ORGANOIDES CEREBRALES HUMANOS INJERTADOS EN RATAS PERMITEN ESTUDIAR MEJOR LA ENFERMEDAD NEUROPSIQUIÁTRICA
Consiguieron integrar orgánulos cerebrales en animales y modificar su conducta.
Organoide humano trasplantado en el cerebro de una rata, marcado con proteína fluorescente. Foto: UNIVERSIDAD DE STANFORD.
Hay enfermedades intrínsecamente humanas, como la esquizofrenia o el autismo, a las que cuesta encuadrar en las paredes de un laboratorio. En los últimos años, gracias a las investigaciones del premio Nobel Shinya Yamanaka sobre reprogramación celular, se han podido desarrollar organoides o versiones reducidas de diferentes órganos (corazón, hígado, riñón, también, cerebro) que pueden servir para estudiar patologías y sus posibles tratamientos.
Los minicerebros al crecer fuera del cuerpo, en cultivo, no llegan a funcionar como lo harían en un organismo. Algunos investigadores intentaron implantar esos cerebroides en ratas adultas, pero no acabaron de madurar.
Sergiu Pasca , pionero en la investigación en organoides tras años de investigación, ha dado con la metodología clave que hoy presentan en la revista Nature Medicine y que les ha permitido trasplantar con éxito el tejido cerebral derivado de células madre humanas en ratas recién nacidas. A medida que los animales crecieron, las neuronas humanas se integraron en los circuitos neuronales de los roedores y modularon su conducta.
“La mayor parte del trabajo que ha realizado ha estado motivado pora entender trastornos psiquiátricos a nivel biológico, con el fin de encontrar terapias eficaces. Los trastornos psiquiátricos son la mayor causa de discapacidad en todo el mundo y tienen una inmensa necesidad de encontrar tratamientos”.
Neuronas humanas derivadas de células madre y mantenidas ‘in vitro’ o trasplantadas en el córtex del cerebro de rata.
Los organoides cerebrales tenían una capacidad limitada para funcionar como modelos de estudio. “las neuronas no crecían hasta el tamaño en que lo haría una neurona humana en un cerebro humano real” y “no podemos decir cuáles son las consecuencias conductuales de los defectos que identificamos en una placa de laboratorio.
Los trastornos psiquiátricos se definen por el comportamiento, así que cuando encuentras el defecto en una célula en el fondo de una placa la pregunta es ¿afectará al comportamiento? ¿Cómo podría causar enfermedad en un paciente?”.
Sergiu Pasca ha injertado aracnoides de cerebro humano en la corteza cerebral de ratas recién nacidas, se han injertado, en la corteza somatosensorial, zona responsable de recibir y procesar información sensorial, como el tacto, de todo el cuerpo.
Las estructuras neuronales tridimensionales procedían tanto de células humanas sanas como de tres pacientes con una enfermedad genética rara llamada el síndrome de Timothy, un tipo de trastorno del espectro autista.
El trabajo ha demostrado que los organoides maduraron, llegaron a cubrir un tercio del hemisferio de las ratas, y a diferenciarse en tipos celulares que no se veían en la placa de Petri. Las neuronas también crecieron espectacularmente “unas seis veces más de lo que crecería una neurona equivalente en una placa”.
Lo más importante del trabajo es cómo los minicerebros humanos se integraron en los circuitos neuronales de los roedores no solo anatómicamente, sino también de manera funcional.
Las neuronas humanas extendieron proyecciones axonales al tejido cerebral de las ratas y formaron sinapsis con ellas.
En las ratas a las que se injertaron organoides sanos se pudo registrar la actividad de las neuronas humanas mientras se le movía el bigote al animal.
Con la técnica de optogenética, los investigadores pudieron expresar en algunos organoides una proteína derivada de las algas (canalrodopsina) que se activa con la luz azul. Una vez trasplantadas y maduradas en el cerebro de los roedores, realizaron un experimento de recompensa (les hicieron lamer agua expuestas a la luz.
Al cabo de unos días, comprobaron que la luz azul incitaba a las ratas a beber, mientras que no ocurría así en las que no tenían injertado este organoide. Las neuronas humanas estaban detrás del proceso de aprendizaje de recompensa de los animales.
Otro de los experimentos llevados a cabo se efectuó con organoides «enfermos”, los derivados de pacientes con el síndrome de Timothy. En esta enfermedad los problemas de neurodesarrollo se deben a una mutación en un gen que codifica cierta proteína del canal de iones de calcio. Las neuronas de esos organoides tenían una morfología diferente que las de los organoides procedentes de células sanas, diferencias que no se apreciaban al observarlas en cultivo.
Pasca afirma “Solo al trasplantarlas pudimos descubrir cambios que se veían literalmente a simple vista pero no cuando se mantenían las células en la placa; esto ilustra de nuevo lo importante que es proporcionar un entorno in vivo para que las células maduren”.
Trasplante de cabeza a un perro
Las aplicaciones que más emociona a su artífice es el de probar la utilidad de nuevos fármacos. “Cuando tienes una nueva diana terapéutica o un nuevo fármaco, puedes probarlo en un ratón, lo que es todo un reto si el modelo de ratón para la enfermedad psiquiátrica no recoge algunas de las características principales de la enfermedad, lo que ocurre con bastante frecuencia. La única opción es pasar al modelo primate donde, como es obvio, no se encuentran muchos, sobre todo porque son tremendamente caros, y por todo tipo de cuestiones morales y éticas asociadas”.
Además, otra posible aplicación futura estaría en el campo de las terapias celulares, por las que se podría reemplazar partes del sistema nervioso con el objeto de conseguir alguna ventaja terapéutica sobre el potencial de una plataforma que, “tiene su principal aplicación en el estudio de la enfermedad y de posibles fármacos en el contexto de un entorno in vivo”.
Núria Montserrat, profesora de Investigación ICREA en el Instituto de Bioingeniería de Cataluña y una de las investigadoras que hizo posible la generación de organoides de riñón, considera que este estudio “representa un avance muy importante en el campo de los organoides cerebrales”. En estudios posteriores, la metodología empleada en este estudio pueda aplicarse en estudios que tengan como objetivo estudiar circuitos neurales que se hallan comprometidos en diferentes patologías humanas”.
La científica, no obstante, apunta que “si bien el estudio tiene implicaciones importantes en cuanto a la posibilidad de desarrollar estrategias para superar las limitaciones actuales a la hora de madurar y conferir características fisiológicamente relevantes en estos cultivos celulares, el estudio también pone de manifiesto que la aproximación metodológica llevada a cabo presenta limitaciones importantes, dado que las diferencias entre el sistema nervioso humano y de rata pueden dar lugar a interpretaciones erróneas.
Una potencial limitación también subrayada por J. Gray Camp (del Instituto Roche de Bioingenería Traslacional) y Barbara Treutlein (Escuela Politécnica Federal de Zúrich, la ETH), en una artículo sobre el estudio que también publica en este número Nature Medicine. “Las neuronas humanas son diferentes de las de todas las demás especies, y sus discrepancias en la velocidad de desarrollo limitan la capacidad de los xenoinjertos entre humanos y roedores para reflejar el funcionamiento del cerebro humano”, apuntan.
En el debate ético sobre los experimentos con tejido cerebral humano, y las implicaciones morales derivadas de que algún día se lleguen a desarrollar cerebroides conscientes.
Lo que está ocurriendo en un laboratorio, como minicerebro o cerebro en una placa, son términos que pueden crear confusión acerca de lo que se ha alcanzado realmente.
Uno de los avances recientes más interesantes en la investigación de las ciencias biológicas es el desarrollo de sistemas de cultivo celular en 3D, como organoides, esferoides y modelos de organ-on-a-chip. Un cultivo celular en 3D es un ambiente artificial en el cual las células pueden crecer e interactuar con su entorno en las tres dimensiones. Estas condiciones son similares a un estado in vivo.
En un consenso, publicado recientemente Nature, un grupo de investigadores de este campo, entre ellos Sergiu Pasca, especifican cómo nombrar esas estucturas celulares tridimensionales.
Recomiendan referirse a los organoides neurales autorganizados como “organoides neuronales regionalizados u organoides neuronales no guiados, en función del nivel de orientación utilizado durante la diferenciación de las células madre pluripotentes. Cuando los organoides se combinan con otros organoides o con tipos de células especializadas, pasan a ser asembloides, y cuando se trasplantan in vivo a animales se denominan organoides injertados o asembloides injertados”.
El problema es que se hace infinito la nominación.
Una isoflavona modula los procesos antioxidantes implicados en el envejecimiento
Mecanismo celulares en la genisteína, fitoestrógeno derivado de las isoflavonas, hace frente a las patologías derivadas del estrés oxidativo. La genisteína es un fitoestrógeno que pertenece a la categoría de las isoflavonas y se encuentra en alimentos como la soja, el kudzu, el lúpulo o el trébol rojo. Diversos estudios han mostrado sus propiedades para la salud ósea y cerebral y en la prevención de enfermedades cardíacas y relacionadas con el envejecimiento.
Una investigación liderada por Lucía Gimeno, profesora de Fisiología en los Grados de Medicina, Enfermería y Ciencias de la Actividad Física y del Deporte de la Universidad CEU Cardenal Herrera (CEU UCH) de Castellón, ha demostrado también su capacidad para modular los procesos antioxidantes implicados en el envejecimiento.
Su estudio, junto al grupo de investigación FreshAge de la Universidad de Valencia (UV) -del que forma parte Adam Casas, Kristine Stromsnes, Cristian Martínez Fajardo, José Viña y Juan Gambini, entre otros-, ha sido premiado en el último congreso nacional de la Sociedad Española de Geriatría y Gerontología (SEGG).
Estados oxidativos
Respecto al punto de partida, explica Gimeno, «el grupo de laboratorio tiene estudios anteriores en los que se ha visto que la genisteína, un fitoestrógeno obtenido de la soja, tiene propiedades beneficiosas en enfermedades relacionadas con la edad, como las enfermedades neurodegenerativas y cardiovasculares o el cáncer, que cursan con disrupciones en los estados oxidativos». A partir de ello, en este estudio se buscó destacar el papel de la comunicación celular en la protección que ejercen los fitoestrógenos frente al estrés oxidativo y las patologías asociadas a este.
Inicialmente se aislaron células inmunitarias, que se trataron con genisteína y sus respectivos controles. «De estos cultivos se aislaron, mediante técnicas de centrifugación, las microvesículas liberadas por las células inmunitarias, que posteriormente fueron coincubadas con células madre de la pulpa dental.
Se ha visto que estas células están protegidas frente a ataques oxidativos, ya que aumentan su viabilidad, y también se ha determinado mediante RT-PCR la expresión de genes antioxidantes en dichas células».
Los flavonoides de la soja pueden contrarrestar efectos antioxidantes en el organismo. Foto: DM.
En la práctica, los nutrientes que ingerimos van a entrar en contacto con las células inmunitarias de nuestro torrente sanguíneo y pueden promover la formación de microvesículas. Estas microvesículas pueden trasportar proteínas, ARNM, microARN, entre otras, con el potencial de alterar a las células que las reciben. «Esto hace que las moléculas que ingerimos, en este caso la genisteína, modulen procesos oxidativos de las células de nuestro organismo», comenta.
Gracias a esa labor, se ha demostrado que las microvesículas que liberan las células inmunitarias mononucleares, al ser tratadas con genisteína, mejoran la expresión de los genes antioxidantes en cultivos de células madre pluripotenciales de pulpa dental.
«Observamos que al incubar células madre de pulpa dental con microvesículas aisladas de células inmunitarias mononucleares, tratadas con genisteína, se produce un efecto protector sobre el estrés oxidativo, induciendo cambios en la expresión de genes antioxidantes», incide Gimeno.
Balance beneficioso
Los cambios en la expresión de genes antioxidantes van a controlar las reacciones de oxidación que ocurren en nuestras células, lo que permite que en nuestro organismo se mantenga un balance entre las moléculas prooxidantes y las antioxidantes, en beneficio de estas”.
Se conocía el efecto antioxidante de la genisteína pero encontrar que estos efectos se trasladaran mediante mecanismos de comunicación celular ha sido sorprendente.
A su juicio, observar cómo a través de estructuras delimitadas por la membrana celular, se puede transportar contenido celular y que este siga manteniendo el potencial antioxidante sobre las células diana, «es un hecho extraordinario.
Según Gimeno, estos resultados no solo demuestran el potencial antioxidante de la genisteína, presente en alimentos como la soja, sino también «la relevancia de la comunicación celular para que esta isoflavona alcance su efecto antioxidante».
El estudio demuestra que el contenido de las vesículas extracelulares de células inmunitarias tratadas con genisteína puede modular los procesos antioxidantes implicados en el envejecimiento. Estos resultados pueden llevar a la aplicación futura de las microvesículas extracelulares activadas con genisteína al tratamiento y la prevención de enfermedades que cursen con patrones oxidativos.
«Se podría mejorar la respuesta celular e, incluso, actuando en modificaciones de la comunicación intercelular asociada al envejecimiento y también a algunas patologías, como enfermedades cardiovasculares, cáncer, infecciones, trastornos de la coagulación, artritis reumatoide o lupus eritematoso sistémico. En ellas se ha visto que hay cambios en los niveles de las vesículas circulatorias».
Bibliografia.
Sonia Moreno. Madrid Mié, 12/10/2022 – 17:10
Foto: UNIVERSIDAD DE STANFORD
Lucía Gimeno, de la Universidad CEU Cardenal Herrera, de Castellón. Foto: CEU-UCH.
Enrique Mezquita. Valencia Mié, 12/10/2022 – 08:00
ORGANOIDES CEREBRALES HUMANOS INJERTADOS EN RATAS PERMITEN ESTUDIAR MEJOR LA ENFERMEDAD NEUROPSIQUIÁTRICA
Consiguieron integrar orgánulos cerebrales en animales y modificar su conducta.l
Sonia Moreno. Madrid Mié, 12/10/2022 – 17:10
Foto: UNIVERSIDAD DE STANFORD
Lucía Gimeno, de la Universidad CEU Cardenal Herrera, de Castellón. Foto: CEU-UCH.
Enrique Mezquita. Valencia Mié, 12/10/2022 – 08:00