Cultivados a partir de células madre pluripotentes inducidas, los “miBrains” integran los principales tipos de células cerebrales y modelan las estructuras cerebrales, las interacciones, actividades celulares e características patológicas.
Una nueva plataforma 3D de tejido cerebral humano, desarrollada por investigadores del MIT es la primera en integrar los principales tipos de células cerebrales, incluidas neuronas, células gliales (células que protegen las neuronas) y la vasculatura (sistema que suministra al cerebro de sangre y oxígeno al cerebro), en un cultivo.
Madurados a través de las células madre pluripotentes inducidas de donantes individuales, estos modelos, denominados como Cerebros Multicelulares Integrados (miBrains por sus siglas en inglés), replican características y funciones clave del tejido cerebral humano, son fácilmente personalizables mediante edición genética y pueden producirse en cantidades que permiten la investigación a gran escala.
A pesar de que cada unidad es más pequeña que una moneda, los miBrains podrían valer una fortuna para investigadores y farmacéuticas, que necesitan modelos de laboratorio más complejos para entender a profundidad la biología cerebral y el tratamiento de enfermedades.
“Los miBrain es el único sistema in vitro que contiene los seis tipos principales de células presentes en el cerebro humano”, afirma Li-Huei Tsai, Maestra Picower, directora de The Picower Institute for Learning and Memory y autora principal del estudio de acceso abierto que describe miBrains, publicado el 17 de octubre en las Proceedings of the National Academy of Sciences
“En su primera aplicación, miBrains permitió descubrir cómo uno de los marcadores genéticos más comunes de la enfermedad de Alzheimer altera las interacciones celulares produciendo la patología”, agregó.
Los coautores principales de Tsai son Robert Langer, profesor del Instituto David H. Koch (1962), y Joel Blanchard, profesor asociado de la Icahn School of Medicine at Mt. Sinai in New York, y ex investigador postdoctoral del Laboratorio Tsai. El estudio está dirigido por Alice Stanton, exinvestigadora postdoctoral en los laboratorios Langer y Tsai y actualmente profesora adjunta en la Harvard Medical School and Massachusetts General Hospital, y Adele Bubnys, exinvestigadora postdoctoral en el laboratorio Tsai y actual científica sénior en Arbor Biotechnologies.
Beneficios de dos tipos de modelos
Cuanto más fielmente un modelo recapitule la complejidad del cerebro, más adecuado será para extrapolar el funcionamiento de la biología humana y cómo las posibles terapias podrían afectar a los pacientes. En el cerebro, las neuronas interactúan entre ellas y con varias células auxiliares, todas ellas agrupadas en un ambiente de tejidos tridimensional que incluye vasos sanguíneos y otros componentes. Todas estas son interacciones necesarias para la salud, y cualquiera de ellas puede contribuir en una enfermedad.
Un cultivo simple de uno o algunos tipos de células pueden ser creados en grandes cantidades con relativa facilidad y rapidez, pero no pueden comunicar a los investigadores la multitud de interacciones esenciales para comprender el funcionamiento o enfermedades del cerebro. Los modelos animales encarnan la complejidad del cerebro, pero su mantenimiento puede ser difícil y caro, los resultados son lentos y, las diferencias con los modelos humanos son suficientes como para generar resultados ocasionalmente divergentes.
Los miBrains combinan ventajas de cada tipo de modelo, conservando gran parte de la accesibilidad y velocidad de las líneas celulares cultivadas en laboratorio, a la vez que permiten a los investigadores obtener resultados que reflejan con mayor precisión la compleja biología del tejido cerebral humano. Además, se derivan de pacientes individuales, lo que los hace personalizados según el genoma de cada individuo. En el modelo, los seis tipos de células se autoensamblan en unidades funcionales, que incluyen vasos sanguíneos, defensas inmunológicas y conducción de señales nerviosas, entre otras características. Los investigadores aseguran que los miBrains también posean una barrera hematoencefálica capaz de restringir cuales sustancias pueden entrar en el cerebro, incluyendo la mayoría de los medicamentos tradicionales.
“Los miBrain son un logro científico muy emocionante”, afirma Langer. “Las recientes tendencias hacia la disminución del uso de modelos animales en el desarrollo de medicinas podrían convertir sistemas como este en herramientas cada vez más importantes para el descubrimiento y desarrollo de nuevos objetivos farmacológicos para humanos”.
Dos combinaciones ideales para modelos cerebrales funcionales
Diseñar un modelo que integrara tantos tipos celulares presentó desafíos que requirieron muchos años para superarlos. De los más cruciales fue identificar un sustrato capaz de proveer de estructura física a las células y apoyar su viabilidad. El equipo de investigación se inspiró en el entorno que rodea a las células en el tejido natural, la matriz extracelular (MEC). La “neuromatriz” basada en hidrogel de miBrain imita la MEC cerebral con una combinación personalizada de polisacáridos, proteoglicanos y membrana basal que proporciona una base para los principales tipos celulares del cerebro, a la vez que promueve el desarrollo de neuronas funcionales.
Una segunda mezcla también resultaría crucial: la proporción de células que darían lugar a unidades neurovasculares funcionales. Las proporciones reales de los tipos celulares han sido objeto de debate durante las últimas décadas, e incluso las metodologías más avanzadas solo ofrecen una orientación aproximada, por ejemplo, entre el 45 % y el 75 % para los oligodendrocitos (células que metabolizan las neuronas) de todas las células o entre el 19 % y el 40 % para los astrocitos (células con funciones metabólicas, sinápticas, sanguíneas, etc).
Los investigadores desarrollaron los seis tipos celulares a partir de células madre pluripotentes inducidas donadas por pacientes, verificando que cada tipo celular cultivado recreaba fielmente las células cerebrales naturales. Posteriormente, el equipo realizó iteraciones experimentales hasta encontrar un equilibrio de tipos celulares que dio como resultado unidades neurovasculares funcionales y correctamente estructuradas. Este laborioso proceso resultó ser una ventaja de miBrains: debido a que los tipos celulares son cultivados por separado, cada uno puede ser editado genéticamente para que el modelo resultante se adapte a la replicación de estados específicos de salud y enfermedad.
“Su diseño altamente modular distingue a miBrain, ofreciendo un control preciso de las entradas celulares, los antecedentes genéticos y sensoriales, características útiles para aplicaciones como el modelado de enfermedades y pruebas de fármacos”, dijo Stanton.
Descubrimiento del Alzheimer con miBrain
Para probar las capacidades de miBrain, los investigadores iniciaron un estudio de la variante genética APOE4, el predictor genético más influyente en el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer. Si bien, es sabido que la célula cerebral de los astrocitos es la principal productora de la proteína APOE, se desconoce el papel de los astrocitos portadores de la variante APOE4 en la patología de la enfermedad.
MiBrain resultó ser ideal para esta tarea por dos razones. En primer lugar, integra los astrocitos con otros tipos de células cerebrales, de modo que se pueden imitar sus interacciones naturales con otras células. En segundo lugar, debido a que la plataforma permitió al equipo integrar los tipos de células individualmente, los astrocitos APOE4 pudieron estudiarse en cultivos donde todos los demás tipos de células portaban APOE3, una variante genética que no aumenta el riesgo de Alzheimer. Esto permitió a los investigadores aislar la contribución de los astrocitos APOE4 a la patología.
En un experimento, los investigadores examinaron astrocitos APOE4 cultivados solos, en comparación con los cultivados en miBrain APOE4. Descubrieron que solo en los miBrains los astrocitos expresaban muchos indicadores de reactividad inmunitaria asociados con la enfermedad de Alzheimer, lo que sugiere que el entorno multicelular contribuye a dicho estado.
Los investigadores también rastrearon las proteínas amiloide (proteínas mal pleadas que contribuyen a diferentes enfermedades) y tau fosforilada (proteína tau modificada útil para la salud cerebral, pero en exceso causa problemas neurodegenerativos), asociadas con el Alzheimer, y observaron que los miBrains APOE4 las acumulaban, mientras que los miBrains APOE3 no, como se esperaba. Sin embargo, en los miBrains APOE3 con astrocitos APOE4, observaron que los miBrains APOE4 aún presentaban acumulación de amiloide y tau.
Posteriormente, el equipo profundizó en cómo las interacciones de los astrocitos APOE4 con otros tipos de células podrían contribuir a la patología de la enfermedad. Estudios previos han implicado la interacción molecular con las células inmunitarias de la microglía cerebral. Cabe destacar que, cuando los investigadores cultivaron miBrains APOE4 sin microglía, su producción de tau fosforilada se redujo significativamente. Cuando los investigadores administraron APOE4 miBrains con medios de cultivo de astrocitos y microglía combinados, la tau fosforilada aumentó, mientras que cuando los administraron con medios de cultivo de astrocitos o microglía únicamente, la producción de tau no aumentó. Por lo tanto, los resultados aportaron nueva evidencia de que la comunicación molecular entre la microglía y los astrocitos es, de hecho, necesaria para la patología de la tau fosforilada.
En el futuro, el equipo de investigación planea añadir nuevas funciones a miBrains para modelar con mayor precisión las características de los cerebros funcionales, como el uso de microfluídica para aumentar el flujo a través de los vasos sanguíneos o métodos de secuenciación de ARN unicelular para mejorar el perfilamiento neuronal.
Los investigadores esperan que miBrains pueda impulsar los descubrimientos de investigación y las modalidades de tratamiento para la enfermedad de Alzheimer y otras enfermedades.
“Dada su sofisticación y modularidad, existen infinitas posibilidades futuras”, afirma Stanton. “Entre ellas, nos gustaría aprovecharlo para obtener nuevos conocimientos sobre los objetivos de la enfermedad, obtener lecturas avanzadas de la eficacia terapéutica y optimizar los vehículos de administración de fármacos”.
“Me siento muy emocionada con la posibilidad de crear miBrains personalizados para cada persona”, añade Tsai. “Esto promete sentar las bases para el desarrollo de la medicina personalizada”.
El estudio recibió financiación de la BT Charitable Foundation, Freedom Toghether Foundation, la Robert A. and Renee E. Belfer Family, Lester A. Gimpelson, Eduardo Eurnekian, Kathleen y Miguel Octavio, David B. Emmes, la Halis Family, el Picower Institute y un donador anónimo.
David Orenstein | Bendta Schroeder | The Picower Institute for Learning and Memory | Koch Institute
Texto original por Massachusetts Institute of Technology en Life Science Network
Traducción: Ian Varela
