Un gran avance en el cultivo de células: Minicerebros avanzados en la placa

Los organoides son cultivos celulares tridimensionales avanzados que forman versiones en miniatura de tejidos como el hígado, el intestino, el cerebro o ciertos tipos de cáncer, y son muy prometedores para la ciencia. Permiten investigar a gran escala el desarrollo, las enfermedades y las futuras terapias sin necesidad de recurrir a un organismo completo. Pero aún quedan muchos obstáculos por superar hasta que un organoide se parezca lo suficiente a un órgano real o a una parte de él.

En un artículo publicado en Nature Cell Biology, científicos del Instituto Max Planck de Genética Molecular (MPIMG) informan de que han conseguido cultivar organoides parecidos a la corteza cerebral humana con una consistencia y calidad sin precedentes. Para ello, cebaron las células madre con un cóctel de tres pociones químicas durante un breve periodo de tiempo en una fase muy temprana de su desarrollo, lo que les permitió formar agregados celulares durante las semanas siguientes que imitan anatómicamente la estratificación de la corteza cerebral humana. Entre esas capas crecieron células de la glía radial externa (oRG), células madre especializadas que son esenciales para la expansión característica de los hemisferios cerebrales en humanos y simios. Es la primera vez que estas células se han generado, enriquecido y caracterizado con éxito en un sistema de cultivo celular.

"Sorprendentemente, es bastante fácil generar organoides cerebrales en el laboratorio por muchos métodos", dice Yechiel Elkabetz, jefe de grupo de investigación en el MPIMG de Berlín (Alemania) y anteriormente en la Universidad de Tel Aviv (Israel), que dirigió esta investigación. "Pero es difícil hacerlo bien. El reto es crear un cultivo de células madre del sistema nervioso muy puro al principio y persuadir a estas células para que construyan organoides neuronales de varias capas con los tipos de células correctos en los lugares adecuados."

Instruir a los constructores del cerebro

Los organoides neuronales pueden cultivarse a partir de muestras de tejido, células madre embrionarias o incluso células madre pluripotentes inducidas, células corporales maduras que han sido programadas para transformarse de nuevo en el estadio de células madre embrionarias. Pero los resultados han sido muy inconsistentes en términos de procedimientos, material de origen, y también entre organoides en el mismo plato.

"Los cultivos de organoides neurales no sólo resultan muy heterogéneos, sino que las células madre que construyen estos organoides cambian con el tiempo", explica Sneha Arora, investigadora del laboratorio de Elkabetz y una de las autoras principales del trabajo. Señala que hay bastantes protocolos de uso generalizado que se limitan a "dejar" que las células se instruyan por sí mismas con una orientación parcial o nula. "Si empleas a constructores para que construyan una serie de casas sin ninguna instrucción o con instrucciones incompletas, acabarás con un edificio diferente cada vez".

Encontrar las instrucciones correctas para los constructores del cerebro ha supuesto un reto para los laboratorios de todo el mundo durante una década, y han surgido diversos protocolos y procedimientos, cada uno con resultados diferentes. Entonces, ¿cómo se puede saber qué método es el correcto? Elkabetz y sus colegas se asociaron con varios investigadores del MPIMG para estandarizar las técnicas existentes y desarrollar el protocolo más avanzado para generar organoides cerebrales que se asemejen lo mejor posible a la corteza cerebral humana.

Al igual que otros grupos anteriores, los investigadores utilizaron inhibidores, fármacos químicos que indican a la célula en desarrollo "en qué no debe transformarse", para que acabe eligiendo la ruta correcta. Descubrieron que era necesario bloquear tres vías de señalización diferentes para persuadir a las células madre de que se convirtieran en células corticales unas semanas después. "Educamos y desplegamos a los mejores constructores de nuestros organoides. Una vez que las células de partida están creadas y tienen sus instrucciones incorporadas, no hacemos mucho más que eso, y el organoide se ensambla por sí mismo, esta vez correctamente, lo que funciona muy bien", dice Arora.

"Fue un punto clave combinar el Dual-SMAD y la inhibición del WNT, ya que ambos se han utilizado antes casi por separado", dice Arora. Según ella, el momento y la dosis de los fármacos son cruciales. "Durante la fase inicial y en sólo ocho días, generamos una población inicial de células muy homogénea. Éstas resultaron ser los mejores bloques de construcción iniciales para todo el órgano".

Un protocolo unificador

Partiendo de un panel de líneas celulares diferentes y de enfoques metódicos que se compararon en paralelo, los investigadores consiguieron finalmente generar de forma consistente organoides corticales con una precisión sin precedentes. "Uno de los logros importantes de nuestro estudio es que fuimos capaces de reproducir la diversidad celular en todos y cada uno de los organoides", afirma Daniel Rosebrock, investigador computacional del laboratorio de Elkabetz y del Departamento de Biología Molecular Computacional del MPIMG y autor principal de este trabajo interdisciplinar. "Aunque cada organoide era capaz de retener los numerosos tipos de células diferentes, había poca diferencia entre los organoides individuales". Los investigadores lo confirmaron en las tinciones de los tejidos y mediante la secuenciación del ARN de las células individuales.

"En todos los protocolos y líneas, los organoides fabricados con nuestro nuevo protocolo mostraron los niveles más altos y consistentes de identidad cortical", dice Rosebrock. Esto también tiene implicaciones en los modelos de enfermedades de organoides: "Aprendimos que el método de derivación determina si un fenotipo de enfermedad en un modelo de organoide es significativo en absoluto".

Se han modelado en organoides varias enfermedades del desarrollo neurológico, como la microcefalia. Están causadas por interrupciones del proceso altamente regulado del desarrollo cortical cerebral. Las células progenitoras neurales tempranas tienen que encontrar un equilibrio entre un grado suficiente de autorrenovación, por un lado, y la capacidad de diferenciación, por otro. Por tanto, es imperativo investigar estos procesos en la modelización de enfermedades.

Avance en el cultivo de células

Los científicos demostraron que sus organoides desarrollan células oRG, el tipo especial de células madre neurales que se sabe que desempeñan un papel fundamental en el desarrollo del cerebro en humanos y simios. Son las responsables de los enormes hemisferios cerebrales corticales de los primates.

"Nuestras células oRG se convierten gradualmente en las células madre más importantes de nuestro cerebro a medida que éste se desarrolla", afirma Elkabetz. Después de un cierto periodo de crecimiento, estas células constituyen una población importante de células madre en el cerebro. "Por supuesto, los cerebros en desarrollo de los primates y de los humanos en particular son raramente accesibles a los investigadores, y por lo tanto las células oRG cultivadas son una gran oportunidad para la investigación del desarrollo y para futuras aplicaciones terapéuticas".

Tras 50 días de crecimiento, los organoides del equipo están considerablemente enriquecidos con este tipo de células madre. "Hemos desarrollado un método para generar y enriquecer las células oRG en el plato de una manera robusta y consistente que no se había descrito anteriormente", dice Elkabetz. "Se trata de un logro muy importante. Por fin podremos hacer modelos más significativos de enfermedades como la microcefalia que se acerquen más a la verdad de un órgano real."

Los hallazgos proporcionan una plataforma sobre la que construir, para futuras aplicaciones en investigación básica, pruebas farmacológicas o en la clínica, concluye el científico: "Proporcionamos una base sólida para la generación de células madre neurales que sean capaces de formar la rica diversidad celular, que es el sello de la corteza. Creemos que esto conducirá a modelos de enfermedades organoides que harán avanzar la investigación de forma importante."