Las enfermedades que afectan al cerebro comprometen la función no sólo de las células nerviosas, sino también de las células gliales, las cuales sirven de apoyo para estas funciones. En un nuevo estudio, neurocientíficos del Hospital Houston Methodist han diseñado organoides neurales, también conocidos como “cerebros en miniatura”, para contener tanto neuronas maduras como células gliales astrocíticas en proporciones relativamente similares a las del cerebro humano.
Los organoides neurales de última generación diseñados en el Instituto de Investigación del Houston Methodist son escalables, reproducibles y permiten la manipulación de la actividad de las neuronas y los astrocitos.
El equipo de investigación, dirigido por el autor principal, el Dr. Robert Krencik, profesor asistente del Departamento de Neurocirugía en el Centro de Neuroregeneración en el Instituto de Investigación del Houston Methodist, modificó genéticamente estos organoides para que la actividad de ambos tipos de células pueda ser manipulada de forma independiente y bajo demanda, lo que facilita la emulación de la actividad cerebral durante los estados de salud y enfermedad.
Estas propiedades mejoradas abren la puerta a múltiples aplicaciones, incluida la detección rápida de medicamentos para enfermedades neurológicas.
“El objetivo final es recapitular la funcionalidad del sistema nervioso utilizando organoides, y este estudio describe una próxima generación de esa tecnología. Nuestro nuevo procedimiento experimental para producir organoides maduros es escalable, reproducible y mucho más rápido que las técnicas anteriores, y lleva semanas en lugar de meses”, explicó el Dr. Krencik.
Los organoides son creados para simular la estructura y función de los órganos. Estos miniórganos generados artificialmente permiten a los científicos investigar cuestiones que de otro modo requerirían sondear un órgano dentro del cuerpo. Los organoides ofrecen una ventaja sobre la investigación in vivo con organismos modelo, ya que los agregados celulares de los organoides se derivan de células madre humanas, por lo que conservan las características clave del tejido humano.
Tradicionalmente, los organoides cerebrales se desarrollaban lentamente a partir de células madre pluripotentes que se diferencian en muchos de los tipos de células que se encuentran en el sistema nervioso central humano. Algunas limitaciones de estos organoides es que contienen una gran cantidad de tipos de células, incluidos diferentes subtipos de neuronas, células gliales y células no neuronales en diferentes estados de madurez. Por lo tanto, estudiar las interacciones específicas entre diferentes células plantea un desafío.
“En el cerebro, las conexiones sinápticas entre las neuronas se desarrollan y maduran después de que nacen los astrocitos”, dijo el Dr. Krencik. “Actualmente, usando métodos tradicionales, tenemos que esperar varios meses para que los astrocitos se generen espontáneamente en los organoides”.
Agregó que incluso después de que aparecen los astrocitos, los organoides aún tardan mucho tiempo en mostrar una actividad similar a la del cerebro, que es un sello distintivo de las redes neuronales humanas.
Para enfrentar estos retos, el Dr. Krencik y su equipo incorporaron técnicas de bioingeniería para generar rápidamente organoides neuronales con poblaciones definidas de neuronas y astrocitos producidos de forma independiente a partir de células madre pluripotentes antes de combinarlos. Las diversas formas de manipulación genética que utilizan permiten activar los astrocitos de forma experimental con una sustancia química en lugar de esperar a que los neurotransmisores naturales del cerebro se pusieran en marcha, lo cual es un proceso más complicado y prolongado.
“Al usar dos tecnologías diferentes para apuntar a cada tipo de célula, podríamos activar selectivamente las neuronas o los astrocitos”, dijo el Dr. Krencik.
“Nuestro sistema organoide totalmente inducible es una herramienta útil no sólo para comprender las interacciones entre las neuronas y los astrocitos en el cerebro humano sano, sino también cómo estas conexiones se ven alteradas por la enfermedad”.
“Una aplicación interesante de esta tecnología es el descubrimiento de fármacos. Se puede ampliar muy rápidamente para fabricar miles de organoides a la vez que se pueden usar como una plataforma de prueba de alto rendimiento para medicamentos terapéuticos aplicados a diferentes enfermedades neurológicas, incluidos el Parkinson, Alzheimer, así como cánceres del sistema nervioso,” finalizó el experto del Hospital Houston Methodist.
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