Cómo funciona el impactante sistema nervioso central completo creado en un chip

*Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Hubo un tiempo en que no éramos más que una masa de células madre densamente compactadas. Con el tiempo, esta masa se alargó, le brotaron extremidades a ambos lados, nalgas en la parte trasera, un estómago en la parte delantera y una cabeza en la parte superior.

El proceso por el cual las células madre embrionarias dan lugar a órganos distintos, rescatándonos de un destino amorfo, ocurre gracias a los morfógenos, moléculas que se fabrican en momentos y lugares específicos dentro del embrión y se dispersan para dictar la ubicación y la forma de nuestros órganos. Las concentraciones variables de morfógenos sirven como un mapa que guía a las células madre hacia su destino.

Los mapas de concentración de morfógenos son clave para todas las tecnologías destinadas a fabricar organoides, las versiones en miniatura fabricadas en laboratorio de órganos vivos que en la última década han tomado el mundo de la biología del desarrollo.

Pero hasta ahora, la mayoría de los investigadores han estado produciendo organoides utilizando concentraciones uniformes de morfógenos en placas de Petri, lo que los limitaba a cultivar pequeñas secciones de un órgano en cada placa, en lugar de generar una única versión en miniatura del órgano completo.

Ahora, sin embargo, investigadores de la Universidad de Michigan, que fueron dirigidos por el profesor Jianping Fu y el doctor Xufeng Xue, junto a un equipo del Instituto de Ciencias Weizmann y de la Universidad de Pensilvania han creado una versión en miniatura de todo el sistema nervioso central embrionario, desde el cerebro hasta la parte inferior de la médula espinal, utilizando un chip microfluídico que imita la dispersión de los morfógenos durante el desarrollo embrionario.

El nuevo chip permitirá a los investigadores plantear preguntas completamente nuevas, tanto sobre el desarrollo de un embrión sano como sobre enfermedades y daños en los tejidos, según la profesora Orly Reiner, del Departamento de Genética Molecular de Weizmann, participante en el estudio. Lleva más de 30 años estudiando enfermedades que afectan al cerebro en desarrollo y empezó a cultivar organoides en su laboratorio hace una década.

“En estudios anteriores, los organoides ya habían estado expuestos a concentraciones variables de morfógenos, pero en esos estudios solo se generaban pequeñas secciones del sistema nervioso central, por ejemplo, solo la médula espinal o el prosencéfalo, pero no ambos”, explica.

El chip microfluídico permite a los investigadores verter morfógenos, desde casi cualquier dirección y en cualquier momento que lo deseen, en depósitos que contienen los organoides.

En el centro del chip hay superficies estrechas y adhesivas de 4 milímetros de largo, como el sistema nervioso central de un embrión de un mes. Las células madre se incrustan a lo largo de estas superficies, que luego se cubren con un gel que simula el entorno extracelular, lo que les permite desarrollarse en tejido tridimensional.

En un corto período de tiempo, las células se organizan espontáneamente en un tubo hueco. Después de tres días, a través de un depósito en un extremo del chip, los investigadores comienzan a agregar morfógenos, que se difunden lentamente a lo largo o ancho del tejido.

Los investigadores pronto vieron que las células madre del chip maduraban y se convertían en una variedad de tipos de células diferentes del sistema nervioso central embrionario.

El lado del chip con la mayor concentración de morfógenos dio lugar a células que se desarrollaron en el extremo de la médula espinal, seguidas por las células destinadas a la parte media de la médula espinal, el rombencéfalo, el mesencéfalo y, en el extremo más alejado, el prosencéfalo.

“Cuando caracterizamos los nuevos organoides, vimos un orden perfecto a lo largo de toda la longitud del sistema nervioso central, tal como aparece en la etapa embrionaria temprana”, dice Reiner.

Una vez creado el tubo longitudinal del sistema nervioso central, los investigadores se enfrentaron a otro reto: emular el desarrollo del prosencéfalo del embrión a lo largo del eje ventrodorsal.

En el prosencéfalo se generan normalmente dos tipos de células importantes que son esenciales para el funcionamiento del cerebro adulto: las neuronas excitatorias, que estimulan la activación neuronal, y las neuronas inhibidoras, que bloquean dicha activación.

“Hasta ahora, teníamos que cultivar cada uno de estos tipos de células en una placa diferente exponiendo dos organoides a diferentes concentraciones de morfógenos y luego intentar unirlos”, explica Reiner.

Pero el nuevo chip microfluídico permitió a los investigadores distribuir las concentraciones de morfógenos de tal forma que los dos tipos de neuronas se generaran en el mismo tejido.

Para ello, primero crearon el tubo longitudinal, como se ha descrito anteriormente, y al séptimo día vertieron los morfógenos cerca del prosencéfalo, pero lejos de la médula espinal.

En poco tiempo, las células que luego se convertirían en inhibidoras aparecieron en el interior del tubo, mientras que las destinadas a convertirse en células excitadoras aparecieron en el exterior del tubo, exactamente como ocurre durante el desarrollo embrionario.

Los investigadores utilizaron proteínas codificadas por colores para revelar la identidad de las células en los organoides que produjeron. En cuatro organoides que simulan el sistema nervioso central del embrión, el magenta marca las proteínas asociadas con el desarrollo del prosencéfalo y el mesencéfalo, el verde, el rombencéfalo y el rojo, el centro de la médula espinal.

Los investigadores señalan que su chip no emula las primeras etapas del desarrollo del sistema nervioso central. “En realidad, estamos saltándonos las primeras etapas y llevando las células madre a la etapa de desarrollo típica de un embrión de cuatro semanas”, dice Reiner.

Aun así, en cuestión de días se formó un tejido tridimensional que tenía un parecido sorprendente con el sistema nervioso central del embrión, tanto en términos de las células que contenía como del orden en que aparecían. Esto permitió al equipo estudiar, por ejemplo, los genes implicados en la diferenciación de las poblaciones celulares en la médula espinal, un proceso que no se entendía previamente.

El chip ya está ayudando a los investigadores a comprender mejor las cuestiones relacionadas con el desarrollo del sistema nervioso humano. El equipo de Reiner, por ejemplo, ha integrado la tecnología en su trabajo y está utilizando el chip para estudiar cómo las enfermedades genéticas afectan al desarrollo longitudinal de partes del cerebro. Esperan que más investigadores utilicen la tecnología para ampliar nuestra comprensión de una amplia gama de enfermedades que dañan el sistema nervioso.

También participaron en el estudio el Dr. Yung Su Kim, el Dr. Norio Kobayashi, el Dr. Yue Liu, el Dr. Jason R. Spence, el Dr. Robin Zhexuan Yan, el Dr. Yu-Hwai Tsai, Shiyu Sun y Yi Zheng de la Universidad de Michigan; el Dr. Rami Yair Tshuva y Alfredo-Isaac Ponce-Arias del Departamento de Genética Molecular de Weizmann; el Prof. Hongjun Song, el Prof. Guo-Li Ming y el Dr. Richard O’Laughlin de la Universidad de Pensilvania; y el Prof. Azim Surani y el Dr. Frederick CK Wong de la Universidad de Cambridge.