Los científicos cultivan tejidos cerebrales humanos en 3-D

Los científicos del Instituto de Biotecnología Molecular de Viena, Austria, han cultivado tejidos cerebrales humanos tridimensionales a partir de células madre. Los tejidos forman estructuras discretas que se ven en el cerebro en desarrollo.

Mini cerebro: Un organoide derivado de células madre contiene diferentes regiones del cerebro. El verde muestra neuronas y el rosa / rojo muestra células madre neuronales.

Los investigadores de Viena encontraron que las células cerebrales inmaduras derivadas de células madre se autoorganizan en tejidos similares al cerebro en las condiciones de cultivo adecuadas. Los organoides cerebrales, como los llaman los investigadores, crecieron hasta alcanzar unos cuatro milímetros de tamaño y podrían sobrevivir hasta 10 meses. Durante décadas, los científicos han podido tomar células de animales, incluidos los humanos, y cultivarlas en una placa de Petri, pero en su mayor parte esto se ha hecho en dos dimensiones, con las células cultivadas en una capa delgada en placas de Petri. Pero en los últimos años, los investigadores han avanzado en técnicas de cultivo de tejidos para que el tejido cerebral tridimensional pueda crecer en el laboratorio. El nuevo informe del equipo austriaco demuestra que permitir que las células cerebrales inmaduras se autoorganicen produce algunos de los tejidos cerebrales cultivados en laboratorio más grandes y complejos, con distintas subregiones y signos de neuronas funcionales.

El trabajo , publicado en Naturaleza del miércoles, es el último avance en un campo centrado en la creación de cultivos de tejido de neuronas y células relacionadas más realistas para estudiar la función, la enfermedad y la reparación del cerebro. Con un sistema de modelo de células cultivadas que imita la arquitectura natural del cerebro, los investigadores podrían observar cómo ocurren ciertas enfermedades y detectar posibles medicamentos para determinar su toxicidad y eficacia en un entorno más natural, dice Anja Kunze , neuroingeniero de la Universidad de California en Los Ángeles, que ha desarrollado cultivos de tejido cerebral en tres dimensiones para estudiar la enfermedad de Alzheimer.

Los investigadores austriacos persuadieron a las neuronas cultivadas para que asumieran una organización tridimensional utilizando materiales de andamiaje compatibles con las células en los cultivos. El equipo también permitió que los progenitores de las neuronas controlaran su propio destino. Las células madre tienen una capacidad asombrosa para autoorganizarse, dijo la primera autora del estudio, Madeline Lancaster, en una conferencia de prensa el martes. Otros grupos también han tenido éxito recientemente al permitir que las células progenitoras se autoorganicen, lo que lleva a informes de estructuras oculares primitivas, brotes de hígado y más (ver Globos oculares en crecimiento y un hígado rudimentario que se cultiva a partir de células madre).

El tejido cerebral formó regiones discretas que se encuentran en el cerebro humano en desarrollo temprano, incluidas regiones que se asemejan a partes de la corteza, la retina y las estructuras que producen líquido cefalorraquídeo. En la rueda de prensa, autor principal Juergen Knoblich dijo que si bien ha habido numerosos intentos de modelar tejido cerebral humano en un cultivo utilizando células humanas, el complejo órgano humano ha demostrado ser difícil de replicar. Knoblich dice que el protocerebro se parece a la etapa de desarrollo del cerebro de un feto de nueve semanas.

Mientras que el grupo de Knoblich se centra en cuestiones de desarrollo, otros grupos están desarrollando cultivos de tejido cerebral tridimensionales con la esperanza de tratar enfermedades degenerativas o lesiones cerebrales. Un grupo del Instituto de Tecnología de Georgia ha desarrollado una cultura neuronal tridimensional para estudiar la lesión cerebral, con el objetivo de identificar biomarcadores que podrían usarse para diagnosticar lesiones cerebrales y posibles objetivos farmacológicos para medicamentos que pueden reparar las neuronas lesionadas. Es importante imitar la arquitectura celular del cerebro tanto como sea posible porque la respuesta mecánica de ese tejido depende mucho de su estructura tridimensional, dice un ingeniero biomédico. Michelle LaPlaca de Georgia Tech. Las agresiones físicas a las células en un cultivo tridimensional ejercerán presión sobre las conexiones entre las células y el material de soporte conocido como matriz extracelular, dice.

Otros investigadores están desarrollando cultivos tridimensionales de tejido cerebral para abordar cuestiones fundamentales sobre cómo funciona el cerebro. Utkan Demirci , un ingeniero biomédico en la Escuela de Medicina de Harvard y un 2006 Revisión de tecnología del MIT Innovator Under 35, informó a principios de este año que las técnicas de microfabricación permitieron a su grupo construir cultivos de neuronas tridimensionales. El laboratorio de Demirci ahora está utilizando grabaciones eléctricas y otros estudios funcionales para mostrar que existe actividad sináptica entre las neuronas. Cuando cultivas estas células en tres dimensiones, los brazos de las neuronas pueden extenderse como lo hacen en los tejidos nativos y construir un circuito, dice. Una vez que demostremos que son funcionales, podemos hacer muchos estudios interesantes con ellos, incluido explorar estudios de mapas cerebrales.

Después de confirmar el éxito de sus métodos con células madre de ratón, Knoblich, Lancaster y sus colegas utilizaron los métodos para estudiar un trastorno genético del desarrollo humano que causa microcefalia, una afección en la que el tamaño del cerebro se reduce notablemente y se asocia con discapacidades cognitivas graves. El equipo trabajó con un neurólogo pediatra para obtener células de la piel de un paciente con microcefalia. A partir de estas células, el equipo creó células madre pluripotentes inducidas (ver TR10: Células madre diseñadas). Luego, los investigadores reprogramaron genéticamente estas células en neuronas primitivas y, con unos pocos pasos, las cultivaron en un organoide cerebral en el que pudieron obtener indicios del origen de la enfermedad.

En el futuro, al equipo le gustaría usar el sistema de tejido cerebral para estudiar la esquizofrenia y el autismo, trastornos cognitivos que generalmente se diagnostican en adolescentes o adultos, pero que se cree que comienzan en el desarrollo temprano del cerebro.

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