Vírus: eles também obedecem às leis da física, e entender isso pode levar a tratamentos mais eficazes

A beleza da física em escala celular é parte do que atrai engenheiros biomédicos e biólogos como nós para a área da mecanobiologia: o estudo de como as forças físicas influenciam a biologia.

A física tem relevância em todos os lugares. É possível observar a física em ação na forma como as células que revestem suas veias e artérias percebem o fluxo do sangue, como as células dos discos vertebrais suportam o peso das vértebras ao seu redor e como as células dos pulmões se distendem ciclicamente a cada respiração.

Notícias relacionadas

Crescimento da bancada bolsonarista faz Câmara correr para mudar eleição para deputado federal antes do novo Congresso

Michelle não contesta urnas e manda recado de Jair Bolsonaro: ''Meu marido ressalta que é momento de união'

Flávio Bolsonaro explica motivo da fuga do Brasil e lança candidatura de aliado à presidência do Senado

Se cada um dos blocos de construção do corpo sofre alguma combinação dessas forças físicas, então os vírus que os infectam também precisam lidar com uma variação dessas forças. A forma como os vírus interagem com essas forças afeta sua capacidade de infectar células e causar doenças graves.

Como os vírus exploram a maquinaria celular

Quando partículas microscópicas de vírus entram no corpo, elas dependem da maquinaria mecânica das células que infectam para dar continuidade ao seu ciclo de vida.

Muitos vírus primeiro se ligam a receptores na superfície da célula. O movimento da membrana celular — impulsionado pelo seu citoesqueleto interno — faz com que ela se curve e envolva a partícula invasora, separando uma minúscula bolha que a transporta para o interior. Nesse processo de endocitose, a célula engolirá o vírus.

Uma vez dentro, o vírus é transportado ao longo da estrutura interna da célula. Ele libera seu material genético e se apropria da maquinaria celular para produzir cópias de si mesmo. Novas partículas virais então sairão da célula para infectar suas vizinhas.

Cada uma dessas etapas é, em sua essência, física. A tensão da membrana celular pode facilitar ou dificultar o envolvimento de um vírus. O citoesqueleto que transporta essas partículas virais é a mesma estrutura que as células usam para detectar e exercer pressão contra o ambiente ao seu redor. Além disso, a rigidez do ambiente da célula determinará como ela se espalha e se organiza, o que pode alterar sua suscetibilidade a um invasor.

Um indivíduo saudável geralmente consegue se recuperar rapidamente de uma infecção. Mas para alguém com uma condição pré-existente, como a fibrose pulmonar — em que o tecido dos pulmões enrijeceu e não consegue mais se distender em sua capacidade total —, uma infecção viral pode agravar sua condição.

Essa predisposição mecânica dos tecidos à infecção é uma das razões pelas quais os profissionais de saúde recomendam que, quando estiverem doentes, as pessoas evitem o contato com idosos e pessoas imunocomprometidas.

Levando as forças corporais para o laboratório

Nosso laboratório investiga a mecanobiologia de diferentes tipos de tecidos para compreender como as forças físicas a que as pessoas estão sujeitas no dia a dia podem agravar doenças. Levantar e carregar pesos repetidamente pode desgastar os discos da coluna, por exemplo, e ventiladores mecânicos podem esticar excessivamente e lesionar os pulmões.

Mas cultivar células em uma placa de Petri de plástico — o método padrão na maioria dos laboratórios de virologia — mostra apenas parte da história. O plástico usado na cultura de tecidos é significativamente mais rígido do que os tecidos vivos, mais parecido com uma bancada do que com um pulmão. As células percebem a diferença durante os experimentos; a rigidez do ambiente ao seu redor pode alterar tanto como elas se comportam quanto a forma como respondem a uma infecção.

Para trazer a mecânica do corpo humano para o laboratório, cultivamos células pulmonares em camadas finas de um polímero flexível à base de silicone chamado PDMS, que ajustamos para que corresponda à maciez do tecido pulmonar real. Essas camadas ficam em pequenas câmaras que se esticam e relaxam ciclicamente sob comando de um computador, que define até que ponto e por quanto tempo elas se esticam. Isso nos permite imitar os movimentos físicos da respiração.

Monitorando a mecânica celular

Podemos usar um vírus geneticamente modificado para fazer com que as células infectadas brilhem em vermelho sob um microscópio para monitorar como ele se espalha entre as células. Mas como podemos monitorar como a mecânica de uma célula muda durante a infecção?

Nossa equipe acompanha a atividade de duas proteínas importantes, chamadas YAP e TAZ, que atuam como sensores de força da célula. Quando um tecido sofre rigidez ou tensão, esses sensores se deslocam para o núcleo e ativam genes ligados ao crescimento e à reparação. Quando essas forças estão ausentes, como geralmente ocorre em tecidos mais macios, a YAP e a TAZ permanecem inativas e ficam do lado de fora do núcleo.

Sabe-se que alguns vírus aproveitam essa mesma via de sinalização; portanto, examinar a YAP e a TAZ pode oferecer uma perspectiva sobre se as forças mecânicas e a infecção influenciam uma à outra. Usando a ferramenta de edição genética CRISPR, podemos anexar um marcador fluorescente à YAP ou à TAZ e observar sua ativação em tempo real sob um microscópio, à medida que reagem não apenas às forças mecânicas, mas potencialmente também à infecção.

Com essa plataforma, podemos responder melhor a questões como: as células pulmonares responderão à infecção de maneira diferente sob forças distintas? Ou essas forças alterarão a eficácia com que os vírus infectam? Até o momento, nossas descobertas iniciais sugerem que a rigidez do ambiente celular afeta o grau de infecção das células: células pulmonares cultivadas em superfícies mais rígidas, semelhantes à fibrose, parecem ser mais fortemente infectadas.

A mecânica é importante durante surtos

Compreender a mecânica da infecção viral é de particular interesse para pesquisadores e médicos, dada a prevalência persistente de infecções respiratórias em todo o mundo. O resfriado comum, a COVID-19 e a gripe representam apenas uma gota no oceano das infecções virais: sabe-se que mais de 200 espécies de vírus infectam seres humanos.

A mecanobiologia pode ser tão importante para o ciclo da infecção quanto seus aspectos bioquímicos ou imunes. Sob um microscópio, as diferenças são claras entre um pulmão rígido e sobrecarregado e um pulmão macio e saudável, e os vírus podem se deslocar por esses ambientes de maneiras adaptativas.

À medida que os cientistas mapeiam esses sinais mecânicos, novas possibilidades para prevenir e tratar infecções estão surgindo. Entre elas estão terapias que poderiam reduzir a tensão física nos tecidos ou até mesmo biomarcadores que poderiam indicar aos pacientes se eles são suscetíveis ao endurecimento dos tecidos ou a certas vias de infecção e aos possíveis danos que elas possam causar.

O corpo humano é tão mecânico quanto químico, e o mesmo se aplica às infecções que ele enfrenta.

Tori Russell recebe financiamento da NSF via a NSF GRFP.

Karin Wuertz-Kozak recebe financiamento da NSF, do NIH, da DARPA.

Maureen Ferran recebe financiamento da NSF.