Cartografía del desarrollo del cerebro humano
Con la ayuda de organoides cerebrales, los investigadores de la ETH están investigando las redes de genes que controlan el desarrollo de diferentes regiones del cerebro
Los investigadores de la ETH de Zúrich están cultivando tejido similar al del cerebro humano a partir de células madre y, a continuación, están cartografiando los tipos de células que se dan en las distintas regiones del cerebro y los genes que regulan su desarrollo.
Organoide cerebral de células madre humanas bajo el microscopio de fluorescencia: la proteína GLI3 se tiñe de color púrpura y marca las células precursoras neuronales en las regiones del cerebro anterior del organoide. Las neuronas se tiñen de verde.
F. Sanchís Calleja, A. Jain, P. Wahle / ETH Zürich
El cerebro humano es probablemente el órgano más complejo de todo el mundo viviente y ha sido durante mucho tiempo objeto de fascinación para los investigadores. Sin embargo, estudiar el cerebro, y especialmente los genes y los interruptores moleculares que regulan y dirigen su desarrollo, no es tarea fácil.
Hasta la fecha, los científicos han procedido utilizando modelos animales, principalmente ratones, pero sus hallazgos no pueden trasladarse directamente a los humanos. El cerebro de un ratón está estructurado de forma diferente y carece de la superficie surcada típica del cerebro humano. Los cultivos celulares han tenido hasta ahora un valor limitado en este campo, ya que las células tienden a extenderse por una gran superficie cuando se cultivan en una placa de cultivo; esto no se corresponde con la estructura tridimensional natural del cerebro.
Trazado de huellas moleculares
Un grupo de investigadores dirigido por Barbara Treutlein, catedrática de la ETH en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Biosistemas de Basilea, ha adoptado ahora un nuevo enfoque para estudiar el desarrollo del cerebro humano: están cultivando y utilizando organoides, tejidos tridimensionales de tamaño milimétrico que pueden crecer a partir de lo que se conoce como células madre pluripotentes.
Siempre que estas células madre reciban el estímulo adecuado, los investigadores pueden programarlas para que se conviertan en cualquier tipo de célula presente en el organismo, incluidas las neuronas. Cuando las células madre se agrupan en una pequeña bola de tejido y se exponen al estímulo adecuado, pueden incluso autoorganizarse y formar un organoide cerebral tridimensional con una compleja arquitectura de tejidos.
En un nuevo estudio que se acaba de publicar en Nature, Treutlein y sus colegas han estudiado miles de células individuales dentro de un organoide cerebral en distintos momentos y con gran detalle. Su objetivo era caracterizar las células en términos genético-moleculares: es decir, la totalidad de todos los transcritos de genes (transcriptoma) como medida de la expresión génica, pero también la accesibilidad del genoma como medida de la actividad reguladora. Han conseguido representar estos datos como una especie de mapa que muestra la huella molecular de cada célula dentro del organoide.
Sin embargo, este procedimiento genera conjuntos de datos inmensos: cada célula del organoide tiene 20.000 genes, y cada organoide consta a su vez de muchos miles de células. "Esto da lugar a una matriz gigantesca, y la única forma de resolverla es con la ayuda de programas adecuados y aprendizaje automático", explica Jonas Fleck, estudiante de doctorado del grupo de Treutlein y uno de los coautores del estudio. Para analizar todos estos datos y predecir los mecanismos de regulación de los genes, los investigadores desarrollaron su propio programa. "Podemos utilizarlo para generar una red de interacción completa para cada gen individual y predecir lo que ocurrirá en las células reales cuando ese gen falle", afirma Fleck.
Identificar interruptores genéticos
El objetivo de este estudio era identificar sistemáticamente aquellos interruptores genéticos que tienen un impacto significativo en el desarrollo de las neuronas en las diferentes regiones de los organoides cerebrales.
Con la ayuda de un sistema CRISPR-Cas9, los investigadores de la ETH desactivaron selectivamente un gen en cada célula, en total unas dos docenas de genes simultáneamente en todo el organoide. Esto les permitió averiguar qué papel desempeñaban los respectivos genes en el desarrollo del organoide cerebral.
"Esta técnica puede utilizarse para detectar genes implicados en enfermedades. Además, podemos observar el efecto que tienen estos genes en el desarrollo de las distintas células del organoide", explica Sophie Jansen, también estudiante de doctorado en el grupo de Treutlein y segunda coautora del estudio.
Comprobación de la formación de patrones en el cerebro anterior
Para comprobar su teoría, los investigadores eligieron como ejemplo el gen GLI3. Este gen es el modelo del factor de transcripción del mismo nombre, una proteína que se acopla a determinados lugares del ADN para regular otro gen. Cuando GLI3 está desactivado, se impide que la maquinaria celular lea este gen y lo transcriba en una molécula de ARN.
En los ratones, las mutaciones del gen GLI3 pueden provocar malformaciones en el sistema nervioso central. Su papel en el desarrollo neuronal humano no se había explorado hasta ahora, pero se sabe que las mutaciones del gen dan lugar a enfermedades como la cefalopolisindactilia de Greig y los síndromes de Pallister Hall.
Silenciar este gen GLI3 permitió a los investigadores tanto verificar sus predicciones teóricas como determinar directamente en el cultivo celular cómo la pérdida de este gen afectaba al desarrollo posterior del organoide cerebral. "Hemos demostrado por primera vez que el gen GLI3 está implicado en la formación de los patrones del cerebro anterior en los seres humanos. Esto sólo se había demostrado anteriormente en ratones", afirma Treutlein.
Los sistemas modelo reflejan la biología del desarrollo
"Lo emocionante de esta investigación es que permite utilizar datos de todo el genoma de tantas células individuales para postular qué funciones desempeñan los genes individuales", explica. "Lo que es igualmente emocionante en mi opinión es que estos sistemas modelo hechos en una placa de Petri reflejan realmente la biología del desarrollo tal y como la conocemos en los ratones".
A Treutlein también le parece fascinante cómo el medio de cultivo puede dar lugar a un tejido autoorganizado con estructuras comparables a las del cerebro humano, no sólo a nivel morfológico, sino también (como han demostrado los investigadores en su último estudio) a nivel de regulación genética y formación de patrones. "Los organoides como éste son realmente una forma excelente de estudiar la biología del desarrollo humano", señala.
Organoides cerebrales versátiles
La investigación con organoides formados por material celular humano tiene la ventaja de que los hallazgos son transferibles a los humanos. Pueden utilizarse para estudiar no sólo la biología básica del desarrollo, sino también el papel de los genes en las enfermedades o trastornos del desarrollo del cerebro. Por ejemplo, Treutlein y sus colegas trabajan con organoides de este tipo para investigar la causa genética del autismo y de la heterotopía; en esta última, las neuronas aparecen fuera de su ubicación anatómica habitual en la corteza cerebral.
Los organoides también pueden utilizarse para probar fármacos y, posiblemente, para cultivar órganos o partes de órganos transplantables. Treutlein confirma que la industria farmacéutica está muy interesada en estos cultivos celulares.
Sin embargo, el cultivo de organoides requiere tiempo y esfuerzo. Además, cada grupo de células se desarrolla individualmente y no de forma estandarizada. Por eso Treutlein y su equipo trabajan para mejorar los organoides y automatizar su proceso de fabricación.
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