Hacer que los organoides cerebrales cultivados en laboratorio sean ‘más inteligentes’

Hacer que los organoides cerebrales cultivados en laboratorio sean ‘más inteligentes’

septiembre 29, 2022 0 Por RenzoC

Mediante el uso de células madre para desarrollar órganos diminutos similares a cerebros en el laboratorio, los científicos han abierto una nueva vía para los estudios del desarrollo neurológico, las enfermedades y las terapias que no pueden llevarse a cabo en personas vivas. Pero no todos los miniorganoides cerebrales se crean de la misma manera y conseguir que imiten con precisión los tejidos del cerebro humano que están modelando ha sido un desafío persistente.

«En este momento, es como el Salvaje Oeste porque no existe un método estándar para generar miniorganoides cerebrales», dijo Bennett Novitch, miembro del Centro Eli and Edythe Broad de Medicina Regenerativa e Investigación de Células Madre en UCLA y autor principal de un nuevo artículo sobre el tema. «Todo neurocientífico quiere hacer un modelo de organoide cerebral de su enfermedad favorita y, sin embargo, los organoides de todos no siempre se parecen».

De hecho, debido a que no existe un protocolo común para su producción y la falta de pautas de control de calidad, los organoides pueden variar de un laboratorio a otro, e incluso de un lote a otro, lo que significa que un hallazgo realizado en un organoide puede no ser cierto en otro.

«Si mi laboratorio y otro laboratorio al final del pasillo llevaran a cabo pruebas de detección de drogas utilizando modelos de organoides minicerebrales del mismo trastorno, aún podríamos obtener resultados diferentes», dijo Momoko Watanabe, primera autora del nuevo artículo y profesora asistente de anatomía y neurobiología en UC Irvine. «No sabremos qué hallazgos son correctos porque las diferencias que estamos viendo podrían ser reflejos de cómo difieren nuestros modelos en lugar de reflejos de la enfermedad».

En su nuevo estudio, publicado hoy en Stem Cell Reports, Novitch, Watanabe y sus colegas proponen pautas basadas en su investigación que pueden ayudar a los científicos a superar dos obstáculos principales que se interponen en el camino del potencial completo de estos organoides: diferencias en uniformidad y estructura.

Tener organoides que recrean de manera precisa y consistente la estructura y la composición celular de secciones específicas del cerebro es especialmente importante para estudiar trastornos como la esquizofrenia y el trastorno del espectro autista en el que los cerebros de las personas afectadas a menudo parecen idénticos a los cerebros neurotípicos en estructura pero exhiben marcadas diferencias en función.

«Nunca seremos capaces de identificar las diferencias sutiles en la estructura y función del cerebro, cosas que son relevantes para los pacientes con trastornos neurológicos, si nuestros organoides tienen un equilibrio incorrecto de tipos de células o una estructura muy irregular», dijo Novitch, quien también es director del Centro Integrado de Reparación Neural del Instituto de Investigación del Cerebro de la UCLA.

Crear los mejores organoides: una cuestión de madurez

Para producir miniorganoides cerebrales, que pueden variar de 1 a 5 milímetros de diámetro, los científicos primero toman células sanguíneas o de piel humana y las reprograman para convertirlas en células madre pluripotentes inducidas, células que pueden diferenciarse en cualquier tipo de célula del cuerpo. Luego dirigen estas células iPS para crear células madre neurales, que pueden producir la mayoría de los tipos de células que se encuentran en el cerebro. A medida que se forman las células madre neurales, se pueden convencer para que se agreguen en organoides 3D. Suficientemente simple. Pero, ¿por qué algunos organoides se parecen más al cerebro humano que otros?

Para responder a esta pregunta, el equipo colaboró ​​con los expertos en pluripotencialidad Kathrin Plath y Amander Clark del Centro de Investigación de Células Madre Broad de la UCLA. Descubrieron que la madurez del desarrollo de las células madre a partir de las cuales se cultiva un organoide influye en su calidad, al igual que la frescura de los ingredientes influye en la calidad de un plato culinario.

«En el desarrollo embrionario humano, el sistema nervioso es una de las primeras estructuras en formarse, por lo que tiene sentido que las células madre que se encuentran en las primeras etapas del desarrollo sean las mejores para producir organoides cerebrales», dijo Watanabe, quien también es miembro de la UCI Sue. & Bill Gross Centro de Investigación de Células Madre.

Luego, los investigadores descubrieron que la mejor manera de mantener las células madre humanas en un estado de desarrollo temprano adecuado para la formación de organoides era cultivarlas en una placa con células de piel de ratón, denominadas alimentadoras de fibroblastos, ya que proporcionan señales químicas esenciales y soporte estructural que ayuda a las células madre a expandirse y preservar su inmadurez a lo largo del tiempo.

Desafortunadamente, también descubrieron que el uso de células de ratón podría hacer que los organoides fueran menos adecuados para el desarrollo de terapias celulares para reemplazar tejidos neurales enfermos o dañados. Además, estos métodos alimentados por alimentador son más laboriosos que los métodos de crecimiento de células madre que muchos laboratorios usan comúnmente.

A continuación, el equipo recurrió a la secuenciación del ARN y al análisis computacional en un intento por identificar las diferencias genéticas entre las células madre que producen buenos organoides y las que no. Esto les permitió identificar cuatro moléculas, todas pertenecientes a la superfamilia de moléculas del factor de crecimiento transformante beta, que eran responsables de mantener las células madre en un estado menos desarrollado.

Agregar estas cuatro moléculas a las células madre que crecen en un plato las mantuvo en un estado inmaduro y permitió que estas células produjeran organoides bien estructurados y de alta calidad.

“Encontramos una manera de tener nuestro pastel y comerlo también”, dijo Novitch. «Hemos eliminado las células de ratón de la ecuación mientras conservamos algunos de sus beneficios para la formación de organoides, acercándonos a nuestros objetivos de estudiar y desarrollar tratamientos para enfermedades neurológicas complejas».

La investigación fue financiada por el Programa de Becarios Ablon en el Centro Integral de Cáncer Jonsson y el Centro de Investigación de Células Madre de UCLA; premios de investigación/capacitación de los Institutos Nacionales de Salud, el Instituto de Medicina Regenerativa de California, la Fundación Rose Hills y el Centro de Investigación de Células Madre Broad; la Fundación Conmemorativa de Uehara; el Instituto de Investigación del Cerebro de la UCLA; y una beca de Becario de la Facultad del Instituto Médico Howard Hughes.