Los científicos han demostrado una nueva forma de estudiar enfermedades como el trastorno del espectro autista, el TDAH y la esquizofrenia.
El enfoque consiste en trasplantar un grupo de células -llamadas organoides cerebrales- cultivadas a partir de células madre humanas al cerebro de ratas recién nacidas.
Los organoides, que normalmente se cultivan en una placa, mostraron niveles de maduración sin precedentes, formaron conexiones con otras áreas del cerebro de las ratas e incluso fueron capaces de estimular cambios en el comportamiento de los animales.
La investigación supone un paso adelante para la tecnología de los organoides, que se ha convertido en una valiosa herramienta en la neurociencia del desarrollo, pero plantea apremiantes cuestiones éticas sobre el bienestar de los animales y el nivel de conciencia que podrían obtener algún día los organoides más complejos.
El origen de los organoides
En 2006, Kazutoshi Takahashi y Shinya Yamanaka publicaron un artículo fundamental en el que demostraban que las células podían reprogramarse a un estado similar al embrionario, en el que son capaces de especializarse en otros tipos de células mediante un proceso llamado diferenciación, con la aplicación de un puñado de impulsores genéticos llamados factores de transcripción.
Desde entonces, la capacidad de la ciencia para modelar el desarrollo de las células utilizando células madre ha avanzado rápidamente. Los investigadores de la Universidad de Stanford dirigidos por Sergiu Pasca, profesor de psiquiatría y ciencias del comportamiento, han sido una fuerza central en el avance de los modelos de células madre neurales.
Pasca y sus colegas publicaron influyentes artículos en los que mostraban cómo las neuronas derivadas de células madre podían utilizarse para modelar trastornos, como la rara enfermedad genética del síndrome de Timothy, que produce malformaciones del corazón, el sistema nervioso y los dedos.
Pero los primeros modelos de células madre, dispuestos en monocapas en el fondo de las placas, carecían de la complejidad estructural y los circuitos del cerebro. Investigadores de todo el mundo empezaron a desarrollar modelos de células madre en 3D -organoides- que modelaban más fielmente los procesos neuronales.
Pero, aunque los organoides en placas resultaron ser modelos útiles del cerebro primitivo, su crecimiento tendía a estancarse en determinados momentos del desarrollo: sin sangre que los atravesara y sin el apoyo de un sistema nervioso más amplio, estos organoides seguían siendo pequeños y relativamente simples en comparación con los laberínticos mapas de conexiones dibujados por el cerebro maduro de los mamíferos.
Un nivel de integración sin precedentes
Con los organoides cerebrales in vitro, dice Pasca, “no podemos saber realmente cuáles son las consecuencias conductuales de los defectos que identificamos”. Esto ha limitado su uso en el estudio de trastornos como el síndrome de Timothy, que producen complejos cambios intelectuales y de comportamiento.
Para intentar salvar la distancia entre el comportamiento producido por un cerebro y los cambios genéticos mostrados por los organoides cerebrales, Pasca y su equipo trasplantaron organoides enteros, de un tamaño aproximado de 1 a 1,5 mm, al cerebro en desarrollo de ratas jóvenes.
Aunque los estudios de trasplante no son nada nuevo, dice, el estudio de su equipo tenía dos características innovadoras: la complejidad de los organoides y el momento (3-7 días después del nacimiento) en el que se añadieron.
“Al trasplantarlos en estas etapas tempranas”, dice Pasca, “descubrimos que estos organoides pueden crecer relativamente, se vascularizan y crecen hasta cubrir aproximadamente un tercio del hemisferio cerebral de una rata”.
El equipo de Pasca añadió sus organoides a una región del cerebro de la rata llamada corteza somatosensorial, que recibe información de los bigotes de la rata. El nivel de integración que alcanzaron los organoides no tiene precedentes, ya que arraigaron en el 81% de las 72 ratas trasplantadas.
El nivel de conexión que alcanzaron los organoides fue tan íntimo que las neuronas derivadas del ser humano incluso respondieron a la estimulación de los bigotes de las ratas. Las células de apoyo, denominadas microglías, producidas por la rata llegaron incluso a las células injertadas.
Las ratas utilizadas carecían de timo, lo que significa que su sistema inmunitario era defectuoso, lo que impedía que sus cuerpos rechazaran las células injertadas.
Una vez colocadas, las neuronas también mostraron cambios físicos que imitaban mucho mejor a los cerebros in vivo, creciendo hasta unas seis veces el tamaño de las neuronas cultivadas en una placa y mostrando una actividad eléctrica más compleja.
Los trasplantes se diferenciaron en una serie de tipos de células, pero no mostraron la disposición en capas, llamada laminación, que forman las cortezas normales de las ratas.
Los organoides presentaban una disposición mucho más compleja de las conexiones dendríticas y eran capaces de producir una mayor actividad eléctrica que los organoides cultivados en placa.
Tras unos 8 meses de crecimiento, el análisis de los transcritos de los organoides demostró que estos productos génicos eran similares a los que se producen en el periodo fetal tardío en cerebros humanos intactos.
Modelización de la enfermedad
A continuación, el equipo trasplantó organoides cultivados a partir de células madre de pacientes con síndrome de Timothy.
Mientras que los organoides de estos pacientes cultivados en una placa tenían un aspecto similar a los creados a partir de individuos sin síndrome de Timothy, los organoides trasplantados desarrollaron patrones de dendritas anormales, lo que sugiere que sólo se podrían obtener algunos conocimientos sobre la enfermedad del neurodesarrollo utilizando el nuevo sistema.
También se produjeron cambios en el crecimiento de las células derivadas del síndrome de Timothy tras el trasplante: “Las células de los pacientes no crecen tanto. Hay una diferencia que se puede ver literalmente a ojo”, explicó Pasca.
Sin embargo, quizá la característica más llamativa de los organoides trasplantados fue el grado de interconexión con los cerebros existentes de las ratas. El equipo utilizó una serie de técnicas de marcado genético para mapear y modular los trasplantes. Demostraron que los trasplantes no sólo recibían información del resto del cerebro de la rata, sino que la estimulación lumínica dirigida a los implantes podía cambiar el comportamiento de las ratas.
Evaluación de los riesgos de los organoides
Madeline Lancaster, científica del Laboratorio de Biología Molecular del MRC, que fue pionera en algunas de las primeras investigaciones sobre organoides y no participó en el estudio, calificó el trabajo de “paso adelante” para el campo.
“[El estudio] ofrece una nueva forma de entender los trastornos del funcionamiento neuronal utilizando un sistema modelo humano”, dijo Lancaster. Pasca sugirió que el sistema podría utilizarse como un nuevo tipo de plataforma farmacológica, a caballo entre el trabajo preclínico in vitro y los ensayos clínicos in vivo en humanos.
Aunque las células madre han provocado su propio pánico moral, los riesgos de que los organoides cultivados en placas alcancen la capacidad de sentir o la conciencia han sido mínimos. Pero a medida que la tecnología se adentra en los sistemas biológicos y gana en complejidad, ¿Cómo han cambiado esos riesgos?
Pasca explica que su equipo colaboró estrechamente con bioéticos internos y externos a lo largo del estudio, dando prioridad al bienestar de los animales. “Una de las principales preocupaciones que hemos tenido es que tuvieran convulsiones o epilepsia”, explica.
Pero los análisis eléctricos y fisiológicos sugirieron que las ratas no tenían mayor riesgo de sufrir convulsiones ni aumentos de estrés o déficits de memoria. “Hasta donde podemos decir, no hay alteraciones en el comportamiento o el bienestar de las ratas”.
“Preocupaciones mínimas”
Lancaster también ha considerado las implicaciones morales del estudio. “No tengo ninguna preocupación en torno a si los trasplantes humanos harían que el animal se convirtiera en más ‘humano’, ya que el tamaño de estos trasplantes es pequeño y su organización general todavía no es la adecuada”, comenta.
“Por lo tanto, veo esto como un modelo para investigar la maduración neuronal humana a nivel de una sola neurona o de un grupo de neuronas, pero estos no son tejidos cerebrales reales que se implantan y por lo tanto hay preocupaciones mínimas en torno a su potencial para las funciones cognitivas superiores.”
¿Podría utilizarse la misma tecnología en cerebros más complejos y emparentados con los humanos, como los primates? Pasca señala que un experimento de este tipo no sólo tendría barreras tecnológicas que superar, sino que sería mucho más preocupante desde el punto de vista moral.
“Los trasplantes que se realizan hoy en día en ratas implican barreras naturales a la hora de obtener una mayor integración”, afirma, señalando los tiempos de desarrollo tan diferentes de las ratas y los humanos.
“Pero si el calendario de la especie en la que se trasplanta fuera mucho más cercano al de los humanos, cabría esperar que la integración fuera mucho más estrecha”, advierte Pasca.
“Pero no consideramos en este momento que [usar primates] sea necesario. Primero tenemos que aprovechar la tecnología que hemos desarrollado, ponerla en juego y ver qué puede enseñarnos realmente sobre el desarrollo del cerebro humano.”
Fuente: Stanford Medicine.
Referencia: Omer Revah, Felicity Gore, Kevin W. Kelley, et al. «Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids». Nature, 12 October 2022.