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RESENDE - Biotecnologia aplicada a saude v5.pdf 1 17/04/2026 01:30:53

FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES Nesta coleção, a intenção foi reunir, em uma obra didática, sucinta e objetiva, os fatos mais recentes da literatura e os conhecimentos clássicos dos temas disponíveis em obras separadas. Para se ter todo o escopo de Biotecnologia Aplicada à Saúde e Biotecnologia Aplicada à Agro&Indústria, o primeiro tema é discutido em quatro volumes e o segundo em um, totalizando 5 volumes, sendo que todos os tópicos são abordados nos cursos de pós-graduação em Biociências e Biotecnologia, entre outros.

FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES

Seguindo essa direção, e para produzir um livro que seja para uso tanto de alunos de graduação como de pós-graduação e para aqueles profissionais que queiram se introduzir na área de biotecnologia utilizando técnicas modernas e qualquer tipo de modelo celular, disponibilizamos, em um tópico de cada capítulo, as metodologias e os procedimentos para a realização de experimentos. Um guia prático e simples para a bancada de experimentos complexos. organizador

RODRIGO RIBEIRO RESENDE

Neste quinto volume, a biotecnologia atinge um novo patamar: o da construção da vida. Ao integrar bioengenharia, nanotecnologia, inteligência artificial e sistemas biológicos complexos, esta obra apresenta as bases científicas e tecnológicas que estão redefinindo a pesquisa e a medicina contemporâneas. Temas como organoides, bioimpressão tridimensional, modelagem preditiva e sistemas biológicos programáveis são explorados de forma integrada, revelando um cenário em que estruturas vivas podem ser projetadas, controladas e produzidas com precisão. Esta obra posiciona o leitor no centro de uma mudança histórica: a transição da biologia como ciência de observação para a biologia como ciência de construção.

colaboradores

VASCO ARISTON DE CARVALHO AZEVEDO RICARDO CAMBRAIA PARREIRA

organizador

RODRIGO RIBEIRO RESENDE

BIOTECNOLOGIA APLICADA À SAÚDE

BIOTECNOLOGIA APLICADA À SAÚDE FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES VOLUME 5

RODRIGO RIBEIRO RESENDE ORGANIZADOR

VASCO ARISTON DE CARVALHO AZEVEDO RICARDO CAMBRAIA PARREIRA COLABORADORES

Biotecnologia aplicada à saúde: fundamentos e aplicações – vol. 5 (coleção Biotecnologia Aplicada à Saúde, vol. 5) © 2026 Rodrigo Ribeiro Resende (organizador) Editora Edgard Blücher Ltda. Publisher Edgard Blücher Editor Eduardo Blücher Coordenação editorial Rafael Fulanetti Coordenação de produção Ana Cristina Garcia Produção editorial Marcel Iha Preparação de texto Lígia Alves Diagramação Laudemir Santos Capa Thiago Cordeiro Imagem da capa iStockphoto

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Heytor Diniz Teixeira, CRB-8/10570

Rua Pedroso Alvarenga, 1245, 4o andar 04531-934 – São Paulo – SP – Brasil Tel.: 55 11 3078-5366 contato@blucher.com.br www.blucher.com.br

Segundo o Novo Acordo Ortográfico, conforme 6. ed. do Vocabulário Ortográfico da Língua Portuguesa, Academia Brasileira de Letras, julho de 2021.

Biotecnologia aplicada à saúde / organizador Rodrigo Ribeiro Resende ; colaboradores Vasco Ariston de Carvalho Azevedo, Ricardo Cambraia Parreira. – São Paulo : Blucher, 2026. 5 v. (312 p. : il.). – (Coleção Biotecnologia Aplicada à Saúde). Bibliografia ISBN 978-85-212-3060-1 (Impresso) ISBN 978-85-212-2947-6 (Eletrônico – Epub) ISBN 978-85-212-2951-3 (Eletrônico – PDF) 1. Biotecnologia – Aplicações médicas. 2. Aplicações da biotecnologia. 3. Biotecnologia – Tecnologias emergentes. I. Título. II. Resende, Rodrigo Ribeiro. III. Azevedo, Vasco Ariston de Carvalho. IV. Parreira, Ricardo Cambraia. V. Série. CDD 606:61 Índice para catálogo sistemático: 1. Biotecnologia – Aplicações médicas CDU 606:61

AGRADECIMENTOS Todo livro nasce do encontro entre muitas vidas. Nenhuma descoberta científica pertence verdadeiramente a uma única pessoa. Cada conhecimento foi construído sobre o trabalho silencioso de homens e mulheres que ousaram fazer perguntas, desafiar certezas e persistir quando o impossível parecia definitivo. Somos herdeiros de sua coragem, de seus erros, de sua disciplina e de sua extraordinária capacidade de imaginar o que ainda não existia. A todos esses cientistas – conhecidos ou anônimos – expresso minha profunda gratidão. Agradeço aos professores que despertaram a curiosidade antes mesmo de ensinar respostas; aos pesquisadores que dedicaram suas vidas à busca da verdade; aos estudantes que nunca deixaram de perguntar “por quê?”; aos colaboradores, revisores, universidades, centros de pesquisa e todos que compreendem que o maior patrimônio de uma nação são pessoas capazes de produzir conhecimento. A ciência prospera quando inteligência, curiosidade, dedicação, liberdade para investigar e compromisso com a verdade encontram oportunidade para transformar perguntas em descobertas, e descobertas em benefícios para a humanidade. Minha gratidão estende-se também aos pacientes e às famílias que depositam sua esperança na ciência. São eles que dão sentido ao trabalho de milhares de pesquisadores e lembram diariamente que cada avanço científico existe para preservar vidas e aliviar o sofrimento. Mas estes agradecimentos pertencem, sobretudo, ao futuro. Pertencem às crianças que desmontam brinquedos para descobrir como funcionam, observam a natureza com encantamento e fazem perguntas que os adultos já deixaram de fazer. Talvez entre elas estejam aqueles que descobrirão novas curas, construirão órgãos em laboratório, desenvolverão tecnologias ainda inimagináveis e transformarão profundamente a vida humana. Se este livro despertar a curiosidade de apenas uma dessas crianças, terá cumprido uma de suas maiores missões. Meu filho, Theo. Antes de você nascer, eu acreditava compreender a vida porque estudava suas moléculas, suas células e seus mecanismos. Foi somente quando o segurei nos braços pela primeira vez que compreendi que existe uma dimensão da vida que nenhuma teoria consegue explicar. Você não apenas transformou minha vida. Você me devolveu a própria vida.

Espero que, quando um dia ler estas páginas, veja nelas mais do que o trabalho de seu pai. Que encontre um convite para nunca deixar de aprender, de sonhar e de acreditar que conhecimento e caráter caminham juntos. Se decidir seguir a ciência, faça dela um instrumento para servir às pessoas. Se escolher outro caminho, leve consigo os mesmos princípios que tornam qualquer ser humano extraordinário: honestidade, curiosidade, disciplina, humildade para aprender e coragem para defender a verdade. Meu filho, se um dia o mundo lhe disser que seus sonhos são grandes demais, lembre-se de que toda descoberta que mudou a humanidade também começou parecendo impossível. Nunca tenha medo de pensar além do horizonte. É lá que o futuro começa. Por fim, agradeço silenciosamente àquela que talvez nunca saiba o quanto inspirou estas páginas. Há pessoas que transformam nossa vida simplesmente porque despertam em nós o desejo de sermos melhores. Algumas inspirações não precisam ser reveladas para serem eternas. Àqueles que acreditam que o impossível é apenas uma fronteira provisória, dedico este livro. Às crianças que continuarão perguntando “por quê?” quando o mundo acreditar que tudo já foi descoberto. Ao meu filho, Theo, que me ensinou que compreender a vida é extraordinário, mas viver por alguém a quem se ama é infinitamente maior. Que estas páginas sejam apenas o início de descobertas que ainda transformarão o mundo.

Rodrigo R. Resende

APOIO

Agradecemos pelo apoio financeiro aos projetos científicos da Fapemig, CNPq, Capes, Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Nanomateriais de Carbono, Rede Mineira de Toxinas com Ação Terapêutica e Instituto Nanocell.

CARTA AO LEITOR Caro leitor, Em algum momento da sua vida, talvez você tenha se perguntado – ainda que em silêncio – se seria possível reconstruir aquilo que a doença destrói, corrigir o que a natureza não conseguiu completar, ou até mesmo criar novas possibilidades para a própria vida. Estamos vivendo exatamente o momento em que essas perguntas deixam de ser abstrações. Por séculos, a humanidade observou a vida com reverência e distância – tentando compreendê-la, classificá-la e, no máximo, intervir em seus processos de forma limitada. Hoje, porém, atravessamos uma fronteira histórica: a transição da biologia como ciência de observação para a biologia como ciência de intervenção, reconstrução e criação. Este livro nasce nesse limiar. Ele é fruto da inquietação – da recusa em aceitar limites como definitivos – e da convicção de que compreender a vida implica, inevitavelmente, a capacidade de reconfigurá-la. Ao longo destas páginas, você não encontrará apenas conceitos ou técnicas. Encontrará evidências de uma transformação profunda: • células organizando-se como sistemas inteligentes; • organoides reproduzindo funções humanas em ambiente controlado; • estruturas biológicas sendo construídas camada por camada por bioimpressão; • modelos embrionários revelando os códigos fundamentais da existência; • e algoritmos aprendendo a interpretar – e antecipar – a lógica da vida. Mas este livro não trata apenas de tecnologia. Ele trata de possibilidade. De um futuro em que crianças não precisarão esperar por um transplante para viver. De um mundo em que doenças poderão ser prevenidas antes mesmo de emergirem. De uma medicina que deixa de reagir e passa a antecipar, reconstruir e transformar. Talvez você esteja dando seus primeiros passos na ciência. Talvez já esteja imerso nela há anos. Mas, independentemente do ponto em que se encontra, há algo que esta obra pretende despertar em você: a percepção de que a ciência não é apenas um campo de conhecimento – ela é uma ferramenta para alterar destinos.

E mais do que isso: é um convite. Um convite para ultrapassar o conhecido, para questionar o estabelecido e para participar de uma das maiores transformações da história humana. Se, ao final desta leitura, você sentir não apenas que aprendeu, mas que precisa ir além – então este livro terá cumprido seu propósito. Porque toda revolução científica começa exatamente assim: com alguém que decidiu não aceitar o impossível como limite. Boa leitura.

Rodrigo Ribeiro Resende

CONTEÚDO Prefácio 11 1. Tecnologias emergentes na bioengenharia aplicadas à medicina regenerativa

Rodrigo Ribeiro Resende

2. A bioética no campo das tecnologias emergentes e na bioengenharia aplicada à medicina regenerativa

Karol Arias Fernandes, Emily Nefertiti Balbinot, Luciano Henrique Pinto

3. Nicho de células-tronco

Bruno Lemes Marques, Lure Êmilly Barreto da Silva, Higor Siqueira Costa, Ricardo Cambraia Parreira, Lucas Felipe de Oliveira, Rodrigo Ribeiro Resende

4. Descelularização e matrizes extracelulares na engenharia de tecidos

Rodrigo Ribeiro Resende, Bruno Lemes Marques, Davi Maciel Cabral, Flaviane Cristina Rocha Cesar, Andresa de Cássia Martini, Juliana Evangelista Bezerril, Isabella Ferreira Bonifácio, Letícia Lemes de Paula Ribeiro Duarte, Ricardo Cambraia Parreira

5. Organoides: avanços no desenvolvimento de órgãos em miniatura

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Anderson Kenedy Santos, Caroline Muiler Barbosa Nogueira, Rodrigo Ribeiro Resende

6. 3D bioprinting 221 Lucas Felipe de Oliveira, Ricardo Cambraia Parreira, Bruno Lemes Marques, Marcos Vinícius da Silva, Pablo Franco, Rhanoica Guerra, Priscilla Elias Ferreira da Silva, Rodrigo Ribeiro Resende

7. Embriões sintéticos

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Lucas Felipe de Oliveira, Ricardo Cambraia Parreira, Bruno Lemes Marques, Marcos Vinícius da Silva, Pablo Franco, Priscilla Elias Ferreira da Silva, Rodrigo Ribeiro Resende

Sobre os autores

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PREFÁCIO A história da ciência não se desenvolve como uma sequência linear de avanços graduais. Em determinados momentos, ela sofre reorganizações profundas – verdadeiras inflexões epistemológicas – nas quais novas ideias não apenas ampliam o conhecimento existente, mas redefinem os próprios fundamentos sobre os quais esse conhecimento é construído. A biotecnologia contemporânea representa, de forma inequívoca, um desses momentos. Durante grande parte da história, a biologia consolidou-se como uma ciência essencialmente descritiva, dedicada a observar, classificar e compreender os sistemas vivos. Mesmo quando passou a intervir – por meio da genética, da microbiologia ou da fisiologia – essas intervenções permaneciam limitadas por uma compreensão fragmentada e por ferramentas ainda incipientes. Hoje, contudo, atravessamos uma transformação estrutural. A biologia deixa de ser apenas uma ciência da observação e passa a constituir-se como uma ciência projetual, integrativa e construtiva, na qual sistemas vivos podem ser modelados, manipulados e reconstruídos com níveis de precisão antes inimagináveis. Essa transição não é apenas tecnológica – ela é, sobretudo, conceitual. Neste novo paradigma, a vida passa a ser compreendida simultaneamente como: • um sistema dinâmico, capaz de auto-organização, adaptação e emergência de complexidade a partir de interações locais; • um sistema programável, cujos códigos moleculares – genéticos, epigenéticos e metabólicos – podem ser modificados, editados e reconfigurados; • e um sistema construtível, passível de ser organizado espacial e funcionalmente por meio da integração entre biologia, engenharia, ciência dos materiais e tecnologia da informação. Essa nova forma de compreender a vida implica uma mudança profunda: conhecer deixa de ser suficiente – torna-se necessário projetar, prever e construir. É nesse contexto que este volume se insere. Ao reunir temas como organoides, bioimpressão tridimensional, nichos celulares, engenharia de tecidos, modelagem molecular, quimiometria, nanotecnologia, inteligência artificial e sistemas biológicos complexos, a obra não apenas apresenta conteúdos – ela estrutura uma visão integrada da biotecnologia contemporânea.

Biotecnologia Aplicada à Saúde

Uma visão na qual diferentes disciplinas deixam de operar de forma isolada e passam a convergir em torno de um objetivo central: compreender a vida para, então, torná-la passível de construção deliberada. Ao longo dos capítulos, o leitor percorre uma trajetória que reflete essa convergência: • da síntese e modificação de peptídeos e biomoléculas à engenharia avançada de polímeros biológicos e biomateriais funcionais; • da manipulação genética de organismos à criação de sistemas celulares tridimensionais com comportamento emergente; • da análise de dados biológicos complexos à modelagem preditiva baseada em inteligência artificial e aprendizado de máquina; • e das práticas laboratoriais ao desenvolvimento de processos industriais, controle de qualidade e gestão estratégica da inovação em biotecnologia. Essa trajetória não é apenas didática – ela é estruturante. Ela revela como diferentes níveis de organização biológica – molecular, celular, tecidual e sistêmico – podem ser integrados em um continuum que permite não apenas compreender, mas reproduzir e expandir as funções da vida. Entretanto, a verdadeira potência desta obra não reside apenas naquilo que ela descreve com rigor técnico. Ela reside, sobretudo, naquilo que ela antecipa. Os avanços aqui apresentados apontam para um cenário que ultrapassa as fronteiras tradicionais da ciência e da tecnologia: um cenário no qual sistemas biológicos podem ser concebidos com finalidades específicas, no qual estruturas vivas podem ser construídas sob demanda, e no qual a distinção entre o natural e o artificial torna-se progressivamente menos definida. Nesse contexto emergem possibilidades que, até recentemente, pertenciam ao domínio da especulação: • a criação de sistemas híbridos que integram componentes biológicos e tecnológicos em arquiteturas funcionais; • o desenvolvimento de estruturas vivas com comportamentos programáveis e adaptativos; • a integração entre células, sensores e sistemas computacionais em redes bio-híbridas inteligentes; • a construção de organoides e tecidos capazes de evoluir funcionalmente em ambientes controlados; • e, em um horizonte mais amplo, a possibilidade de formas de vida que não se restringem aos modelos biológicos clássicos, mas que emergem da interação entre biologia, engenharia e informação.

CAPÍTULO

TECNOLOGIAS EMERGENTES NA BIOENGENHARIA APLICADAS À MEDICINA REGENERATIVA Rodrigo Ribeiro Resende 1.1 INTRODUÇÃO

A bioengenharia aplicada à medicina regenerativa tem revolucionado o campo da biomedicina, permitindo o desenvolvimento de terapias inovadoras e personalizadas. Tecnologias emergentes como a bioimpressão 3D, organoides, nichos de células-tronco e embriões sintéticos estão na vanguarda dessas transformações, oferecendo novas perspectivas para o tratamento de doenças, a regeneração de tecidos e o estudo de processos biológicos complexos.

1.1.1 Bioimpressão 3D A bioimpressão 3D envolve a utilização de técnicas de manufatura aditiva para criar estruturas tridimensionais que imitam a arquitetura de tecidos e órgãos humanos. Esse avanço permite a deposição precisa de biomateriais e células, resultando na construção de scaffolds funcionais que podem ser utilizados em transplantes, estudos farmacológicos e modelagem de doenças.1,2

Biotecnologia Aplicada à Saúde

1.1.2 Organoides Organoides são modelos tridimensionais derivados de células-tronco que replicam a complexidade estrutural e funcional de órgãos reais. Esses miniórgãos são criados em laboratório e oferecem uma plataforma poderosa para estudar o desenvolvimento de tecidos, testar novos medicamentos e explorar a biologia de doenças.3,4

1.1.3 Nichos de células-tronco Os nichos de células-tronco referem-se aos microambientes que regulam o comportamento das células-tronco. Esses nichos são essenciais para a manutenção da homeostase tecidual, o controle da autorrenovação e a diferenciação celular. Na medicina regenerativa, a compreensão e a manipulação desses nichos são cruciais para o sucesso das terapias baseadas em células-tronco.5,6

1.1.4 Embriões sintéticos Os embriões sintéticos representam um avanço notável no estudo do desenvolvimento embrionário. Criados a partir de células-tronco, esses embriões permitem a modelagem de processos de organogênese e a investigação das interações celulares que ocorrem durante o desenvolvimento inicial dos organismos. Além disso, eles oferecem um modelo ético e acessível para pesquisas que antes eram limitadas pelo uso de embriões naturais.7,8

1.1.5 Relevância na medicina regenerativa A integração dessas tecnologias emergentes é crucial para o avanço da medicina regenerativa. A bioimpressão 3D permite a criação de scaffolds que servem como plataformas para a incorporação de organoides e nichos de células-tronco, promovendo a regeneração tecidual eficiente. Além disso, os embriões sintéticos oferecem um novo paradigma para o estudo do desenvolvimento e diferenciação celular em um ambiente controlado. A combinação dessas abordagens não apenas melhora a eficácia das terapias regenerativas, mas também abre novas fronteiras para a personalização dos tratamentos médicos, adaptando-os às necessidades específicas dos pacientes.9

CAPÍTULO

A BIOÉTICA NO CAMPO DAS TECNOLOGIAS EMERGENTES E NA BIOENGENHARIA APLICADA À MEDICINA REGENERATIVA Karol Arias Fernandes Emily Nefertiti Balbinot Luciano Henrique Pinto 2.1 INTRODUÇÃO

A bioética surgiu como um campo de estudo interdisciplinar no final da década de 1960 e início da década de 1970, em resposta aos avanços científicos e tecnológicos que levantaram novas questões éticas. O termo “bioética” foi cunhado em 1970 pelo oncologista norte-americano Van Rensselaer Potter, em seu artigo “Bioethics: The Science of Survival”. Ele usou o termo para descrever uma ponte entre as ciências biológicas e os valores humanos, propondo uma ética global para a sobrevivência da humanidade.1 Segundo Harari (2020), 2 as decisões bioéticas lidam com a questão da alma, discurso religioso, e das questões científicas. Dessa forma, os avanços da tecnologia na promoção da qualidade de vida levantam um debate ético e gera o seguinte questionamento estruturado neste capítulo: “Quais são os impactos éticos, científicos e práticos percebidos por pesquisadores e profissionais de saúde na aplicação de tecnologias emergentes da bioengenharia à medicina regenerativa?”

Biotecnologia Aplicada à Saúde

Compreender os impactos éticos, científicos e práticos das tecnologias emergentes na bioengenharia aplicada à medicina regenerativa é essencial para promover avanços responsáveis, formular políticas públicas adequadas, capacitar profissionais e fortalecer o diálogo entre ciência e sociedade.3 As tecnologias emergentes na bioengenharia impulsionam avanços significativos na medicina regenerativa, sendo positivamente percebidas por profissionais de saúde pelo potencial de reduzir a dependência de transplantes tradicionais; contudo, enfrentam barreiras éticas relacionadas à manipulação de células e tecidos humanos, além da necessidade de regulamentações claras que garantam segurança, equidade no acesso e limites éticos na criação de tecidos e órgãos artificiais. Este trabalho objetiva discutir a questão da bioética dentro da temática das tecnologias emergentes da bioengenharia e medicina regenerativa considerando as contemporaneidades das questões envolvidas neste cenário.

2.2 M étodo para revisão sobre a temática “tecnologias emergentes da bioengenharia à medicina regenerativa” A pesquisa de revisão foi realizada em 5 etapas, seguindo o rigor metodológico que garantisse a reprodutibilidade das informações encontradas, baseado no Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses (PRISMA), que em português significa “Principais itens para relatar revisões sistemáticas e metanálises”. As etapas estão elencadas na Figura 2.1. Etapa 1

Etapa 2

Etapa 3

Etapa 4

Etapa 5

Elaboração da pergunta de pesquisa

Definição da pergunta

Método PICO

Critérios de inclusão e exclusão

Definição das palavras chaves

Definição do esquema booleano

Tempo, idiomas e tipos de estudo

Busca em fontes de informação

Definição das bases de dados

Aplicação dos critérios: inclusão e exclusão

Dados brutos totais de artigos

Estratégias de seleção de artigos

Busca por: título, resumo e artigo

Busca de dados relativos à pergunta

Seleção final dos artigos

Coleta dos dados nos artigos

Organizar dados em planilha

Mapa mental

Resultados e discussão

Figura 2.1 Método de pesquisa empregado e suas 5 etapas de investigação baseado no PRISMA. Fonte: adaptado de Souza et al. (2010).4

CAPÍTULO

NICHO DE CÉLULAS-TRONCO

Bruno Lemes Marques Lure Êmilly Barreto da Silva Higor Siqueira Costa Ricardo Cambraia Parreira Lucas Felipe de Oliveira Rodrigo Ribeiro Resende 3.1 INTRODUÇÃO 3.1.1 O desenvolvimento do conceito de nicho de células-tronco: um panorama histórico O conceito de nicho de células-tronco tem sido fundamental para entender a manutenção e a regulação das células-tronco em diversos tecidos. Esse desenvolvimento foi um processo gradual, marcado por descobertas-chave e pela contribuição de vários pesquisadores ao longo das décadas.

3.1.2 Décadas de 1960 e 1970: as primeiras descobertas O estudo das células-tronco começou a ganhar destaque na década de 1960, com a descoberta das células-tronco hematopoiéticas (CTH) por Ernest McCulloch e James Till. Em um experimento publicado em 1961, eles irradiaram camundongos e observaram a formação de colônias de células

Biotecnologia Aplicada à Saúde

sanguíneas na medula óssea, evidenciando a existência de células capazes de se autorrenovar e se diferenciar em várias linhagens sanguíneas. 1 Essa descoberta abriu caminho para a identificação e o estudo de células-tronco em outros tecidos. Em 1978, Ray Schofield introduziu o conceito de nicho de células-tronco ao sugerir que a autorrenovação e a capacidade proliferativa das CTH eram mantidas por um microambiente especializado na medula óssea. 2 Esse conceito foi revolucionário, propondo que as células-tronco dependiam de um nicho específico para manter suas propriedades únicas.

3.1.3 Décadas de 1980 e 1990: expansão e consolidação Durante os anos 1980, o conceito de nicho foi expandido com a identificação de várias moléculas sinalizadoras e tipos celulares na medula óssea que influenciavam o comportamento das CTH. Estudos mostraram que o microambiente da medula óssea, incluindo células estromais e fatores solúveis, desempenhava um papel crítico na regulação das células-tronco.3 Em 1994, Elaine Fuchs et al. identificaram células-tronco epidérmicas nos folículos pilosos de camundongos, mostrando que essas células também eram reguladas por um nicho específico. 4 Essa descoberta demonstrou que o conceito de nicho de células-tronco não era exclusivo do sistema hematopoiético, mas aplicável a outros tecidos. No final da década de 1990, Yoshiki Sasai e sua equipe isolaram células-tronco neurais (neural stem cells, NSC) e demonstraram que seu nicho era crucial para a manutenção de suas propriedades de autorrenovação e diferenciação.5 Essa descoberta evidenciou a importância do microambiente na regulação das NSC.

3.1.4 Anos 2000: avanços significativos Nos anos 2000, as pesquisas sobre nichos de células-tronco se intensificaram. Em 2003, Sean Morrison et al. detalharam o nicho das CTH na medula óssea, destacando o papel das células osteoblásticas no suporte e manutenção dessas células.6 Esse estudo forneceu uma compreensão mais detalhada dos componentes específicos do nicho hematopoiético. Em 2005, Elaine Fuchs mais uma vez contribuiu significativamente ao demonstrar que as células-tronco da pele localizadas na base dos folículos

CAPÍTULO

DESCELULARIZAÇÃO E MATRIZES EXTRACELULARES NA ENGENHARIA DE TECIDOS

Rodrigo Ribeiro Resende Bruno Lemes Marques Davi Maciel Cabral Flaviane Cristina Rocha Cesar Andresa de Cássia Martini Juliana Evangelista Bezerril Isabella Ferreira Bonifácio Letícia Lemes de Paula Ribeiro Duarte Ricardo Cambraia Parreira 4.1 VISÃO GERAL O desenvolvimento de matrizes extracelulares descelularizadas (dECM) como scaffolds naturais instrutivos envolve a remoção eficiente das células do tecido doador, permitindo a posterior recelularização com diferentes tipos de células. Tanto tecidos simples, como osso, cartilagem, músculo, tendão e estruturas vasculares, quanto órgãos complexos, como coração, fígado, pulmões e rins, têm sido descelularizados para aplicações em engenharia de tecidos e medicina regenerativa. Diversos estudos têm explorado biomateriais

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Biotecnologia Aplicada à Saúde

descelularizados em diferentes formas, incluindo hidrogéis, biotintas e estruturas porosas organizadas, assim como suas aplicações na biologia e na engenharia médica, como modelos de doenças e plataformas de triagem de medicamentos.

4.2 FOCO DA REVISÃO Esta revisão abrange biomateriais derivados de tecidos ou órgãos descelularizados, bem como biomateriais derivados de células, destacando-os como uma nova fronteira na engenharia de tecidos e medicina regenerativa. São identificados os efeitos da descelularização nas propriedades mecânicas e biológicas dos tecidos, discutindo técnicas de mitigação com o objetivo de replicar a estrutura e a função biológica dos tecidos e órgãos nativos. Além disso, aborda-se a necessidade de métodos de esterilização e preservação de produtos dECM, que muitas vezes são negligenciados, mas têm importância clínica para atender aos padrões de boas práticas de fabricação (GMP). Atenção especial é dada à capacidade quimiotática emergente dos tecidos e órgãos descelularizados e a seu uso no desenvolvimento de estratégias de regeneração tecidual in situ. A revisão destaca as tendências e desenvolvimentos recentes, os desafios contemporâneos e as perspectivas clínicas dos biomateriais e enxertos dECM.

4.3 MÉTODOS DE DESCELULARIZAÇÃO Materiais derivados de tecidos ou órgãos alogênicos/xenogênicos têm sido amplamente estudados para uso em estratégias de reparo tecidual e transplante de órgãos. No entanto, a presença de material celular estrangeiro e de antígenos, como o epítopo alfa-gal, pode desencadear respostas adversas do hospedeiro, levando à rejeição. Portanto, é essencial minimizar ou eliminar o risco imunogênico antes de utilizar esses materiais como biomateriais ou enxertos para engenharia de tecidos.1 Diversos métodos foram desenvolvidos para descelularização de tecidos/ órgãos, visando à remoção completa do material celular e genético, enquanto preservam a estrutura da matriz extracelular e sua composição bioquímica. Os métodos de descelularização são geralmente classificados em três categorias principais: métodos físicos, químicos e enzimáticos. A escolha dos agentes de descelularização, duração do tratamento e complexidade do protocolo

CAPÍTULO

ORGANOIDES: AVANÇOS NO DESENVOLVIMENTO DE ÓRGÃOS EM MINIATURA

Anderson Kenedy Santos Caroline Muiler Barbosa Nogueira Rodrigo Ribeiro Resende 5.1 INTRODUÇÃO O uso de cultura de células e modelos animais na pesquisa biomédica no final do século XX e início do século XXI foi bem-sucedido em diversas áreas, como na melhor compreensão dos mecanismos de sinalização celular, na identificação de potenciais alvos terapêuticos e no desenvolvimento de medicamentos para diferentes patologias, tais como câncer e doenças infecciosas. No entanto, a extrapolação dos resultados obtidos a partir desses modelos para humanos tornou-se um grande obstáculo.1 As culturas de células, também denominadas modelos in vitro, são ferramentas de pesquisa cruciais para estudar o desenvolvimento humano e doenças.2 Apesar de ainda serem muito utilizadas em pesquisa básica, as culturas de células em monocamada (bidimensional, em 2D), modelo em que as células são cultivadas em uma única camada aderida a uma superfície plana e sob condições controladas, apresentam limitações quanto à reprodução

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Biotecnologia Aplicada à Saúde

dos complexos processos biológicos que ocorre in vivo e, por isso, acaba por limitar sua utilização na pesquisa biomédica.2 Novas abordagens de cultura celular tridimensional (3D) in vitro usando células-tronco de diferentes órgãos, conhecidas como organoides, têm recebido grande atenção como uma forma de superar essas limitações. Os organoides são miniaglomerados de células que se auto-organizam e se diferenciam em tipos celulares funcionais, recapitulando a estrutura e as funções complexas dos tecidos de um órgão in vivo, sendo por isso também chamados de “miniórgãos”. 2 Eles podem ser utilizados para estudos sobre desenvolvimento, regeneração e reparo em tecidos humanos, além de poderem ser usados em diagnósticos, modelagem de doenças, descoberta de medicamentos e medicina personalizada.3 Embora ainda esteja em seus estágios iniciais de desenvolvimento em comparação com os modelos de células em 2D e os modelos animais, os organoides têm o potencial de complementar os estudos com os modelos existentes e de expandir a pesquisa biológica básica, mas também de ampliar a pesquisa biomédica. No entanto, desafios ainda precisam ser superados para o desenvolvimento completo da tecnologia de organoides (Figura 5.1).1

5.1.1 História e evolução dos organoides O pontapé inicial para o desenvolvimento de modelos de cultura 3D foi dado em 1907 por Henry van Peters Wilson, que descreveu a primeira tentativa de regeneração de organismos in vitro, demonstrando que células dissociadas de esponjas podem se auto-organizar para regenerar um organismo completo.4 A partir desse ponto, diversos grupos realizaram experimentos de dissociação-reagregação para gerar diferentes tipos de órgãos. Já em 1964, Malcolm Steinberg introduziu a hipótese da adesão diferencial, que explica o processo de classificação e rearranjo celular por meio de termodinâmica mediada pela adesão superficial diferencial.5 A pesquisa com células-tronco começou a evoluir quando as células-tronco pluripotentes (pluripotent stem cells, PSC) foram isoladas e estabelecidas pela primeira vez a partir de embriões de camundongo, em 1981. 6 A partir daí, diversos cientistas empenharam esforços para aprimorar as condições de cultivo celular a fim de simular o microambiente encontrado in vivo.

CAPÍTULO

3D BIOPRINTING

Lucas Felipe de Oliveira Ricardo Cambraia Parreira Bruno Lemes Marques Marcos Vinícius da Silva Pablo Franco Rhanoica Guerra Priscilla Elias Ferreira da Silva Rodrigo Ribeiro Resende 6.1 INTRODUÇÃO A outrora fantástica ideia de fabricar tecidos e órgãos transcendeu os limites da ficção científica e emergiu como uma realidade tangível no século XXI. Desde os anos 2000, foram feitos avanços notáveis no campo da impressão de tecidos biológicos em 3D, inaugurando uma nova era na medicina regenerativa e na engenharia biomédica. Desde essas primeiras tentativas de bioimpressão (bioprinting), no início dos anos 2000, até o desenvolvimento de organoides 3D em microchips, testemunhamos uma rápida evolução que nos permite criar estruturas tridimensionais complexas que se assemelham aos tecidos e órgãos humanos. A bioimpressão 3D, com suas raízes na modificação de impressoras convencionais para depositar células em padrões específicos, tem surgido como uma ferramenta importante para a fabricação de tecidos complexos tridimensionais. Paralelamente, os organoides 3D em microchips, que reproduzem fielmente a estrutura e a função dos órgãos humanos em miniatura, representam um avanço significativo na modelagem in vitro de sistemas biológicos.1

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Biotecnologia Aplicada à Saúde

Neste capítulo será abordada uma variedade de organoides, incluindo cérebro, coração, trato gastrointestinal, fígado, rim, pâncreas e pulmão, destacando sua utilidade na investigação de doenças humanas e na avaliação de terapias potenciais, bem como a metodologia envolvida em sua produção em laboratório. Todas essas tecnologias inovadoras nos permitem vislumbrar incríveis possibilidades na medicina regenerativa, na modelagem de doenças humanas e no desenvolvimento de terapias personalizadas. A convergência da bioimpressão 3D e dos organoides 3D em microchips pode representar um marco significativo na pesquisa biomédica e no tratamento de doenças.

6.2 HISTÓRICO As primeiras técnicas de cultura celular bidimensional (2D) foram de extrema importância, e por meio delas muitos avanços significativos foram alcançados na compreensão da biologia celular, genética, do câncer e da diferenciação celular. No entanto, apesar do sucesso na ciência básica, as técnicas de cultura celular 2D apresentam limitações significativas quando se trata de avaliar drogas e terapias para aplicações comerciais e clínicas.2 A falta de complexidade dos sistemas de cultura 2D em relação aos tecidos e sistemas de órgãos reais é uma dessas limitações. Embora modelos animais tenham sido amplamente utilizados para testes pré-clínicos, surgiram preocupações quanto aos altos custos, questões éticas e falta de similaridade com humanos para aplicações clínicas.3 Uma alternativa promissora que se situa entre a cultura celular 2D e os modelos animais é a cultura celular tridimensional (3D), que oferece um ambiente mais fisiológico para o crescimento celular. As células cultivadas em 3D, quando comparadas àquelas cultivadas de modo tradicional (2D), exibem morfologia e mecânica mais semelhantes às encontradas in vivo, além de apresentarem diferenças em cascata de sinalização intracelular e no perfil de sensibilidade a drogas. 2-4 Esforços recentes têm sido direcionados para o desenvolvimento de técnicas de cultura celular 3D, com destaque para a bioimpressão tecidual, que surge como uma ferramenta para fabricação de construções complexas que se assemelham ao ambiente nativo dos tecidos. 5,6 A ideia mais antiga da impressão 3D surgiu na década de 1980. Começou com o primeiro pedido de patente de impressão 3D de Hideo Kodama em 1980, depois a invenção de Charles Hull da estereolitografia (stereolithography, SLA) em 1983, a sinterização seletiva a laser (selective laser sintering, SLS) de Carl Deckard em 1987 e a impressora 3D comercializada em 1988, e o método

CAPÍTULO

EMBRIÕES SINTÉTICOS

Lucas Felipe de Oliveira Ricardo Cambraia Parreira Bruno Lemes Marques Marcos Vinícius da Silva Pablo Franco Priscilla Elias Ferreira da Silva Rodrigo Ribeiro Resende 7.1 INTRODUÇÃO Nos últimos anos, importantes descobertas na área da biologia do desenvolvimento e das células-tronco têm inaugurado uma nova era, marcada pela geração de modelos in vitro que recapitulam o desenvolvimento embrionário inicial em mamíferos, proporcionando oportunidades sem precedentes para extensas pesquisas em embriogênese. Neste capítulo, apresentamos uma visão geral das técnicas atuais que modelam a embriogênese inicial em mamíferos, destacando modelos criados a partir de células-tronco derivadas de duas espécies significativas: Homo sapiens, devido a sua alta relevância, e Mus musculus, um organismo modelo historicamente comum e tecnicamente avançado. Nosso objetivo é proporcionar uma compreensão holística desses modelos in vitro, traçando o histórico do progresso alcançado na biologia das células-tronco e discutindo os princípios fundamentais subjacentes. Em cada estágio de desenvolvimento, apresentamos modelos in vitro correspondentes que recapitulam o embrião in vivo e discutimos como esses modelos podem ser utilizados para modelar doenças. Por meio

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dessa discussão e de suas potenciais aplicações e desafios futuros, esperamos demonstrar como esses avanços inovadores na pesquisa com células-tronco podem ser desenvolvidos ainda mais para concretizar um modelo a ser utilizado na prática clínica. O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1995, concedido a Edward B. Lewis, Christiane Nüsslein-Volhard e Eric F. Wieschaus, marcou um ponto de virada no campo da biologia do desenvolvimento moderno. Ao introduzirem mutações em embriões de Drosophila, 1 esses pesquisadores encontraram genes-chave associados à regulação de diversos processos de desenvolvimento embrionário precoce, como segmentação e polarização em Drosophila1. Suas descobertas inovadoras no controle genético do desenvolvimento embrionário lançaram as bases para uma compreensão mais profunda dos mecanismos moleculares que regem a formação de organismos multicelulares. Ao longo das últimas três décadas, houve progressos significativos na biologia do desenvolvimento com a fundação de várias técnicas, como técnicas de engenharia genética, em que vários sistemas modelo animais foram utilizados ativamente para aprimorar ainda mais o entendimento das funções genéticas nos processos de desenvolvimento embrionário. No entanto, o estudo do desenvolvimento humano tem permanecido um desafio significativo devido às diferenças inerentes entre organismos modelo convencionais e humanos, preocupações éticas sobre o uso de embriões humanos e inacessibilidade física devido ao desenvolvimento intrauterino de embriões humanos in vivo.2 Recentemente, o rápido avanço da pesquisa com células-tronco possibilitou a geração de organoides humanos derivados de células-tronco, estruturas tridimensionais e auto-organizadoras que imitam diversos órgãos humanos. 3 Esse progresso notável expandiu os limites da pesquisa em biologia humana, permitindo a investigação de processos biológicos humanos em um contexto mais fisiologicamente relevante. Além dos organoides, avanços recentes na pesquisa com células-tronco até facilitaram o desenvolvimento de modelos embrionários iniciais que imitam embriões humanos. 4 Esses modelos embrionários iniciais oferecem uma oportunidade para investigar mecanismos moleculares que regulam a embriogênese humana com melhor escalabilidade e de maneira relativamente ética,5 superando assim as principais limitações do uso de embriões humanos naturais. Modelos embrionários iniciais foram gerados utilizando ESC, que têm capacidade de autorrenovação e diferenciação em uma variedade de tipos celulares específicos do corpo.6,7,8,9 A potência das ESC varia dependendo de suas características epigenéticas e do ambiente de cultura. Essas mudanças de

SOBRE OS AUTORES Anderson Kenedy Santos Departamento de Genética da Yale School of Medicine, Yale University, Estados Unidos.

Andresa de Cássia Martini Centro Universitário de Mineiros (Unifimes), Trindade-GO.

Bruno Lemes Marques Departamento de Farmacologia da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo (Famerp-USP).

Caroline Muiler Barbosa Nogueira Departamento de Pediatria da Yale School of Medicine, Yale University, Estados Unidos.

Davi Maciel Cabral Centro Universitário de Mineiros (Unifimes), Trindade-GO.

Emily Nefertiti Balbinot Acadêmica do curso de Medicina da Universidade da Região de Joinville (Univille), Joinville-SC.

Flaviane Cristina Rocha Cesar Centro Universitário de Mineiros (Unifimes), Trindade-GO.

Higor Siqueira Costa Centro Universitário de Mineiros (Unifimes), Trindade-GO.

Isabella Ferreira Bonifácio Centro Universitário de Mineiros (Unifimes), Trindade-GO.

Juliana Evangelista Bezerril Centro Universitário de Mineiros (Unifimes), Trindade-GO.

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Karol Arias Fernandes Acadêmica do curso de Medicina da Universidade da Região de Joinville (Univille), Joinville-SC.

Letícia Lemes de Paula Ribeiro Duarte Centro Universitário de Mineiros (Unifimes), Trindade-GO.

Lucas Felipe de Oliveira Instituto de Biotecnologia da Universidade Federal de Uberlândia (UFU) - Campus Avançado de Patos de Minas, Patos de Minas-MG.

Luciano Henrique Pinto Professor Adjunto da área da saúde, Doutor em Saúde e Meio Ambiente.

Lure Êmilly Barreto da Silva Centro Universitário de Mineiros (Unifimes), Trindade-GO.

Marcos Vinícius da Silva Instituto de Ciências Biológicas e Naturais da Universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM), Uberaba-MG.

Pablo Igor Ribeiro Franco Departamento de Biociências e Tecnologia da Universidade Federal de Goiás (UFG), Goiânia-GO.

Priscilla Elias Ferreira da Silva Instituto de Ciências Exatas, Naturais e Educação (Icene) da Universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM), Uberaba-MG.

Rhanoica Guerra Departamento de Biologia Celular e Molecular e Bioagentes Patogênicos da Universidade de São Paulo (USP), Ribeirão Preto-SP.

Ricardo Cambraia Parreira Centro Universitário de Mineiros (Unifimes), Trindade-GO.

Rodrigo Ribeiro Resende Secretaria Federal de Controle – Controladoria Geral da União. Nexora Desenvolvimento de Tecnologias em IA.

RESENDE - Biotecnologia aplicada a saude v5.pdf 1 17/04/2026 01:30:53

FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES

RODRIGO RIBEIRO RESENDE

colaboradores

VASCO ARISTON DE CARVALHO AZEVEDO RICARDO CAMBRAIA PARREIRA

organizador

RODRIGO RIBEIRO RESENDE