains impurities which would not be permissible for a clinical application. It was therefore essential to develop suitable separation methods in order to be able to isolate the desired terbium-161 in as pure a state as possible. Coauthor and TUM colleague Christoph Barkhausen played a crucial role in the development of the separation method. The similarity of the rare earth elements also has an advantage, however: The medical application worked out for Lutetium-177 can also be used for Terbium-161.

Lutetium-177 is a nuclide already used for clinical applications. As it decays, fast electrons, so-called beta particles, are generated. In human tissue they have a range of up to 100 micrometers, five times the diameter of a tumor cell. They can therefore also damage healthy tissue in the vicinity. Dr. Silvia Lehenberger, a radiochemist at the TUM, has now succeeded in producing the Terbium-161 nuclide pure enough and in quantities sufficient for therapeutic applications. The nuclide emits not only the beta particles, but also conversion and Auger electrons, which have a range of only 0.5 to 30 micrometers. Their ranges match the size of tumor cells, making them ideal for the treatment of small tumors and metastases. "Moreover, the nuclide has a higher energy content than comparable particles," explains Silvia Lehenberger. "This means smaller doses can be administered to the patient, which in turn means a reduction in the radiation exposure."

A cooperation between Silvia Lehenberger and researchers at the Paul Scherrer Institute in Villingen (Switzerland) has already been able to prove the effectiveness of the nuclide on cancer cells in the laboratory. This is only the first step on the road to the final medication, however. It must pass a great many tests before it can be administered to people in hospital.

The researchers produced the Terbium-161 nuclide from Gadolinium-160 by neutron irradiation at the Garching FRM II research neutron source. Terbium-161 is ideal for therapeutic purposes because it has a half-life of only 6.9 days. This has the advantage that, after it has been produced, it can be transported to the clinic where it is to be used without losing much of its activity; it also means that the radiation has already decayed to about one percent of its original value after 50 days.

The work was undertaken as part of a cooperation between Radiochemistry Munich (RCM) at the TUM and the Laboratory for Radiochemistry and Environmental Chemistry and the Center for Radiopharmaceutical Sciences at the Paul Scherrer Institute (Villingen/Switzerland). The Terbium-161 was mainly produced at the neutron source of the Technische Universitaet Muenchen in Garching and additionally at the Institut Laue-Langevin in Grenoble and in the neutron source of the Helmholtz Center Berlin. Lutetium-177 for comparative tests was provided by Isotope Technologies Garching GmbH, which has been providing this nuclide to hospitals for many years for therapeutic purposes.

Scientists Override Errant Form of Genetic Signaling for First Time: Changing Genetic 'Red Light' to Green Holds Promise for Treating Disease

ScienceDaily (June 16, 2011) — In a new study published June 15 in the journal Nature, scientists discovered an entirely new way to change the genetic code. The findings, though early, are significant because they may ultimately help researchers alter the course of devastating genetic disorders, such as cystic fibrosis, muscular dystrophy and many forms of cancer.

Scientists discovered an entirely new way to change the genetic code.

"The ability to manipulate the production of a protein from a particular gene is the new miracle of modern medicine," said Robert Bambara, Ph.D., chair of the Department of Biochemistry and Biophysics at the University of Rochester Medical Center. "This is a really powerful concept that can be used to try to suppress the tendency of individuals to get certain debilitating, and sometimes fatal genetic diseases that will forever change their lives."The genetic code is the set of instructions in a gene that tell a cell how to make a specific protein. Central to the body's protein production process is messenger RNA, or mRNA, which takes these instructions from DNA and directs the steps necessary to build a protein. For the first time, researchers artificially modified messenger RNA, and in doing so changed the original instructions for creating the protein. The end result: A different protein than originally called for.

Protein production is not a perfect process -- far from it. Frequent mutations or mistakes in DNA and messenger RNA can lead to flawed proteins that have the potential to cause serious harm. In the study, researchers focused on a common type of mutation that occurs when an mRNA molecule contains a pre-mature "stop" signal, known as a pre-mature stop codon. A premature stop codon orders a cell to stop reading the genetic instructions partway through the process, resulting in the creation of an incomplete, shortened protein.

Researchers were able to alter mRNA in a way that turned a stop signal into a "go" signal. As a result, the cell could read the genetic instructions all the way through and create a normal, full-length protein. The team produced these results both in vitro and in live yeast cells.

"This is a very exciting finding," said Yi-Tao Yu, Ph.D., lead study author and associate professor of Biochemistry and Biophysics at the Medical Center. "No one ever imagined that you could alter a stop codon the way we have and allow translation to continue uninterrupted like it was never there in the first place."

The findings are important because current estimates suggest that approximately one third of genetic diseases are caused by the presence of pre-mature stop codons that result in shortened proteins. The results could aid the development of treatment strategies designed to help the body override stop codons and produce adequate amounts of full-length proteins, whose absence causes diseases like cystic fibrosis and contributes to different types of cancer.

Yu, along with first author John Karijolich, Ph.D., used another type of RNA -- guide RNA -- to modify messenger RNA. Guide RNAs are short RNAs that bind to specific sequences in RNA and allow just one particular site to be modified. "Guide RNAs give us tremendous power to zero in on one spot in the genome and make very targeted changes," noted Bambara.

The team developed an artificial guide RNA and programmed it to target and change a specific stop codon in an mRNA.

"The fact that this strategy worked -- that the guide RNA we created found its way to its target, the stop codon, and directed the desired structure change -- is pretty remarkable. Guide RNAs weren't thought to have access to messenger RNA, so no one believed they could target messenger RNA for modification," said Karijolich, who conducted the research as a graduate student at Rochester, but is now a postdoctoral fellow in the Department of Biochemistry at the Robert Wood Johnson Medical School. "Our results bring up the question of whether a similar process may be happening naturally."

"Previous research has presented other ways to modify the genetic code, but what is really unique about our method is that it is at the RNA level and it is site specific. We can express the artificial guide RNA in a cell and direct it to make a modification at a single site and only that site," said Yu.

Altering messenger RNA in this way may be another mechanism human cells use to create many different types of proteins. Given our complexity, humans have surprisingly few genes. While it is well established that the majority of human genes code for more than one protein, mRNA modification may be an unrealized way that humans are able to do this.

Yu plans to pursue this research further, studying whether and how targeted mRNA modification is happening naturally.

The study was funded by the National Institute of General Medical Sciences at the National Institutes of Health.

A Knockout Resource for Mouse Genetics: Mouse Gene Knockout Resource Will Empower Mammalian Gene Studies for a Generation

ScienceDaily (June 16, 2011) — An international consortium of researchers report June 15 in Naturethat they have knocked out almost 40 per cent of the genes in the mouse genome. The completed resource will power studies of gene activity in models of human disease.

Building a mouse genetics resource. The success of the mouse knockout programme is founded in improved cell and vector systems as well as automation, such as this embryonic stem cell colony robot

The results are founded on a novel, efficient production line that is able to target each specific gene in turn. The consortium has cracked all the challenges of generating mutations of each gene in mouse embryonic stem cells, and has already knocked out 9,000 genes in the mouse genome as part of an international effort to knockout all 21,000. This developing resource will be essential in our understanding of the role of genes in all mammals -- including humans.

The cells generated by this approach will allow researchers to ask and answer questions about the roles of genes at the scale of the whole mouse and human genome. The gold-standard method to uncover that role is to mutate a gene in mouse embryonic stem cells: the biochemical and developmental behaviour of the mutated cells can be studied in test tubes or in mice. Until this production system was developed, conducting gold-standard research on this scale was impossible.

The problem to be overcome was: how do you scale this approach to tackle the whole mouse genome?

"We have pioneered novel methods that enable us to deliver the most complex and accurate high-throughput functional genomics platform yet attempted," says Dr Bill Skarnes, Wellcome Trust Sanger Institute researcher and lead author of the study. "We believe that our work raises the standards of achievement and expectation for genome-scale programmes.

"It is an investment for the future: the genome-engineering technologies developed here for the mouse will drive future model systems, including work on human stem cells."

Genomics was transformed in the 1990s from individual-based research to large-scale commodity resources: an equivalent success was needed for mouse mutagenesis -- to provide resources efficiently and consistently and to release them freely. Previously attempted strategies to develop mouse models on a large scale suffered the twin disadvantages of not producing precise genetic changes and favouring only the genes that were active during the experiment, leaving the remainder unaltered.

The present work solves these problems. The team exploited a system called homologous recombination within mouse embryonic stem cells, which can deliver very precise alteration of any gene in the genome. It is founded on choosing the correct recombinant DNA molecules (vectors) to target genes efficiently.

However, some genes are essential to life of the cell or organism: disruption of these might cause the cell to die and so the mutation would be 'lost' from the project. Crucially, to ensure that all genes can be disrupted, the team developed DNA vectors that create a mutation only when required: gene targeted by the mutation can be identified, but the mutation activated only when it is to be studied.

But in the essential step to realize its ambitions of a comprehensive, freely available resource, the team designed and delivered a 'pipeline' that systematically designs and constructs the vectors, and efficiently introduces the engineered DNA molecules into the mouse embryonic stem cell line developed specifically for these projects.

Finally, by employing a modular approach to the vector design, a number of other valuable resources are created en route to the generation of targeted ES cells: the paper reports that the consortium had produced vectors for more than half of the genes in the mouse genome. All of these outputs are being made available to the mouse research community through the consortium's web portal at http://www.knockoutmouse.org/

"We are producing mutations in embryonic stem cells with greater efficiency and speed than we predicted and at well above the historical average," says Allan Bradley, senior author of the study and Director Emeritus of the Wellcome Trust Sanger Institute. "We have taken careful steps to ensure we deliver quality resources of maximum utility that will stand the test of time. Indeed, we expect our systems will be increasingly adopted by researchers using human and other cells to seek advances in the understanding of disease."

The methods the team have developed will also accelerate studies on human stem cells -- cells that have the potential to grow into many different types of adult tissue. Research into producing such induced pluripotent stem cells from adult tissues (forgoing the need for embryonic stem cells) is expected to be vital in understanding human disease and therapies. The systems developed for mouse stem cells are transferable to human cells and could drive research into mutation in the human genome and its biological and medical consequences.

"Biomedical research needs biological resources on a scale that match genomics resources," explains Colin Fletcher, Ph.D., Program Director of the Knock Out Mouse Program at the National Institutes of Health, a part of the international knockout effort. "Such knockout resources are the foundation for producing thousands of valuable mouse mutants for future large-scale international phenotyping programmes and will serve the biological and biomedical research community worldwide."