A nefrologia e a medicina experimental in vivo, in vitro e in silico

Resumo

A medicina experimental tem formado a base para a geração de conhecimento médico ao longo de vários séculos. O desenvolvimento de diversas ferramentas experimentais introduzidas em diferentes momentos na prática médica tem permitido a aquisição de conhecimento com bases científicas cada vez mais sofisticadas. Em consequência, por meio de experimentos in vivo, in vitro e, mais recentemente, in silico, temos testemunhado uma coleta ininterrupta de dados experimentais potencialmente valiosos para a medicina, especialmente para a Nefrologia. Assim, contemplamos paulatinamente a singularidade dos indivíduos, em benefício da vida e da dignidade humana.

Descritores:
In vivo; In vitro; In silico; Pesquisa Biomédica

Abstract

Experimental medicine has formed the basis for generating medical knowledge for several centuries. The development of various experimental tools introduced at different times in medical practice has allowed the acquisition of knowledge with increasingly sophisticated scientific bases. Consequently, through in vivo, in vitro and, more recently, in silico experiments, we have witnessed an uninterrupted collection of experimental data potentially valuable for medicine, especially for Nephrology. We are gradually contemplating the uniqueness of individuals for the benefit of life and human dignity.

Keywords:
In vivo; In vitro; In silico; Biomedical Research

Introdução

Embora a nefrologia seja uma especialidade relativamente jovem, criada somente em meados do século XX, ela reúne uma ampla gama de atividades que incluem, rotineiramente, a substituição da função renal. Ao ressuscitar repetitivamente o meio interior, a nefrologia promove uma proeza médica capaz de prolongar a vida de pacientes (fisiologicamente anéfricos) por dias, meses, anos ou mesmo décadas. Por tratar-se de uma especialidade de alta complexidade, a nefrologia incorpora uma série de conhecimentos médicos adquiridos ao longo da história da medicina, aplicados para a compreensão fisiológica, fisiopatológica e terapêutica. De modo peculiar, o conhecimento nefrológico se beneficiou da medicina experimental, construindo conceitos científicos básicos e aplicados que permeiam a prática nefrológica, desde a simples análise de urina até o xenotransplante.

Discussão

O século XIX, o “Século das Ciências”, foi um período de sistematização do pensamento e efervescência de descobertas. Até então, as escolas médicas ocidentais geravam e transmitiam conhecimentos descritivos apoiados em obras clássicas (séculos XVI e XVII), como as de Andreas Vesalius¹, o “Pai da Anatomia Moderna” (Figura 1), e William Harvey³, o “Pai da Fisiologia”. O saber da medicina era macroscópico e visível e in vivo. A perspicácia de observadores experientes representava a mais poderosa fonte de ensinamento da arte da curar.

Figura 1
Desenho da obra de Vesalius (1543) que revolucionou o conhecimento e o ensino da anatomia no século XVI².

A microscopia foi criada no século XVI, quando Robert Hooke⁴ descreveu a célula. Marcello Malpighi⁵ (século XVII) foi o primeiro anatomista a utilizá-la, identificando eritrócitos e capilares. Em sua obra “De Viscerum Structura”, de 1666, sobre a anatomia descritiva humana, Malpighi dedicou uma seção ao “De Renibus”, detalhando as estruturas do rim. No século XIX, as técnicas de imersão e as lentes binoculares contribuíram para os estudos histopatológicos e o maior conhecimento do núcleo celular. A medicina incorporava o visível in vitro, agora em escala microscópica.

Em 1801, Philippe Pinel⁶, o “Pai da Psiquiatria Moderna”, publicou o “Medical-philosophical Treatise on Mental Alienation” (Tratado Médico-Filosófico sobre Alienação Mental), no qual segregou os desvios comportamentais das doenças mentais. A medicina, que até então se limitava à clínica e à cirurgia, inaugurou uma nova especialidade, o “Alienismo”, com foco humanista e laico, reunindo os pacientes em hospitais para ordenar cientificamente observação, classificação e tratamento, in vivo.

Também no início do século XIX, Richard Bright⁷ deu início a estudos clínicos e autópsias de pacientes com nefrite, caracterizando a “Doença de Bright”. Seu pioneirismo no tema o adjetivou como o “Pai da Nefrologia”.

O estetoscópio, criado em 1819 por René Laennec⁸, estabeleceu a medicina audível, promovendo manobras semiológicas e experimentos não invasivos in vivo. Desde a síntese da ureia (Friedrich Wöhler⁹-1828), despontou a bioquímica moderna. Friedrich Miescher¹⁰ descreveu os ácidos nucleicos, Louis Pasteur¹¹ rechaçou a teoria da “geração espontânea” e Claude Bernard¹² criou os conceitos de “I Meio Interior” e da gliconeogênese.

Enquanto a teoria da evolução (Charles Darwin-1859)¹³ causava controvérsia nos círculos acadêmicos, Gregor Mendel¹⁴, o “Pai da Genética”, investigava a hereditariedade, inovando com o uso da fundamentação matemática da macroscopia intergerações, publicada em 1865. Neste mesmo ano, Claude Bernard introduzia o binômio observação-experimentação em sua “Introdução ao Estudo da Medicina Experimental”. Assim como Descartes, ele despertou para o emprego do método, estabelecendo um novo caminho para o pensamento médico-científico. Sem conhecer a intimidade da célula e seus componentes moleculares, o “Pai da Fisiologia Moderna” buscava a compreensão hierárquica na sinfonia biológica, prenunciando o alvorecer da fisiologia renal.

Na ebulição científica do século XIX, sucederam-se identificações de componentes biológicos, moléculas e elementos químicos, auxiliados pela tabela periódica recém-criada por Dmitri Mendeleev¹⁵ (1869). A humanidade se surpreendeu ao descobrir que o corpo humano não é especial e é composto pela mesma matéria encontrada em outros corpos na natureza. Durante esse período, houve um ressurgimento do racionalismo, editado por Hipócrates (460 AC-377 AC), um pensamento que havia permanecido adormecido por séculos devido às correntes teológicas aplicadas à medicina. Processos bioquímicos e fenômenos físicos foram sendo progressivamente reproduzidos com o auxílio de tubos de ensaio. O pensamento médico incorporou a microscopia (medicina microscopicamente visível) e a bioquímica (medicina invisível), inaugurando a promissora era da biologia celular.

Tabela 1
Contribuições da medicina experimental para a nefrologia moderna

Autor	Século	Contribuição	Ref.
Andrea Vesalius	XVI	A Anatomia Moderna	Vesalius1
William Harvey	XVII	A Circulação Sanguínea	Harvey3
Robert Hooke	XVI	A Célula	Hooke4
Marcello Malpighi	XVII	Os Eritrócitos e os Capilares. As Estruturas Renais	Motta5
Archibald Pitcairn	XVII	O Pai da Medicina Matemática	Ashrafian26
Richard Bright	XIX	Doença de Bright. O Pai da Nefrologia	Bright7
René Laënnec	XIX	A Ausculta Semiológica	Laënnec8
Friedrich Wöhler	XIX	A Síntese da Ureia	Wöhler9
Friedrich Miescher	XIX	Os Ácidos Nucleicos	Gorab and Leme10
Louis Pasteur	XIX	A Microbiologia	Debré and Forster11
Claude Bernard	XIX	Introdução ao Estudo da Medicina Experimental. O Pai da Fisiologia Moderna	Bernard12
Charles Darwin	XIX	A Teoria da Evolução	Darwin13
Gregor Mendel	XIX	O Pai da Genética	Mendel14
Dimitri Mendelejew	XIX	A Tabela Periódica	Mendelejew15
Willian Osler	XIX	Princípios e Prática da Medicina. O Pai da Medicina Moderna	Osler16
Wilhelm Röntgen	XIX	O Primeiro Raio-X	Röntgen17
Santiago Ramón y Cajal	XX	As Células de Cajal. Prêmio Nobel de Medicina de 1906	C. S. S.18
Elie Metchnikoff / Paul Ehrlich	XX	Imunologia/Fagocitose. Prêmio Nobel de Medicina de 1908	Metchnikoff19
Willem Einthoven	XX	O Eletrocardiograma. Prêmio Nobel de Medicina de 1924	Einthoven20
Willen Kolff	XX	O Rim Artificial. O Pai dos Órgãos Artificiais	Kolff21 Wieringa et al.22
Peter Brian Medawar	XX	A Tolerância Imunológica. O Pai dos Transplantes de Órgãos Nobel de Medicina de 1960	Younes-Ibrahim23
James Watson/Francis Crick	XX	A Estrutura do DNA. Prêmio Nobel de Medicina de 1962	Watson and Crick24
John Merrill/Joseph Murray	XX	O Primeiro Transplante Renal	Merrill et al.25
Emmanuelle Charpentier/Jennifer Doudna	XXI	O Método Crispr/Edição de DNA Prêmio Nobel de Química 2020	Derry27
Leonardo Riella	XXI	O Primeiro Xenotransplante Renal em Humanos	Rabin28

Willian Osler¹⁶ combinou clínica e patologia, identificou as plaquetas e publicou “Principles and Practice of Medicine” (“Princípios e Prática da Medicina” – 1892), e é considerado o “Pai da Medicina Moderna”. A ciência emanava dos biotérios e das novas ferramentas de investigação, com ênfase na espectroscopia. Em 1895, Wilhelm Roentgen¹⁷ surpreendeu o mundo com a primeira radiografia (a mão de sua esposa) e abriu um caminho não invasivo para o interior do corpo humano, inaugurando uma nova dimensão da medicina “visível” macroscopicamente. O método encontrou aplicação imediata na Primeira Guerra Mundial. As abordagens não invasivas evoluíram em paralelo com os avanços da Física. Surgiram a ultrassonografia e ecografia, a tomografia computadorizada, a medicina nuclear e a ressonância nuclear magnética. A medicina visível introduziu métodos de imagem funcionais, enriquecendo as ferramentas da medicina experimental in vivo. Ao mesmo tempo, em uma escala microscópica, Santiago Ramón y Cajal¹⁸ inaugurou a neurociência moderna ao isolar células nervosas cerebrais (células de Cajal) e recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina (1906) junto com Camillo Golgi.

Edward Jenner, o “Pai da Imunologia”, observou a proteção dos seres humanos contra a varíola pelo vírus da varíola bovina, em 1796. Elie Metchnikoff¹⁹ (1882) conceituou a imunologia, inaugurando o termo fagocitose e dividiu o Prêmio Nobel de Medicina com Paul Ehrlich em 1908.

Uma vez conhecidas as células, o desafio era cultivá-las in vitro. O feito alcançado com as culturas celulares no início do século XX impulsionou a medicina clínica e experimental, desde a fisiologia celular até o desenvolvimento de transplantes de órgãos e tecidos. Assim, a medicina microscopicamente visível foi submetida a condições experimentais extraídas da medicina invisível.

Na virada do século XX, Willem Einthoven²⁰ estudou fenômenos de eletrofisiologia e recebeu o Prêmio Nobel em 1924 pelo desenvolvimento do eletrocardiograma. Aspectos invisíveis foram traduzidos graficamente em informações eletrofisiológicas para serem utilizadas clínica e experimentalmente in vivo.

Durante a Segunda Guerra Mundial, Willen Kolff²¹, que já havia criado o primeiro banco de sangue da Europa em 1940, desenvolveu o protótipo de um rim artificial e realizou a primeira hemodiálise bem-sucedida em 1945. Mais tarde, em 1967, Kolff²² também desenvolveu o coração artificial e é considerado o “Pai dos Órgãos Artificiais”.

Na década de 1950, Peter Brian Medawar²³ desenvolveu a teoria da Tolerância Imunológica Adquirida, abrindo caminho para o sucesso da transplantação e recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia e Medicina em 1960, sendo considerado o “Pai dos Transplantes de Órgãos”.

Os ácidos nucleicos, descritos em 1869, tiveram a estrutura do DNA revelada em 1953, por James Watson e Francis Crick²⁴, ganhadores do Nobel de 1962. Isso marcou o nascimento da biologia molecular, que estuda fenômenos de replicação, transcrição e tradução envolvendo DNA, RNA e proteínas. As estratégias sequenciais viabilizaram o projeto genoma, que foi concluído em 2003, envolvendo 5.000 pesquisadores. A biologia molecular fornece informações pretéritas, presentes e futuras. Atualmente, os painéis moleculares e as terapias gênicas representam alternativas terapêuticas para doenças genéticas e oncologia de precisão. Por meio da biologia molecular, a medicina invisível foi finalmente incorporada à prática clínica e à medicina experimental.

Após décadas de testes e experimentos in vivo e in vitro, John Merrill e Joseph Murray²⁵ realizaram o primeiro transplante renal bem-sucedido feito entre gêmeos idênticos, em 1954. O desenvolvimento de medicamentos imunossupressores permitiu o primeiro transplante bem-sucedido de um doador cadáver, realizado pela mesma equipe, em 1962. Essas conquistas fizeram com que Murray recebesse o Prêmio Nobel de Medicina em 1990.

No século XXI, despontou a medicina translacional, uma conexão rápida do laboratório ao leito, que visando a imediata transposição de conhecimento básico in vitro diretamente para a aplicação clínica in vivo.

Desde Archibald Pitcairne²⁶, o “Pai da Medicina Matemática” (século XVII), as ciências médicas não prescindiram da matemática para os axiomas biológicos e para a predição de fenômenos biológicos, incorporando automaticamente a bioestatística e a epidemiologia. A matemática é para o conhecimento médico dos séculos XX e XXI o que o microscópio foi para o século XIX, especialmente nas abordagens ômicas (genômica, proteômica e metabolômica). As etapas do conhecimento foram aceleradas pela escala analítica e pelo processamento de dados trazidos pela informática. As ferramentas “high-tech” anunciam a aquisição de conhecimentos inovadores, que convergem de forma visível e invisível para a prática médica. Além de números e letras, os algoritmos integram modelos biológicos à inteligência artificial, trazendo simulações e ensaios para as telas dos computadores, dispensando animais (in vivo), células ou outros elementos biológicos (in vitro), inaugurando a medicina experimental in silico.

Com o auxílio da informática, a partir da observação dos mecanismos de defesa de algumas bactérias utilizam para se protegem de vírus, foi desenvolvido o CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Esse método possibilitou a edição do genoma e representou uma revolução tecnológica que permitiu a introdução de manipulações específicas para modificar o DNA de células vivas, animais ou plantas. Emmanuelle Charpentier e Jennifer Doudna²⁷ receberam o Prêmio Nobel de Química de 2020 por essa conquista. O emprego desta técnica mudou o prognóstico para uma série de doenças causadas por distúrbios genéticos e permitiu o uso terapêutico de células e tecidos geneticamente modificados.

Recentemente (março de 2024), assistimos que a aplicação do método CRISPR em células suínas permitiu o primeiro xenotransplante de um rim de porco geneticamente modificado em um paciente humano, com base em uma série de experimentos anteriores. Trata-se de um verdadeiro marco para a medicina clínica e experimental. Nesse feito, a equipe liderada por Leonardo Riella²⁸ reuniu uma sucessão de múltiplos conhecimentos obtidos da medicina experimental in vivo, in vitro e in silico.

Neste século XXI, estamos vivendo em uma nova era auspiciosa, na qual o crescente domínio das ferramentas cibernéticas desencadeiam novas ondas de ensaios in silico. No entanto, a realidade médica virtual também deve estar subordinada aos mesmos princípios éticos elementares da medicina e nunca se afastar do alcance dos princípios humanísticos, preservando os antigos valores que, desde o início dos tempos, regem a dignidade da vida humana em respeito à “medicina da alma”

Conclusão

A medicina moderna caminha para a medicina de precisão, com foco na prevenção e na singularidade do indivíduo, não se restringindo apenas às características gerais das doenças. As diversas etapas pelas quais o conhecimento médico vem sendo construído ao longo da história não prescindiram da medicina experimental, cujas ferramentas modernas permitem que ela seja praticada in vivo, in vitro e in silico, em benefício da vida e da dignidade humana.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  09 Ago 2024
• Data do Fascículo
  Jul-Sep 2024

Histórico

• Recebido
  08 Jan 2024
• Aceito
  13 Abr 2024