Ataques cardíacos e insuficiência cardíaca congestiva permanecem entre os desafios de saúde mais proeminentes da Nação, apesar de muitos avanços na medicina cardiovascular. Na verdade, apesar das abordagens bem sucedidas para prevenir ou limitar as doenças cardiovasculares, a restauração da função do coração danificado continua a ser um desafio formidável. Pesquisas recentes estão fornecendo evidências iniciais de que células-tronco adultas e embrionárias podem ser capazes de substituir células musculares cardíacas danificadas e estabelecer novos vasos sanguíneos para supri-las. Aqui são discutidas algumas das recentes descobertas que apresentam estratégias de substituição das células estaminais e regeneração muscular para reparar o coração danificado.

Introdução

Para aqueles que sofrem de doenças cardíacas comuns, mas mortais, a biologia das células estaminais representa uma nova fronteira médica. Os pesquisadores estão trabalhando para usar células-tronco para substituir células cardíacas danificadas e literalmente restaurar a função cardíaca.

Hoje nos Estados Unidos, a insuficiência cardíaca congestiva – o bombeamento ineficaz do coração causado pela perda ou disfunção de células musculares cardíacas – afeta 4,8 milhões de pessoas, com 400.000 novos casos a cada ano. Um dos maiores contribuintes para o desenvolvimento desta condição é um ataque cardíaco, conhecido medicamente como infarto do miocárdio, que ocorre em quase 1,1 milhão de americanos a cada ano. É fácil reconhecer que as deficiências do coração e do sistema circulatório representam uma das principais causas de morte e incapacidade nos Estados Unidos .

O que leva a esses efeitos devastadores? A destruição de células musculares cardíacas, conhecidas como cardiomiócitos, pode ser o resultado de hipertensão, insuficiência crônica no suprimento de sangue para o músculo cardíaco causada por doença arterial coronariana, ou um infarto do miocárdio, o súbito fechamento de um vaso sanguíneo que fornece oxigênio para o coração. Apesar dos avanços em procedimentos cirúrgicos, dispositivos de assistência mecânica, terapia medicamentosa e transplante de órgãos, mais da metade dos pacientes com insuficiência cardíaca congestiva morre nos cinco anos seguintes ao diagnóstico inicial. Pesquisas têm demonstrado que terapias como medicamentos para coagulação podem restabelecer o fluxo sanguíneo para as regiões danificadas do coração e limitar a morte de cardiomiócitos. Pesquisadores estão agora explorando formas de salvar vidas adicionais usando células de reposição para células mortas ou deficientes, para que o músculo cardíaco enfraquecido possa recuperar seu poder de bombeamento.

Como as células-tronco podem desempenhar um papel no reparo do coração? Para responder a esta pergunta, os pesquisadores estão construindo sua base de conhecimentos sobre como as células-tronco são direcionadas para se tornarem células especializadas. Um tipo importante de célula que pode ser desenvolvido é o cardiomiócito, a célula muscular do coração que se contrai para ejetar o sangue para fora da principal câmara de bombeamento do coração (o ventrículo). Dois outros tipos celulares são importantes para o bom funcionamento do coração: a célula endotelial vascular, que forma o revestimento interno dos novos vasos sanguíneos, e a célula muscular lisa, que forma a parede dos vasos sanguíneos. O coração tem uma grande demanda de fluxo sanguíneo, e estas células especializadas são importantes para o desenvolvimento de uma nova rede de artérias para trazer nutrientes e oxigênio aos cardiomiócitos após um coração ter sido danificado. A capacidade potencial das células estaminais embrionárias e adultas para se desenvolverem nestes tipos de células no coração danificado está agora a ser explorada como parte de uma estratégia para restaurar a função cardíaca a pessoas que tiveram ataques cardíacos ou que tenham insuficiência cardíaca congestiva. É importante que o trabalho com células estaminais não seja confundido com relatos recentes de que os miócitos cardíacos humanos podem sofrer divisão celular após o enfarte do miocárdio. Este trabalho sugere que as células cardíacas lesadas podem passar de um estado quiescente para uma divisão celular ativa. Isto não é diferente da capacidade de uma série de outras células do corpo que começam a se dividir após a lesão. Ainda não há evidências de que existam células estaminais verdadeiras no coração que possam proliferar e diferenciar-se.

Os pesquisadores sabem agora que sob condições de crescimento altamente específicas em pratos de cultura laboratorial, as células estaminais podem ser coaxadas para se desenvolverem como novos cardiomiócitos e células endoteliais vasculares. Os cientistas estão interessados em explorar esta capacidade de fornecer tecido de substituição para o coração danificado. Esta abordagem tem imensas vantagens sobre o transplante cardíaco, particularmente à luz da escassez de corações doadores disponíveis para atender às necessidades atuais de transplante.

Qual é a evidência de que tal abordagem para restaurar a função cardíaca pode funcionar? No laboratório de pesquisa, os investigadores frequentemente usam um modelo de infarto do miocárdio de rato ou rato para estudar novas terapias (ver Figura 9.1. Modelo roedor de Infarto do Miocárdio). Para criar um infarto do miocárdio em um rato ou rato, uma ligadura é colocada ao redor de um grande vaso sanguíneo que serve o músculo cardíaco, privando assim os cardiomiócitos de seu suprimento de oxigênio e nutrientes. Durante o ano passado, pesquisadores que utilizaram tais modelos fizeram várias descobertas chave que despertaram interesse na aplicação de células-tronco adultas na reparação do músculo cardíaco em modelos animais de doença cardíaca.

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Figure 9.1. Modelo roedor de Infarto do Miocárdio.

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Recentemente, Orlic e colegas relataram uma aplicação experimental de células-tronco hematopoiéticas para a regeneração dos tecidos do coração. Neste estudo, um ataque cardíaco foi induzido em camundongos através da amarração de um grande vaso sanguíneo, a artéria coronária principal esquerda. Através da identificação de marcadores de superfície celular únicos, os investigadores isolaram então um grupo seleto de células da medula óssea primitivas adultas com alta capacidade de se desenvolverem em células de múltiplos tipos. Quando injetadas na parede danificada do ventrículo, essas células levaram à formação de novos cardiomiócitos, endotélio vascular e células musculares lisas, gerando assim novo miocárdio, incluindo artérias coronárias, arteríolas e capilares. O miocárdio recém formado ocupava 68% da porção danificada do ventrículo nove dias após o transplante das células da medula óssea, substituindo de fato o miocárdio morto por tecido vivo e funcional. Os pesquisadores descobriram que os ratos que receberam as células transplantadas sobreviveram em maior número que os ratos com infarto do miocárdio que não receberam as células-tronco do rato. Experiências de seguimento estão agora sendo realizadas para estender o tempo de análise pós-transplante para determinar os efeitos a longo prazo de tal terapia. A reparação parcial do músculo cardíaco danificado sugere que as células estaminais hematopoiéticas do rato transplantadas responderam a sinais no ambiente próximo do miocárdio lesionado. As células migraram para a região lesada do ventrículo, onde se multiplicaram e se tornaram células “especializadas” que pareciam ser cardiomiócitos.

Um segundo estudo, de Jackson et al. , demonstrou que o tecido cardíaco pode ser regenerado no modelo de infarto do miocárdio de camundongos através da introdução de células-tronco adultas da medula óssea de camundongos. Neste modelo, os investigadores purificaram uma “população lateral” de células estaminais hematopoiéticas a partir de uma estirpe geneticamente alterada de camundongos. Estas células foram então transplantadas para a medula de ratos letais irradiados aproximadamente 10 semanas antes dos ratos receptores serem submetidos a ataque cardíaco através da amarração de um vaso sanguíneo importante do coração, a artéria coronária descendente anterior esquerda (ADA). Com duas a quatro semanas após a lesão cardíaca induzida, a taxa de sobrevida foi de 26%. Como no estudo de Orlic et al., a análise da região em torno do tecido danificado em ratos sobreviventes mostrou a presença de cardiomiócitos e células endoteliais derivadas do doador. Assim, as células-tronco hematopoiéticas de camundongos transplantadas para a medula óssea responderam a sinais no coração lesionado, migraram para a região fronteiriça da área danificada e se diferenciaram em vários tipos de tecido necessário para a reparação cardíaca. Este estudo sugere que as células estaminais hematopoiéticas de camundongos podem ser entregues ao coração através de transplante de medula óssea, bem como através de injecção directa no tecido cardíaco, fornecendo assim outra possível estratégia terapêutica para regenerar o tecido cardíaco lesionado.

Mais evidências de potenciais terapias baseadas em células estaminais para doenças cardíacas são fornecidas por um estudo que mostrou que as células estaminais adultas humanas retiradas da medula óssea são capazes de dar origem a células endoteliais vasculares quando transplantadas para ratos . Tal como no estudo de Jackson, estes investigadores induziram um ataque cardíaco através da amarração da artéria coronária da ADA. Eles tomaram muito cuidado para identificar uma população de células-tronco hematopoiéticas humanas que dêem origem a novos vasos sanguíneos. Estas células estaminais demonstram plasticidade, o que significa que se tornam tipos de células que normalmente não seriam. As células foram utilizadas para formar novos vasos sanguíneos na área danificada do coração dos ratos e para encorajar a proliferação da vasculatura pré-existente após o ataque cardíaco experimental.

Como as células estaminais do rato, estas células estaminais hematopoiéticas humanas podem ser induzidas sob condições de cultura apropriadas para se diferenciarem em numerosos tipos de tecido, incluindo o músculo cardíaco (ver Figura 9.2. Reparação do músculo cardíaco com células estaminais adultas). Quando injetadas na corrente sanguínea levando ao coração do rato danificado, estas células preveniram a morte de células hipertrofiadas ou espessadas mas de outra forma viáveis do miocárdio e reduziram a formação progressiva de fibras de colágeno e cicatrizes. Ratos controle que foram submetidos à cirurgia com artéria coronária ADA intacta, bem como ratos com ADA injetada com células salinas ou controle, não demonstraram um aumento no número de vasos sanguíneos. Além disso, as células hematopoiéticas puderam ser identificadas com base em marcadores celulares altamente específicos que as diferenciam das células precursoras de cardiomiócitos, permitindo que as células fossem utilizadas isoladamente ou em conjunto com estratégias de regeneração de miócitos ou terapias farmacológicas. (Para mais informações sobre marcadores de células estaminais, consulte o Apêndice E.i. Como é que os investigadores utilizam marcadores para identificar as células estaminais?)

Figure 9.2. Reparação Muscular do Coração com Células-Tronco Adultas

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

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Excitantes novos avanços na regeneração de cardiomiócitos estão sendo feitos na pesquisa de células-tronco embrionárias humanas. Devido à sua capacidade de diferenciação em qualquer tipo de célula do corpo adulto, as células estaminais embrionárias são outra possível população de origem para células de reparação cardíaca. O primeiro passo nesta aplicação foi dado por Itskovitz-Eldor et al. que demonstraram que as células estaminais embrionárias humanas podem se diferenciar reprodutivamente em cultura em corpos embrionários compostos de tipos celulares das três camadas de germes embrionários do corpo. Entre os vários tipos celulares observados estavam células que tinham a aparência física de cardiomiócitos, mostraram marcadores celulares consistentes com células cardíacas e demonstraram atividade contrátil semelhante aos cardiomiócitos quando observados sob o microscópio.

Em uma continuação deste trabalho inicial, Kehat et al. mostraram propriedades estruturais e funcionais de cardiomiócitos em estágio inicial nas células que se desenvolvem a partir dos corpos embrionários. As células que têm atividade de contração espontânea são identificadas positivamente usando marcadores com anticorpos para a cadeia pesada da miosina, alfa-actinina, desmin, proteína antinateritica e troponina cardíaca – todas as proteínas encontradas no tecido cardíaco. Estes investigadores fizeram análises genéticas destas células e descobriram que os genes do factor de transcrição expressos são consistentes com os cardiomiócitos em fase inicial. Os registros elétricos destas células, as mudanças no movimento do íon cálcio dentro das células e a resposta contrátil à estimulação do hormônio catecolamínico pelas células foram similares aos registros, mudanças e resposta observada nos cardiomiócitos precoces observados durante o desenvolvimento de mamíferos. Um próximo passo nesta pesquisa é ver se a evidência experimental de melhora no resultado do ataque cardíaco em roedores pode ser reproduzida usando células-tronco embrionárias.

Estas descobertas revolucionárias em modelos de roedores apresentam novas oportunidades para o uso de células-tronco para reparar o músculo cardíaco danificado. Os resultados dos estudos discutidos acima são evidências crescentes de que as células-tronco adultas podem se desenvolver em mais tipos de células do que se pensava inicialmente. Nesses estudos, as células estaminais hematopoiéticas parecem ser capazes de se desenvolver não só em sangue, mas também em músculo cardíaco e tecido endotelial. Esta capacidade das células estaminais adultas, cada vez mais referida como “plasticidade”, pode fazer destas células estaminais adultas um candidato viável para a reparação cardíaca. Mas esta evidência não é completa; as populações de células estaminais hematopoiéticas do rato que dão origem a estas células de substituição não são homogéneas. Pelo contrário, elas são enriquecidas para as células de interesse através de fatores estimulantes específicos e seletivos que promovem o crescimento celular. Assim, a população celular de origem destas células injetadas não foi identificada, e existe a possibilidade de inclusão de outras populações celulares que poderiam fazer com que o receptor rejeitasse as células transplantadas. Esta é uma questão importante a ser tratada em aplicações clínicas, mas não é tão relevante nos modelos experimentais aqui descritos porque os roedores foram criados para serem geneticamente semelhantes.

Quais são as implicações para estender a pesquisa sobre crescimento diferenciado de tecidos de reposição para corações danificados? Há alguns aspectos práticos de produzir um número suficiente de células para aplicação clínica. A reparação de um coração humano danificado exigiria provavelmente milhões de células. A capacidade única de replicação de células estaminais embrionárias em cultura pode dar-lhes uma vantagem sobre as células estaminais adultas, fornecendo um grande número de células de substituição em cultura de tecidos para fins de transplante. Dado o estado actual da ciência, não é claro como as células estaminais adultas poderiam ser utilizadas para gerar músculo cardíaco suficiente fora do corpo para satisfazer a procura dos pacientes .

Embora haja muita excitação porque os investigadores sabem agora que as células estaminais adultas e embrionárias podem reparar o tecido cardíaco danificado, muitas questões permanecem por responder antes de poderem ser feitas aplicações clínicas. Por exemplo, por quanto tempo é que as células de substituição continuarão a funcionar? Os modelos de pesquisa de roedores refletem com precisão as condições cardíacas humanas e as respostas ao transplante? Estes novos cardiomiócitos de substituição derivados de células estaminais têm a capacidade de conduzir o sinal eléctrico das células musculares cardíacas nativas?

Células estaminais podem muito bem servir como base sobre a qual uma futura forma de “terapia celular” é construída. Nos modelos animais atuais, o tempo entre a lesão no coração e a aplicação das células-tronco afeta o grau em que a regeneração ocorre, e isto tem implicações reais para o paciente que é levado despreparado para o pronto-socorro após um ataque cardíaco. No futuro, as células do paciente poderiam ser recolhidas e expandidas para serem utilizadas de uma forma eficiente? Alternativamente, os pacientes em risco podem doar suas células com antecedência, minimizando assim a preparação necessária para a administração das células? Além disso, estas células-tronco podem ser geneticamente “programadas” para migrar diretamente para o local da lesão e para sintetizar imediatamente as proteínas cardíacas necessárias para o processo de regeneração? Os investigadores estão actualmente a utilizar células estaminais de todas as fontes para abordar estas questões, proporcionando assim um futuro promissor para as terapias de reparação ou substituição do coração danificado e abordando as principais causas de morte da Nação.

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Conteúdo histórico: 17 de junho de 2001