La creación en el laboratorio de estructuras que imitan a los órganos permite estudiar cada vez con mayor precisión las enfermedades humanas y sus posibles tratamientos. La técnica ha sido declarada método del año 2017 por la revista Nature Methods.

Los organoides son cultivos tridimensionales derivados de células madre que presentan una estructura y funcionamiento similares a los órganos.

Estos miniórganos, cuya producción se está perfeccionando, ofrecen modelos cada vez más complejos para estudiar el desarrollo embrionario y las enfermedades humanas, además de proporcionar potentes herramientas para los tratamientos personalizados. No obstante, todavía están lejos de generar órganos completamente funcionales, debido en parte a la dificultad que supone incorporar ciertos elementos esenciales, como un sistema circulatorio que sostenga su total desarrollo. Dentro de cada célula madre hay un órgano latente. Aunque los biólogos lo saben desde hace generaciones, hace poco que han aprendido con qué facilidad puede despertarse ese potencial en los cultivos celulares. En la actualidad, investigadores de todo el mundo convierten células madre en conjuntos tridimensionales organizados, u «organoides», que imitan la estructura y la función de órganos tan diversos como el colon o el cerebro. «La capacidad que tienen estas células, tras cientos de millones de años de evolución, para construir estructuras de orden superior es increíble», afirma Hans Clevers, del Instituto Hubrecht de los Países Bajos y una autoridad en este campo.

Muchos investigadores refieren que descubrieron esa capacidad por casualidad. Así, Madeline Lancaster obtuvo organoides cerebrales por un accidente afortunado, mientras cultivaba células madre neurales de ratón durante su trabajo posdoctoral en el laboratorio de Jürgen Knoblich, en el Instituto de Biología Molecular de Austria. «Nos habían sobrado unos reactivos que sirven para que las células se adhieran a la placa, pero tal vez se habían estropeado porque las células no se adherían», comenta Lancaster. «En lugar de ello, formaron unas estructuras esféricas tridimensionales muy interesantes.» Cuando transfirió esas esferas a un sustrato sólido, dieron lugar a estructuras corticales sencillas sin apenas más intervención.

Si bien esas formaciones primitivas constituyen solo un punto de partida, los investigadores se están esforzando para que la producción de organoides sea más robusta, reproducible y representativa de los tejidos vivos. Su trabajo está dando buenos frutos y los primeros estudios han dejado patente la utilidad de los organoides como herramientas para la biología del desarrollo, la investigación de enfermedades y la medicina regenerativa. Todo ello ha motivó que la revista Nature Methods eligiera los organoides como la técnica del año 2017.

Uno de los descubrimientos más notables de esta publicación ha sido la obtención de minirriñones con circulación sanguínea. Una vez generados los organoides, a fin de facilitar su vascularización, los implantaron en la membrana coroalantoidea de embriones de pollo el día dieciséis de su desarrollo. Este tejido, que es la parte fetal de la placenta, es rico en vasos sanguíneos. El tercer día observaron que los organoides, que se encontraban dentro del huevo, habían desarrollado células vasculares endoteliales y la sangre del embrión circulaba hasta el interior del organoide.

Actualmente, la generación artificial de riñones que puedan trasplantarse es todavía un objetivo lejano. No obstante, estos organoides presentan unas características morfológicas y funcionales tan cercanas a las de un riñón humano que podrían servir como modelo para estudiar la disfunción renal.

Los datos que recoge esta publicación representan un avance importante tanto en la investigación sobre el desarrollo y las enfermedades como en el campo de la medicina regenerativa, y presenta una novedosa metodología aplicable a otros tejidos biológicos.

Marta Consuegra Fernández

Referencia: «Fine tuning the extracellular environment accelerates the derivation of kidney organoids from human pluripotent stem cells». Elena Garreta et al. en Nature Materials, publicado en línea, febrero de 2019.

El último órgano con todas las funciones obtenido en el laboratorio.

Cuando se trata de fabricar un intestino, los primeros centímetros son los más arduos, sobre todo en la placa de Petri. Científicos del Centro Médico del Hospital Infantil de Cincinnati han logrado este hito: hace poco comunicaban en Nature Medicine que habían conseguido producir un segmento de intestino, provisto de nervios, músculos y todo lo demás, a partir de una única estirpe de células madre humanas. En el futuro este tejido podría servir para el estudio de las enfermedades, entre otras aplicaciones.

En 2011, investigadores del mismo centro anunciaron que habían logrado cultivar tejido intestinal, pero desprovisto de células nerviosas y, por tanto, incapaz de contraerse y generar el movimiento ondulante que impulsa el alimento a lo largo del colon. Esta vez, el equipo ha cultivado neuronas aparte y después las ha combinado con otro lote de células madre previamente estimuladas para que se convirtieran en músculo y epitelio.

Los investigadores colocaron dicha matriz, formada por colágeno de tipo I, un sustrato adhesivo y una mezcla de proteínas gelatinosas conocida como Matrigel, en una suerte de plataforma, o microchip, que permitía irrigar el organoide con los fluidos necesarios para su formación y mantenimiento. Asimismo, mediante láser, modelaron la matriz para crear pequeñas cavidades similares a las criptas presentes en el intestino delgado.

Tras la siembra, las células recubrieron por completo la superficie de la matriz en un corto período de tiempo. Además, los científicos observaron la formación de un tejido epitelial compacto, así como de las llamadas uniones estrechas (conjuntos de proteínas responsables de sellar el espacio entre las células). De forma interesante, la circulación de fluido cada doce horas permitió eliminar las células muertas acumuladas, que contribuyen a la degradación de los organoides al cabo de 10 días de su formación, y prolongar la supervivencia de los intestinos artificiales más allá de los 30 días.

Los investigadores también demostraron que los miniórganos compartían muchas características con el tejido real, como la producción de moco o la presencia de todos los tipos celulares intestinales, además de algunas células especializadas que normalmente no se hallan en los organoides. Asimismo, los intestinos artificiales mostraron una notable capacidad de regeneración tras sufrir daños por radiación o exposición a compuestos tóxicos.

Por último, Lutolf y sus colaboradores infectaron los minórganos con el protozoo Cryptosporidium parvum. Este parásito provoca una grave diarrea que puede resultar mortal tanto en adultos inmunodeprimidos como en infantes. Los organoides permitieron a los autores estudiar el modo en que las células infectadas activan la respuesta inflamatoria de defensa contra el patógeno, hecho que validó su uso como modelo para el desarrollo de terapias efectivas.

Marta Pulido Salgado

Referencia: «Homeostatic mini-intestines through scaffold-guided organoid morphogenesis», de M. Nikolaev et al., en Nature, publicado el 16 de septiembre de 2020.

Se ha desarrollado un protocolo para cultivar in vitro estructuras que se asemejan al cuerpo gástrico, la parte principal del estómago.

Durante el desarrollo embrionario, el estómago humano forma dos regiones anatómicas diferenciadas: el cuerpo gástrico y el antro gástrico. Aunque cada región sigue una ruta distinta durante el desarrollo, las señales bioquímicas que controlan ambas rutas no están del todo claras. En un reciente artículo publicado en Nature, Kyle W. McCracken, de la División de Biología del Desarrollo, en el Centro Médico del Hospital Pediátrico de Cincinnati, y sus colaboradores describen paso a paso una técnica que logra que las células madre embrionarias, que tienen la capacidad de originar casi cualquier órgano adulto, adquieran las características funcionales y estructurales del cuerpo gástrico. Los autores reproducen in vitro numerosos aspectos del desarrollo del estómago humano y aportan conocimientos básicos sobre las bases moleculares de la formación del cuerpo gástrico.

El cuerpo gástrico constituye la mayor parte del estómago y se caracteriza por presentar glándulas que albergan las células principales, productoras de enzimas digestivas, y abundantes células parietales, productoras de ácido. El antro gástrico, por el contrario, contiene sobre todo células que producen moco y células endocrinas que segregan hormonas.

En tiempo reciente se han desarrollado técnicas in vitro para cultivar organoides (agrupamientos tridimensionales de células que reflejan las características estructurales y la diversidad celular de los órganos) del cuerpo gástrico y del antro gástrico humanos. Los organoides humanos permiten llevar a cabo experimentos que son difíciles o imposibles de realizar en animales modelo. Gracias a ellos es posible estudiar características biológicas específicas de los humanos, o incluso exclusivas de determinados individuos.

Obtención de los organoides

El grupo que ha llevado a cabo el estudio actual ya había cultivado con anterioridad organoides del antro gástrico a partir de células madre embrionarias. Pero, hasta ahora, los organoides del cuerpo gástrico se habían generado directamente a partir de células adultas de estómago. Estas últimas ya «saben» que son células gástricas y automáticamente adoptan las características del cuerpo gástrico. Por lo tanto, no pueden utilizarse como modelos del desarrollo embrionario del estómago.

A partir de las células de tres capas de embriones en desarrollo, se obtienen miniestómagos con glándulas y células nerviosas.

La réplica de estómago cultivada en el laboratorio incluye músculo (rojo), neuronas (verde) que controlan la contracción del tejido estomacal y tejido (blanco) que contiene glándulas secretoras de ácido. [Alexandra Eicher]

Los científicos han creado un miniestómago complejo, con nervios que coordinan la contracción muscular y glándulas productoras de ácido, lo que hace albergar la esperanza de que estos organoides puedan utilizarse algún día para reparar aparatos digestivos dañados.

Muchos organoides estomacales están formados únicamente por células epiteliales, la base del tejido que recubre las cavidades corporales. Ahora, James Wells, del Hospital Infantil de Cincinnati (Ohio), y sus colaboradores han cultivado un organoide estomacal a partir de una combinación de tres tipos de células presentes en los embriones en desarrollo: células epiteliales, de la cresta neural entérica y mesenquimales.

Ello ha motivado la búsqueda de nuevas formas de llevar a cabo experimentos de neurociencia.

Una alternativa contempla el cultivo de una parte del cerebro en desarrollo en una placa de laboratorio. Es muy probable que estos organoides proporcionen información que no puede obtenerse a partir de estudios realizados con ratones; ya se están usando en investigaciones sobre el virus del Zika.

Todo lo que nos hace humanos reside en el interior de los 1,4 kilos de tejido amarillento que componen nuestro cerebro. Es aquí donde se forjan nuestros pensamientos, donde nacen los sentimientos de amor u odio y donde surgen las ideas más creativas o más perversas de la humanidad. Esta estructura con forma de nuez también es el órgano más complejo que ha creado la naturaleza. El cerebro alberga unos ochenta y seis mil millones de neuronas que tienen que formarse en el momento preciso, migrar al lugar correcto y conectarse del modo adecuado, si queremos sobrevivir y prosperar.

Conocer exactamente cómo se desarrolla y funciona el cerebro humano constituye el desafío más grande de la biología moderna. Casi todo lo que hemos aprendido sobre este órgano desde el nacimiento de la neurociencia, hace más de cien años, es el resultado de los experimentos llevados a cabo con animales, a menudo ratones o ratas. Los científicos podían justificar esta estrategia porque los ratones y los humanos poseemos una misma arquitectura cerebral: contamos con numerosos tipos análogos de neuronas y recurrimos a las mismas regiones cerebrales para desarrollar procesos mentales comunes. Pero los humanos y los roedores diferimos en un aspecto crucial. Mientras que el cerebro del ratón tiene una superficie lisa, el nuestro se halla muy plegado.

Para los legos, esa desigualdad podría parecer trivial. Pero los neurobiólogos creen que el plegamiento supone una diferencia enorme para el funcionamiento del cerebro humano. Permite colocar muchas más neuronas dentro de un mismo volumen y, además, constituye una característica distintiva de todos los animales «inteligentes», como los monos, los gatos, los perros y las ballenas. Los biólogos evolutivos han demostrado que el plegamiento surgió a partir de otra diferencia entre los ratones y las personas: en muchas regiones del cerebro las neuronas se originan a partir de un conjunto específico de células precursoras que en los ratones son muy escasas.

Tales diferencias pueden explicar por qué numerosas mutaciones genéticas habituales que en los humanos provocan trastornos neurológicos graves resultan inocuas en los ratones cuando los científicos las introducen en ellos para estudiar los mecanismos de las enfermedades humanas. Si las mutaciones afectan al desarrollo o al mantenimiento de la arquitectura del cerebro humano o a la función de los tipos de células que solo posee nuestra especie, entonces su estudio en ratones estará condenado al fracaso. De hecho, las características únicas de nuestro cerebro tal vez sean una de las causas por las que al investigar con roedores aún no hayamos encontrado la cura para trastornos mentales como la esquizofrenia, la epilepsia o el autismo.

El reconocimiento de las diferencias entre el cerebro de ratón y el humano ha estimulado la búsqueda de formas más informativas de llevar a cabo los experimentos de neurociencia. Recientemente, mi laboratorio ha dado con una estrategia interesante: cultivar en una diminuta placa de laboratorio la región más grande del cerebro en desarrollo. Estas estructuras cerebrales, denominadas organoides, o minicerebros, proporcionan un modelo del cerebro humano que debería aportar información que no puede obtenerse de los experimentos con ratones. En ellos es posible estudiar lo que sucede cuando se los expone, por ejemplo, al virus del Zika, que puede alterar el desarrollo cerebral en los fetos de las mujeres infectadas; o lo que ocurre cuando un organoide se modifica genéticamente para que imite a un cerebro afectado por una enfermedad neurológica de interés.

El lugar donde sucedió todo no fue una cocina medieval para preparar pócimas, sino un laboratorio de alta tecnología. Los científicos tampoco desarrollaron un homúnculo, sino una especie de «minicerebro» o, mejor dicho, numerosos pequeños organoides cerebrales que se asemejan al órgano cerebral humano. O, dicho de otro modo, unos sistemas celulares generados de manera artificial.

Con un tamaño que apenas alcanza el de un guisante (su diámetro no supera los 4 milímetros), se cultivan en un frasco lleno de líquido nutritivo rojizo. Como material de partida, los científicos utilizan células madre pluripotenciales de origen humano, entre otros materiales. Estas se encuentran en un estado casi embrionario y pueden dar lugar a casi cualquier tipo de célula, incluso neuronas.

En el seno materno, una pelota de células idénticas se desarrolla en una amplia diversidad de tipos celulares que terminan formando estructuras muy ordenadas, que originarán el conjunto de órganos del cuerpo humano. El proceso cumple un guión biológico interno que dirige cada pliegue y arruga del tejido para que adquiera de manera exacta las formas y dimensiones adecuadas.

Los investigadores que están familiarizados con esa transformación de elementos sencillos en un sistema complejo no dejan de maravillarse ante el desarrollo embrionario. Siempre soñaron con replicar las fases tempranas del mismo en el banco de laboratorio, con un doble fin: desentrañar el proceso biológico y convertir ese conocimiento en métodos para reparar y reemplazar tejidos dañados. Su momento puede haber llegado. Gracias a los recientes descubrimientos sobre los mecanismos del desarrollo podríamos portar a la mesa del quirófano, de aquí a diez años y para su trasplante, órganos desarrollados fuera del cuerpo [véase «Retos de la medicina regenerativa», por M. J. Barrero y J. C. Izpisúa Belmonte; Investigación y Ciencia, noviembre de 2012].

Mi optimismo ante semejante posibilidad se apoya en la investigación reciente realizada en mi laboratorio sobre células madre, que se diversifican en otros tipos celulares. Hemos demostrado que las células madre, incluso cuando crecen en cultivo, se muestran capacitadas para dar lugar a una retina, estructura fundamental del ojo que traduce la luz procedente del mundo exterior en señales eléctricas y químicas que se transmiten al resto del cerebro. En otro trabajo, acometido con mis colaboradores, cultivamos tejido cortical y parte de la glándula pituitaria. En esos experimentos, hemos aprovechado el conocimiento cada vez mayor acerca de los sistemas de señalización innatos del propio cuerpo para «convencer» a una capa plana de células inconexas de que formasen una estructura perfilada y tridimensional. Sirviéndose de las señales químicas que les proporcionamos, las células madre asumieron la construcción de su propia retina. Este resultado alimenta la esperanza de que un tejido retiniano producido de ese modo pueda ayudar en terapia de trastornos oculares, como la degeneración macular.

Flotantes

Cuando iniciamos los primeros ensayos de cultivo de una retina, buscábamos respuestas a las cuestiones básicas sobre la formación de la misma. Sabíamos que la retina emergía del diencéfalo, porción del cerebro embrionario. Durante etapas tempranas del desarrollo embrionario, un segmento del diencéfalo se extiende y da lugar a la vesícula óptica, una estructura parecida a un globo. Posteriormente, la vesícula se pliega hacia dentro y adquiere la forma del cáliz óptico, tejido que continúa transformándose para dar lugar a la retina.

Desde hacía más de un siglo se venía debatiendo el mecanismo preciso subyacente bajo la génesis del cáliz óptico, una controversia que todavía persiste entre quienes estudian el desarrollo del cerebro. En el centro del debate, el papel que desempeñan las estructuras vecinas, a saber, el cristalino y la córnea. Para algunos autores, el cristalino empuja físicamente a la retina obligándola a plegarse hacia el interior; otros sugieren que el cáliz óptico podría formarse sin la ayuda de ninguno de los tejidos cercanos del cristalino.

Esto se logra a partir de procesos de reprogramación genética de células adultas, en los cuales se utiliza la transferencia de genes exógenos.

Anteriormente, la producción de copas o vesículas ópticas a partir de células madre pluripotentes se enfocaba en generar la retina pura. En consecuencia, hasta el momento las copas ópticas y otras estructuras retinianas tridimensionales no habían logrado integrarse funcionalmente en los organoides cerebrales o mini-cerebros. Aquí radica el gran avance del nuevo estudio, que hará posible profundizar en el análisis de las interacciones entre el cerebro y el sistema visual.

Casi como ojos desarrollados

Los investigadores generaron para su estudio un total de 314 organoides cerebrales, de los cuales el 72% formaron copas ópticas: esto demuestra que el método es reproducible y eficiente. Las estructuras contenían diversos tipos de células de la retina, conformando redes neuronales con actividad eléctrica y capaces de responder a la luz.

Estos organoides con copas ópticas también desarrollaron lentes, tejido corneal y conectividad retiniana con regiones cerebrales, un aspecto que nunca antes se había constatado en un sistema in vitro. No es un tema menor, ya que en el cerebro de los mamíferos las fibras nerviosas de las células ganglionares presentes en la retina se extienden para establecer conexiones con sus objetivos cerebrales, integrándose así con el resto del sistema nervioso.

Los organoides o mini-cerebros formaron copas ópticas al pasar 30 días de su creación a partir de células madre pluripotentes inducidas. Las vesículas ópticas maduraron como estructuras visibles en alrededor de 50 días, generándose espontáneamente en forma bilateral y simétrica desde la parte frontal de la estructura que imita al cerebro humano.

Tiempos similares

El proceso es similar al que se observa en el desarrollo de la cabeza de un embrión humano, pero no solamente en cuanto a las estructuras visibles o la composición celular, sino también en función de los tiempos de crecimiento: los plazos temporales son paralelos a los registrados en el desarrollo de la retina en el embrión, cuando el proceso sucede en forma natural.

La potencialidad científica de estos organoides cerebrales capaces de desarrollar estructuras ópticas similares a «ojos» es prácticamente infinita. Además de explorar las relaciones entre el cerebro y los mecanismos de la visión, permitirán estudiar patologías propias de la retina o probar fármacos y otras estrategias terapéuticas que se orienten a solucionar enfermedades visuales.

Fuente: epe.es

Para llevar a cabo sus investigaciones y experimentos usaron tanto células humanas como de ratones. En ambas hallaron patrones similares con una diferencia: “Las células corticales humanas siempre superaron a las células corticales de roedor con matices en las características de juego”, dijeron en el reporte científico. Con ello también confirman que las células humanas son superiores a las de roedores.

“Utilizando ese sistema de ‘DishBrain’, hemos demostrado que una sola capa de neuronas corticales ‘in vitro’ puede auto organizarse y mostrar un comportamiento inteligente y sensible cuando se encarna en un mundo de juego simulado”.

Los avances fueron positivos, sin embargo, aseguraron que no se quedarán conformes con ellos ya que en el futuro probarán este sistema con otro tipo de células neuronales o estructuras biológicas más complejas”.

Los “minicerebros” o "cerebros ciborg" son una colección de entre 800.000 y un millón de células cerebrales humanas vivas. Estas se colocan en una matriz de microelectrodos encargados de analizar la actividad neuronal.

Los “minicerebros” fueron entrenados con una versión simplificada de “Pong” sin adversario. Una señal a la derecha o a la izquierda indicaba donde se encontraba la pelota y las neuronas de las células cerebrales enviaban señales para mover la paleta.

Brett Kagan dijo: “A menudo nos referimos a ellos como viviendo en Matrix. Cuando están en el juego, creen que son el pádel”.

Eso es algo realmente asombroso que la biología puede hacer”.

Los investigadores de Cortical Labs esperan usar los descubrimientos para desarrollar tecnología utilizando neuronas biológicas vivas integradas con la computación de silicio tradicional.

Según la publicación DishBrain demuestra que una capa de neuronas corticales “sembradas” en una caja de petri pueden autoorganizarse y mostrar un comportamiento inteligente, sensible y que resuelve problemas con rapidez.

Con el éxito de este experimento, en el cual también se pusieron a prueba células cerebrales de roedores, los científicos australianos se han puesto como nuevo objetivo dar un paso más y utilizar neuronas más complejas para crear nuevos sistemas que permitan avanzar al mundo de la ciencia y la tecnología.

Cabe mencionar que, el experimento en el que se utilizó materia orgánica de ratones también mostró gran respuesta a estímulos creados por los científicos, sin embargo, las células humanas ganaron la carrera al solucionar más rápido los problemas.

Fuente: unotv.com

Como si se tratara de una novela de ciencia ficción, se registró el primer nacimiento de unos robots llamados "XENOBOTS" en Estados Unidos, los cuales fueron hechos con células de rana.

Los xenobots son bio robots milimétricos que pudieron replicarse a partir de ellos mismos. Los investigadores de las universidades de Vermont, Tufts y Harvard señalaron que en el 2020 los primeros en su tipo fueron ensamblados desde células de rana.

Dichos organismos fueron diseñados en computadora y ensamblados a mano; pueden nadar en una placa de petri, encontrar células individuales y reunir cientos de ellas, informó la Universidad de Vermont a finales de noviembre pasado.

Estos robots que pueden tener “hijos” tienen forma de Pac-Man y mantiene dichas células dentro de su “boca”, además son capaces de ensamblar en ella “bebés” que se ven y mueven de la misma forma que ellos. Días después de su “gestación” nacen los nuevos xenobots, los cuales pueden salir y construir copias de sí mismos una y otra vez.