Biomedicina: Criar novos órgãos

4th Workshop on Biomedical Engineering

This year Organization Committee of the annual Workshop on Biomedical Engineering (WBME) invites you to the 4th Workshop on Biomedical Engineering, which will take place at the Faculty of Sciences of the University of Lisbon, in April 21st, 2012.

Official Site

C3 Building at University of Lisbon, Faculty of Sciences

Implantação da traqueia artificial

Em Junho de 2011, no Hospital Karolisnka, em Estocolmo (Suécia), foi efectuado a primeira implantação de traqueia artificial.

Num artigo publicado recentemente na revista «The Lancet», um grupo de investigadores no qual se inclui a portuguesa Ana Teixeira descreve a operação e a evolução pós-operatória do doente.

A intervenção cirúrgica foi efectuada num doente de 36 anos que sofria de um cancro da traqueia descoberto já num estado avançado. O prognóstico de sobrevivência dos pacientes com este tipo de cancro cinco anos após o diagnóstico é apenas de 5%.

A solução proposta foi a implantação de uma traqueia criada a partir das células estaminais do próprio doente, o que elimina a possibilidade de rejeição que é comum nas operações de transplante de órgãos e enxerto de tecidos dos outros organismos devido a incompatibilidade do complexo HLA e consequente resposta do sistema imunitário. O formato desta traqueia artificial foi baseado  nas imagens obtidas durante numa tomografia computadorizada da traqueia do paciente a partir das quais foi criado o modelo em 3D o que permitiu melhor adaptação anatómica do órgão. Composta por um polímero (um tipo de plástico), foi tratada com células retiradas da medula espinhal do paciente durante as 36 horas que precederam a cirurgia.

Durante as duas semanas após a operação, e com o propósito de continuar a colonização da traqueia artificial com células estaminais, o paciente recebeu um tratamento de hormonas eritropoietina (estimula a produção das células do sangue na medula óssea) e de G-CSF. Neste intervalo do tempo registou-se um aumento da expressão de genes que inibem a apoptose e um aumento de células estaminais em circulação sanguínea.

Seis meses após a operação, o paciente apresenta uma boa qualidade de vida, sem recorrência do tumor. A traqueia artificial rapidamente serviu de suporte ao crescimento de células e apresenta hoje um revestimento com células epiteliais (que servem de barreiras contra a entrada de agentes invasores).

A investigadora explica que nas duas semanas que se seguiram a cirurgia, registou-se um aumento de células estaminais na circulação sanguínea e um aumento da expressão de genes anti-apoptose nestas células.

Agora, a equipa está num estudo complementar, a analisar a interacção de células estaminais com a traqueia artificial in vitro. Paolo Macchiarini, cirurgião italiano, foi o responsável por esta operação e pensa agora utilizar a mesma técnica para tratar uma criança de nove meses da Coreia que nasceu com uma malformação da traqueia.

Esta tecnologia parece ter um futuro promissor, pois não requer dadores humanos, a traqueia artificial pode ser criada em poucas semanas, e não causa rejeição por causa de incompatibilidade entre o receptor e dador, diminuindo riscos de inflamação e necessidade de intervenções cirúrgicas posteriores.

Derivados de lagosta e algas mineralizadas para regenerar tecidos (George Winter: Prémio europeu para investigador português)

Rui Reis, investigador da Escola de Engenharia da Universidade do Minho, foi galardoado com a principal distinção da Europa na área dos Biomateriais – o George Winter Award, atribuído pela European Society for Biomaterials (ESB) e que se destina a reconhecer, encorajar e estimular contributos notáveis para a investigação na área dos biomateriais.

 Insistiu em salientar que "este prémio carreira" destaca, igualmente, "o contributo da restante equipa de investigação na área de regeneração de tecidos", com materiais naturais aplicados em células estaminais. Materiais naturais como amido de milho ou soja e quitina – um polímero equivalente ao colagénio que pode ser encontrado em derivados de camarões ou lagosta –, algas mineralizadas (verdes e em corais) são alguns dos biomateriais mais utilizados para a criação de osso e cartilagem, segundo explicou ao «Ciência Hoje» (CH).

Os materiais de origem marinha são combinados e utilizados "como suporte de células estaminais para a regeneração, em cultura de células, no domínio de defeitos ósseos ou tecidos".

 No entanto, os projectos deste cientista vão ‘de vento em popa’, já que conta já com mais de uma dezena de patentes registadas e “a investigação está cada vez mais próxima da aplicação clínica” – estando, entretanto, apenas a ser aplicada em pequenos e grandes animais. O trabalho de Rui Reis já saiu do laboratório e “está numa empresa que conta com capitais de risco e alguns investidores privados”.

 Os materiais, em termos empresariais, ainda “não são comercializados para pacientes humanos”, por falta de regulações nacionais e europeias, mas “estarão disponíveis a outros laboratórios que os possam usar”, avançou ainda ao CH.

 Com 44 anos, Rui Reis torna-se um dos galardoados mais jovens a receber esta distinção, já que “costuma ser atribuída a cientistas aposentados ou em vias disso”. O prémio será entregue, no próximo dia 7, durante a conferência anual de biomateriais da sociedade, em Dublin, na Irlanda, com a presença de mais de mil investigadores de todo o mundo.

2011-09-15

Por Marlene Moura (texto)

Fonte: http://www.cienciahoje.pt/index.php?oid=50943&op=all

Excesso de cobre induz o envelhecimento celular (Investigação desenvolvida na Faculdade de Medicina da Universidade do Porto)

Uma investigação desenvolvida por cientistas da Faculdade de Medicina da Universidade do Porto (FMUP), liderados por Liliana Matos, revela que o cobre está envolvido no processo de envelhecimento celular. Publicado na revista «Age», este trabalho é o primeiro passo para se perceber de uma forma mais aprofundada doenças como Alzheimer ou a Doença de Wilson, explicou a autora em conversa com o «Ciência Hoje». “Apesar de ser essencial para o funcionamento do organismo, o cobre pode ser prejudicial se for em excesso ou se existir alguma desregulação metabólica no organismo”, explica a investigadora, que desenvolveu este projecto de doutoramento com o objectivo de perceber em que medida os metais ferro e cobre estão envolvidos nos processos de envelhecimento celular. Para a realização deste estudo, a equipa, composta também por Henrique Almeida, professor auxiliar na FMUP, e Alexandra Gouveia, professora auxiliar na Faculdade de Ciências da Nutrição e Alimentação da Universidade do Porto, introduziu cobre numa cultura de células. “Verificamos que estas células começaram a apresentar características de senescência”, ou seja, de envelhecimento. Presente em alimentos como fígado, cacau, nozes, amendoins ou ostras, o cobre é importante para a distribuição de proteínas pelo corpo, para o bom funcionamento do cérebro, do sistema imunológico, dos vasos sanguíneos e para a formação de colagénio. O excesso de cobre pode acontecer, por exemplo, devido à contaminação excessiva de certos alimentos deste metal (por exemplo o marisco) ou por uma imprópria metabolização do metal. Liliana Matos afirma que este estudo é a primeira fase de uma investigação que se quer mais aprofundada: “O segundo passo será perceber de que forma o cobre induz a senescência. Queremos compreender, nomeadamente, quais as proteínas envolvidas neste processo”. A “longo prazo” esta investigação poderá trazer novos conhecimentos sobre doenças degenerativas e mesmo encontrar soluções terapêuticas. 

 Artigo: Copper ability to induce premature senescence in human fibroblasts

Fonte: http://www.cienciahoje.pt/index.php?oid=50816&op=all

UMinho: lentes ‘especiais’ eliminam temporariamente miopia (Estudo pode vir a ajudar milhões de pessoas com problemas de visão)

Estudo analisou a reacção da córnea e da correcção visual

Um tratamento ainda pouco conhecido pode vir a corrigir a miopia de milhões de pessoas.

 Trata-se de usar de noite umas lentes de contacto ‘especiais’ que mudam a curvatura da córnea e permitem adquirir uma visão satisfatória, tornando-as desnecessárias de dia.

As conclusões resultam do estudo «Efeitos das propriedades biomecânicas da córnea na resposta ortoqueratológica», de Sofia Nogueira, recém-licenciada em Optometria e Ciências da Visão na Universidade do Minho (UMinho), que analisou a reacção da córnea e da correcção visual de 14 pacientes que interromperam o tratamento, após o uso de lentes de contacto especiais durante nove meses.

“Os resultados demonstram que a maioria dos sujeitos consegue ter uma visão satisfatória durante dois dias sem utilizar as suas lentes”, afirma a investigadora.

 A investigação, orientada pelo professor da Escola de Ciências da UMinho, José González-Méijome, centra-se na ortoqueratologia, técnica clínica que utiliza lentes de contacto rígidas e permeáveis aos gases concebidas para remodelar a córnea a fim de reduzir ou eliminar temporariamente defeitos da visão como a miopia e o astigmatismo.

 As lentes ortoqueratológicas têm como objectivo moldar a camada mais superficial da córnea (epitélio). Destacam-se das lentes vulgares por serem de “geometria inversa”. Como explica Sofia Nogueira, “as lentes utilizadas no tratamento têm uma conformação contrária à da córnea para aplaná-la e, por conseguinte, corrigir a miopia”.

Lente de contacto de ortoqueratologia aplicada sobre o epitélio da córnea

 O trabalho demonstra a perda gradual do efeito ortoqueratológico, sendo que o tratamento torna-se normalmente menos eficiente em casos de miopia mais elevada. Em casos de miopia baixa (inferior a -1.5 dioptrias), a deterioração visual é mínima no final do primeiro dia, o que não justifica a utilização de lentes durante a noite. O mesmo já não acontece com os míopes com mais dioptrias: “Apesar de alguns pacientes ainda sentirem as repercussões dos efeitos, a maioria dos envolvidos tinham que dormir com lentes de contacto no segundo dia, tendo já perdido grande parte da compensação obtida com o tratamento”, explica a investigadora.

 José González-Méijome assegura, contudo, que pacientes com miopia até seis dioptrias “podem utilizar as lentes durante o sono e retirá-las de manhã usufruindo de uma boa visão durante todo o dia. É normal que o tratamento regrida naturalmente e que a córnea adopte novamente a sua forma original se o paciente deixar de utilizar as lentes de contacto durante a noite”, afirma.

 O tratamento é um processo gradual que não depende apenas da utilização adequada das lentes de contacto. O investigador já tinha constatado num estudo, desenvolvido em 2008, que as propriedades biomecânicas da córnea condicionam o grau de sucesso. Este projecto vem confirmar, neste caso, que a regressão da terapia está igualmente relacionada com factores intrínsecos do olho.

2011-09-02

Fonte: http://www.cienciahoje.pt/index.php?oid=50753&op=all

Sensor implantado para seguir desenvolvimento de tumores

Aplicação capta níveis de oxigénio próximos do tecido 

 Uma equipa de investigadores alemães, da Technical University Munich (TUM), liderada por Sven Becker, desenvolveu um sensor que pode ser implantado junto de tumores para monitorizar o seu crescimento. A aplicação capta níveis de oxigénio próximos do tecido para detectar se o tumor se desenvolve. Os resultados são posteriormente transmitidos por ‘wireless’ à equipa médica – reduzindo a necessidade de scanners e idas frequentes ao hospital para vigiar o crescimento do tecido. Por exemplo, se os níveis de oxigénio descerem demasiado, poderá indicar um crescimento mais agressivo e alertar o corpo clínico. Os especialistas esperam com isto conseguir tratamentos mais direccionados e menos agressivos. Os engenheiros médicos da TUM pretendem agora desenvolver um aparelho que inclua medicação para que esta possa aplicar directamente doses terapêuticas de quimioterapia na área afectada. Assim, os pacientes serão tratados mais rapidamente e de forma menos tóxica. O sensor ainda está em fase de desenvolvimento, mas os cientistas consideram que possa estar pronto dentro de dez anos para uso médico. 

 2011-09-01 

 Fonte: http://www.cienciahoje.pt/index.php?oid=50734&op=all

Microfluidics-based diagnostics of infectious diseases in the developing world

One of the great challenges in science and engineering today is to develop technologies to improve the health of people in the poorest regions of the world. Here we integrated new procedures for manufacturing, fluid handling and signal detection in microfluidics into a single, easy-to-use point-of-care (POC) assay that faithfully replicates all steps of ELISA, at a lower total material cost. We performed this 'mChip' assay in Rwanda on hundreds of locally collected human samples. The chip had excellent performance in the diagnosis of HIV using only 1 μl of unprocessed whole blood and an ability to simultaneously diagnose HIV and syphilis with sensitivities and specificities that rival those of reference benchtop assays. Unlike most current rapid tests, the mChip test does not require user interpretation of the signal. Overall, we demonstrate an integrated strategy for miniaturizing complex laboratory assays using microfluidics and nanoparticles to enable POC diagnostics and early detection of infectious diseases in remote settings.

Curtis D Chin, Tassaneewan Laksanasopin, Yuk Kee Cheung, David Steinmiller, Vincent Linder, Hesam Parsa, Jennifer Wang, Hannah Moore, Robert Rouse, Gisele Umviligihozo, Etienne Karita, Lambert Mwambarangwe, Sarah L Braunstein, Janneke van de Wijgert, Ruben Sahabo, Jessica E Justman, Wafaa El-Sadr & Samuel K Sia

Full article: http://www.nature.com/nm/journal/v17/n8/full/nm.2408.html

Spacing of Integrin Ligands Influences Signal Transduction in Endothelial Cells

The physical attributes of the extracellular matrix play a key role in endothelium function by modulating the morphology and phenotype of endothelial cells. Despite the recognized importance of matrix-cell interactions, it is currently not known how the arrangement of adhesive ligands affects the morphology, signal transduction processes, and migration of endothelial cells. We aimed to study how endothelial cells respond to the average spatial arrangement of integrin ligands. We designed functionalized silicon surfaces with average spacing ranging from nanometers to micrometers of the peptide arginine-glycine-aspartic acid (RGD). We found that endothelial cells adhered to and spread on surfaces independently of RGD-to-RGD spacing. In contrast, organization within focal adhesions (FAs) was extremely sensitive to ligand spacing, requiring a nanoscaled average RGD spacing of 44 nm to form lipid raft domains at FAs. The localized membrane organization strongly correlated with the signaling efficiencies of integrin activation and regulated vascular endothelial growth factor (VEGF)-induced signaling events. Importantly, this modulation in signal transduction directly affected the migratory ability of endothelial cells. We conclude that endothelial cells sense nanoscaled variations in the spacing of integrin ligands, which in turn influences signal transduction processes. Average RGD spacing similar to that found in fibronectin leads to lipid raft accumulation at FAs, enhances sensitivity to VEGF stimulation, and controls migration in endothelial cells.

Cells sense and respond to the physical attributes of their local environment, a concept embodied by the terms mechanosensing and mechanotransduction. Advances in surface chemistry and nanotechnology have provided unique insights into the ability of cells to adjust their shape and motility to minute changes in the chemical and physical features of their immediate surroundings (1). A remarkable discovery is that cells can sense nanometer-scale variations in the average spacing of randomly organized integrin ligands (2,3). Fibroblasts adhere, migrate, and proliferate on surfaces with average spacings of the tripeptide arginine-glycine-aspartic acid (RGD) of <70 nm, whereas they adhere poorly and migrate erratically when integrin ligands are spaced farther apart (2). Importantly, the 10–200 nm scale of average ligand spacing is physiologically relevant because the nanoscaled and periodic spacing is similar to that found in fibronectin and collagen fibers (4,5,6).

The concept of mechanotransduction appears to be particularly relevant for endothelial cells. Interactions between endothelial cells and the extracellular matrix (ECM) control many vascular processes (7), including permeability (8), sensitivity to growth factors (e.g., responsiveness to vascular endothelial growth factor (VEGF) stimulation (9)), and transformation into a proliferative and invasive phenotype that is characteristic of angiogenesis (10). However, although the importance of cell-matrix interactions for the functioning of the endothelium is recognized, little is known about how fundamental physical features of the matrix, such as the average spacing of integrin ligands, affects the behavior of endothelial cells.

Endothelial adhesion to the ECM is facilitated by integrins (11). Engaged integrins cluster together with cytoskeletal and signaling proteins to form focal adhesions (FAs) and complexes (11). These complexes control a range of cell activation responses, including cell polarization and migration, membrane trafficking, cell cycle progression, gene expression, and oncogenic transformation (7,12,13,14). Signaling at FAs also includes VEGF-induced intracellular calcium fluxes, activation of phosphatydylinositol-3 (PI3) kinase and mitogen-activated protein (MAP) kinases, and, further downstream, activation of endothelial nitric oxide synthase (eNOS) (15). Curiously, although integrins have no intrinsic enzymatic activity (14), in many cases they enable growth factor signals, that is, growth factor signaling does not occur unless integrins are occupied (9,10). Hence, VEGF and integrin form a functional partnership in endothelial cells; however, how integrin spacing and FA organization influence VEGF signaling is currently not known.

The exposure of endothelial cells to RGD peptides, which are found in fibronectin and recognized by the integrins αvβ3 and α5β1, sensitizes endothelial cells to angiogenic transformation (10,16). In this study, we sought to determine how endothelial cells respond to the average spacing of randomly distributed RGD ligands by assessing FAs, integrin activation, and VEGF-induced signaling and migration. To that end, we functionalized silicon surfaces with average RGD spacing from nano- to micrometers. We found that nanoscaled variations in integrin ligand spacing govern membrane order within FAs, which in turn determines signaling efficiency and cell migration. Taken together, our results suggest that the spatial arrangement of the local cellular environment may significantly contribute to the proangiogenic behavior of endothelial cells.

Guillaume Le Saux^†, ‡, Astrid Magenau^†, Krishanthi Gunaratnam^†, Kristopher A. Kilian^‡, ¶, Till Böcking^‡, §, J. Justin Gooding^‡, ,   and Katharina Gaus^†,

^{Full Article:} http://www.cell.com/biophysj/fulltext/S0006-3495(11)00833-2

Investigador português faz avanços em regeneração óssea Estudo desenvolvido no Japão

Vítor Espírito Santo está no Japão há um ano. O investigador Vítor Espírito Santo, da Universidade do Minho, está no Japão a desenvolver biomateriais para a regeneração de ossos e de cartilagens afectados. O actual trabalho tem grande impacto na sociedade, nomeadamente na população idosa, face ao desaparecimento progressivo destes tecidos. O processo é feito pela estimulação das células estaminais e os biomateriais usados desaparecem aos poucos, deixando o tecido regenerado. Esta área de investigação vai mais além e abrange órgãos complexos, como o cérebro ou o músculo cardíaco. Os avanços científicos vão permitir, por exemplo, a total regeneração de defeitos ósseos e de cartilagem incapazes de se auto-regenerar e, a longo prazo, deverão ser uma alternativa/complemento às próteses metálicas, que têm uma duração limitada e em certos casos são incompatíveis. O estudo centra-se no design de sistemas de libertação controlada de fármacos à escala nanométrica, com posterior desenvolvimento progressivo de biomateriais organizados na forma de sistemas hierárquicos e o principal objectivo é a simulação da estrutura e morfologia dos tecidos naturais, osso e cartilagem, sobre os quais se pretende actuar. Os materiais poliméricos usados têm essencialmente origem natural. Vítor Espírito Santo está a testar concentrados de plaquetas do sangue enquanto agente bioactivo para incluir nos biomateriais desenvolvidos, de modo a promover a estimulação da proliferação e diferenciação das células estaminais. “É uma fonte de proteínas muito rica e pode ser isolada facilmente a partir do próprio paciente, evitando o uso de agentes sintéticos ou recombinantes. Além das vantagens ao nível da compatibilidade e resposta imunológica, é também favorável numa perspectiva financeira”, referiu. Estudo prosseguirá em modelos animais. A parceria com a Universidade de Quioto na equipa do professor Yasuhiko Tabata, um dos maiores nomes mundiais na área, permitiu ao aluno da UMinho atingir uma nova etapa, especialmente no teste dos materiais em modelos animais, como os ratos. O estudo prosseguirá em modelos animais de maior porte até, eventualmente em caso de sucesso, se chegar a estudos clínicos com humanos. Para Vítor Espírito Santo, a mobilidade científica é imperativa para um investigador. “No Grupo 3B’s tenho tecnologia de ponta e condições excelentes para a prática científica. No Japão não tive tantas condições mas conheci novos raciocínios, novas técnicas experimentais e novas abordagens”, sublinhou. “Nesta colaboração ficam todos a ganhar e é mais um reconhecimento do Grupo 3B’s, que tem tradição em trabalhar com os melhores grupos de investigação mundiais e está na vanguarda em Engenharia de Tecidos e Medicina Regenerativa”, concluiu.

2011-08-08

 Fonte: http://www.cienciahoje.pt/index.php?oid=50414&op=all