Los organoides cerebrales injertados proporcionan información sobre los trastornos neurológicos

Los organoides cerebrales injertados proporcionan información sobre los trastornos neurológicos

Los científicos de Salk mejoran el crecimiento de modelos cerebrales tridimensionales para comprender mejor el autismo, la demencia y la esquizofrenia

LA JOLLA—Muchos trastornos neurológicos—Alzheimer, esquizofrenia, autismo, incluso depresión—se han quedado atrás en nuevas terapias. Debido a que el cerebro es tan complejo, puede ser difícil descubrir nuevos fármacos e incluso cuando un fármaco es prometedor en modelos animales, a menudo no funciona en humanos.

Los científicos tienen como objetivo cambiar eso con la tecnología de células madre tomando células de la piel de un paciente y convirtiendo esas células en neuronas. Luego, los investigadores pueden probar nuevos medicamentos y estudiar el desarrollo de enfermedades en estas neuronas cultivadas en laboratorio, e incluso probar el potencial de usar estas "neuronas personalizadas" para el reemplazo de tejido mediante trasplante para curar una parte dañada del cerebro. Sin embargo, aunque los biólogos ya han tenido éxito en el cultivo de diminutos "organoides" similares al cerebro basados ​​en células madre en platos o tubos de ensayo con fines diagnósticos y terapéuticos, estos sistemas modelo todavía están muy lejos de representar la complejidad del cerebro.

Científicos del Instituto Salk informan sobre un nuevo enfoque que puede desarrollar modelos de organoides más sofisticados al garantizar que reciban suficiente oxígeno y otros nutrientes mediante el trasplante a roedores. La obra, publicada en Nature Biotechnology el 16 de abril de 2018, podría arrojar información sobre el desarrollo de curas para los trastornos cerebrales; acelerar las pruebas de drogas; e incluso allanar el camino para algún día trasplantar poblaciones sanas de células humanas al cerebro de las personas para reemplazar el tejido dañado o disfuncional.

"Los organoides cerebrales son herramientas poderosas para investigar el desarrollo y los trastornos del cerebro humano", dice el autor principal Calibrador oxidado, profesor del Laboratorio de Genética de Salk. “Pero actualmente no representan completamente los entornos fisiológicos nativos. Este trabajo nos acerca un paso más a una representación funcional más fiel del cerebro humano y podría ayudarnos a diseñar mejores terapias para enfermedades neurológicas y psiquiátricas”.

Los organoides cerebrales que crecen en placas de cultivo o tubos de ensayo están estructural y funcionalmente limitados porque, sin un sistema de vasos sanguíneos, los nutrientes no pueden llegar al interior de su estructura 3D. Esto reduce el tiempo de supervivencia y la complejidad de los organoides, ya que las células no pueden sufrir tantas divisiones para aumentar su número o diversificar el tipo de célula. Aunque algunos investigadores han intentado abordar estas limitaciones injertando simultáneamente tejido vascular en organoides, este enfoque aún no imita completamente el microambiente celular de un cerebro real.

El laboratorio de Gage buscó replicar un entorno fisiológico de mayor apoyo mediante el injerto de organoides basados ​​en células madre humanas en un área rica en vasos sanguíneos del cerebro del ratón. Los organoides humanos injertados se integraron en el entorno del huésped, formaron neuronas y células de soporte neuronal llamadas astrocitos, y fueron examinados por células inmunitarias. Significativamente, el equipo vio no solo vasos sanguíneos nativos, sino también vasos con sangre fluyendo a través de ellos, una novedad para los organoides.

“Ese fue un gran logro”, dice Abed AlFattah Mansour, investigador asociado de Salk y primer autor del artículo. "Vimos la infiltración de vasos sanguíneos en el organoide y el suministro de sangre, lo cual fue emocionante porque es quizás el boleto para la supervivencia a largo plazo de los organoides".

Como parte del estudio, el equipo de Salk dividió cada organoide por la mitad antes del trasplante y mantuvo una de las mitades en cultivo para poder comparar directamente el beneficio de ambos entornos. Descubrieron que las mitades cultivadas estaban llenas de células moribundas después de unos meses, mientras que los organoides de la misma edad en los roedores estaban sanos.

Para averiguar si los organoides trasplantados eran funcionales además de saludables, el equipo realizó pruebas de imágenes de calcio, en las que las neuronas producen un tinte cuando se activan. Y, de hecho, las neuronas dentro de los organoides estaban disparando de forma sincronizada. Además, el equipo usó una técnica llamada optogenética (donde las células responden a la luz) para confirmar que las neuronas injertadas estaban formando conexiones entre sí y con el organismo huésped, que también es una novedad.

“Esto indica que el aumento del suministro de sangre no solo ayudó al organoide a mantenerse saludable por más tiempo, sino que también le permitió alcanzar un nivel de complejidad neurológica que nos ayudará a comprender mejor la enfermedad cerebral”, dice Mansour.

El trasplante humano en animales se ha utilizado durante décadas en el cerebro y otros tejidos para mejorar la supervivencia y probar la función madura.

“Este trabajo se basa en una técnica de injerto que ayudé a desarrollar en 1984”, agrega Gage, quien ocupa la Cátedra Vi and John Adler de Investigación sobre Enfermedades Neurodegenerativas Relacionadas con la Edad. “Es gratificante ver que funciona tan bien con los organoides cerebrales, que tienen un inmenso potencial para dilucidar la función cerebral en enfermedades neuropsiquiátricas”.

Otros autores incluyeron: J. Tiago Gonçalves, antes de Salk y ahora en el Colegio de Medicina Albert Einstein; y Cooper W. Bloyd, Hao Li, Sarah Fernandes, Daphne Quang, Stephen Johnston, Sarah L. Parylak y Xin Jin de Salk.

El trabajo fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud (U19 MH106434, U01 MH106882), The Paul G. Allen Family Foundation, Bob and Mary Jane Engman, The Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust Grant (2012-PG-MED ), Annette C. Merle-Smith, The G. Harold and Leila Y. Mathers Foundation, JPB Foundation, Dolby Family Ventures y NIH grants (R01NS083815, R01AG047669), el CIRM Bridges to Stem Cell Research Internship Program, un EMBO Postdoctoral Long- Beca temporal (ALTF 1214-2014/Comisión Europea FP7-Marie Curie Actions, LTFCOFUND2013 y GA-2013-609409) y el Programa científico de fronteras humanas (HFSP Long-Term Fellowship—LT001074/2015).