Células madre: descubrieron cómo ‘mini cerebros’ implantados en animales establecen una conexión exitosa

El progreso reciente en la tecnología de células madre ha producido organoides corticales humanos, aquellos sitios de la corteza cerebral que tienen asignadas funciones, lo que permiten estudio experimental. Este avance de la bioingeniería se muestra prometedor como la próxima generación de modelos de enfermedades, plataformas para la detección de fármacos y medicina personalizada, y prótesis neurales trasplantables para restaurar regiones cerebrales específicas perdidas, degeneradas o dañadas.

Haciendo uso de estos avances, un equipo de ingenieros y neurocientíficos ha demostrado por primera vez que los organoides cerebrales humanos implantados en ratones han establecido una conectividad funcional con la corteza de los animales y han respondido a estímulos sensoriales externos.

Los organoides implantados, también llamados ‘mini cerebros’, reaccionaron a los estímulos visuales de la misma manera que los tejidos circundantes, una observación que los investigadores pudieron hacer en tiempo real durante varios meses gracias a una innovadora configuración experimental que combina matrices de microelectrodos de grafeno transparentes, una sustancia compuesta por carbono puro, e imágenes de dos fotones, partículas de luz portadoras de la interacción electromagnética.

El equipo, dirigido por Duygu Kuzum, miembro de la facultad del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de California en San Diego, detalla sus hallazgos en la última edición de la revista Nature Communications. El equipo de Kuzum colaboró con investigadores del laboratorio de Anna Devor en la Universidad de Boston; el laboratorio de Alysson R. Muotri en UC San Diego; y el laboratorio de Fred H. Gage en el Instituto Salk.

Los organoides corticales humanos se derivan de células madre pluripotentes, que pueden convertirse en varios tipos diferentes de células o tejidos del cuerpo, inducidas por humanos, que generalmente se derivan de otras provenientes de la piel.

Estos organoides cerebrales han surgido recientemente como modelos prometedores para estudiar el desarrollo del cerebro humano, así como una variedad de condiciones neurológicas.

Pero hasta ahora, ningún equipo de investigación había podido demostrar que los organoides del cerebro humano implantados en la corteza del ratón pudieran compartir las mismas propiedades funcionales y reaccionar a los estímulos de la misma manera. Esto se debe a que las tecnologías utilizadas para registrar la función cerebral son limitadas y, por lo general, no pueden registrar la actividad que dura solo unos pocos milisegundos.

Dilema en resolución

El equipo dirigido por UC San Diego pudo resolver este problema mediante el desarrollo de experimentos que combinan conjuntos de microelectrodos hechos de grafeno transparente e imágenes de dos fotones, una técnica de microscopía que puede obtener imágenes de tejido vivo de hasta un milímetro de espesor. “Ningún otro estudio ha sido capaz de registrar óptica y eléctricamente al mismo tiempo. Nuestros experimentos revelan que los estímulos visuales evocan respuestas electrofisiológicas en los organoides, coincidiendo con las respuestas de la corteza circundante”, afirmó Madison Wilson, primer autor del artículo y estudiante en el grupo de investigación de Kuzum en UC San Diego.

Luego de este paso, los especialistas esperan que esta combinación de tecnologías innovadoras de grabación neuronal para estudiar los organoides sirva como una plataforma única para evaluar de manera integral los organoides como modelos para el desarrollo y la enfermedad del cerebro, e investigar su uso como prótesis neuronales para restaurar la función de las regiones cerebrales perdidas, degeneradas o dañadas.

“Esta configuración experimental abre oportunidades sin precedentes para las investigaciones de las disfunciones a nivel de la red neuronal humana que subyacen a las enfermedades cerebrales del desarrollo”, advirtió Kuzum. Su laboratorio desarrolló por primera vez los electrodos de grafeno transparentes en 2014 y ha estado avanzando en la tecnología desde entonces.

Los investigadores utilizaron nanopartículas de platino para reducir la impedancia de los electrodos de grafeno en 100 veces mientras los mantenían transparentes. Los electrodos de grafeno de baja impedancia (la oposición a la circulación de corriente) pueden registrar y obtener imágenes de la actividad neuronal tanto a nivel de macroescala como de células individuales.

Al colocar una matriz de estos electrodos encima de los organoides trasplantados, los investigadores pudieron registrar la actividad neuronal eléctricamente tanto del organoide implantado como de la corteza del huésped circundante en tiempo real.

Usando imágenes de dos fotones, también observaron que los vasos sanguíneos del ratón crecían en el organoide proporcionando los nutrientes y el oxígeno necesarios para el implante.

Para ello los investigadores aplicaron un estímulo visual, una LED de luz blanca óptica, a los ratones con organoides implantados, mientras estaban bajo microscopía de dos fotones. Observaron actividad eléctrica en los canales de los electrodos por encima de los organoides, lo que demuestra que éstos reaccionaban al estímulo de la misma manera que el tejido circundante.

Además, su tecnología de electrodos de grafeno transparente de bajo ruido permitió el registro eléctrico de la actividad de picos del organoide y la corteza del ratón circundante. Las grabaciones de grafeno mostraron aumentos en el poder de las oscilaciones gamma y el bloqueo de fase de los picos de los organoides a las oscilaciones lentas de la corteza visual del ratón.

Estos hallazgos sugieren que los organoides habían establecido conexiones sinápticas con el tejido de la corteza circundante tres semanas después de la implantación y recibieron información funcional del cerebro del ratón.

Los investigadores continuaron con estos experimentos multimodales crónicos durante once semanas y demostraron la integración funcional y morfológica de los organoides cerebrales humanos implantados con la corteza de los ratones anfitriones.

Los próximos pasos incluyen experimentos más largos que involucran modelos de enfermedades neurológicas, así como la incorporación de imágenes de calcio en la configuración experimental para visualizar la actividad de picos en las neuronas organoides.

También se podrían usar otros métodos para rastrear las proyecciones axonales entre el organoide y la corteza del ratón. “Prevemos que, más adelante, esta combinación de células madre y tecnologías de neurograbación se utilizará para modelar enfermedades en condiciones fisiológicas”, concluyó Kuzum.

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