Foto: Este organoide está derivado de células madre y contiene diferentes regiones del cerebro. En verde se muestran las neuronas, y en rosa/rojo las células madre neuronales.

Científicos del Instituto de Biotecnología Molecular de Viena, en Austria, han cultivado tejidos del cerebro humano en tres dimensiones a partir de células madre. Los tejidos forman unas estructuras discretas que también pueden observarse en el cerebro en desarrollo.

Los investigadores de Viena encontraron que las células cerebrales inmaduras derivadas de células madre se auto-organizan en tejidos parecidos al cerebro bajo ciertas condiciones de cultivo adecuadas. Los 'organoides cerebrales', como los llaman los investigadores, crecieron hasta unos cuatro milímetros de tamaño y pudieron sobrevivir hasta 10 meses. Durante décadas, los científicos han sido capaces de tomar células de animales, entre ellos seres humanos, y cultivarlas en una placa de Petri, aunque en su mayor parte esto se ha llevado a cabo en dos dimensiones, puesto que las células son cultivadas sobre una delgada capa en placas de petri. Sin embargo, durante los últimos años, los investigadores han contado con técnicas avanzadas de cultivo de tejidos, y con ellas han logrado cultivar tejido cerebral en tres dimensiones en el laboratorio. El nuevo informe del equipo austriaco demuestra que permitir a las células cerebrales inmaduras auto-organizarse ha dado como resultado algunos de los tejidos cerebrales cultivados en laboratorio de mayor tamaño y más complejos hasta ahora, con distintas subregiones y señales de neuronas funcionales.

El trabajo, publicado en la revista Nature el miércoles, es el último avance dentro de un campo centrado en la creación de cultivos de tejidos más realistas de neuronas y células relacionadas para el estudio de la función cerebral, las enfermedades y el modo de repararlas. Con un modelo de sistema de cultivo celular que imitase la arquitectura natural del cerebro, los investigadores podrían ver cómo se producen ciertas enfermedades y probar la toxicidad y efectividad potencial de medicamentos en un entorno más natural, señala Anja Kunze, neuroingeniero en la Universidad de California en Los Ángeles (EE.UU.), que ha desarrollado cultivos tridimensionales de tejido cerebral para estudiar la enfermedad de Alzheimer.

Los investigadores austriacos hicieron que las neuronas cultivadas asumieran una organización tridimensional con materiales de andamiaje celular. El equipo también permitió que los progenitores neuronales controlaran su propio destino. "Las células madre tienen una sorprendente capacidad de auto-organizarse", señaló la autora principal del estudio, Madeline Lancaster, en una conferencia de prensa el martes. Recientemente, otros grupos también logrado tener éxito permitiendo que las células progenitoras se auto-organicen, y se han creado informes sobre estructuras primitivas de ojos y brotes de hígado, entre otras.

El tejido cerebral ha formado regiones discretas que pueden encontrarse en el desarrollo temprano del cerebro humano, entre ellas regiones que se asemejan a partes de la corteza, la retina, y las estructuras que producen el líquido cefalorraquídeo. En la rueda de prensa, el autor sénior, Juergen Knoblich, señaló que si bien se han dado numerosos intentos para crear un modelo de tejido cerebral humano en un cultivo con células humanas, el complejo órgano humano ha sido difícil de replicar. Knoblich asegura que el protocerebro se asemeja a la etapa de desarrollo cerebral de un feto de nueve semanas.

Aunque el grupo de Knoblich se centra en cuestiones de desarrollo, otros grupos están desarrollando cultivos tridimensionales de tejido cerebral con la esperanza de poder tratar enfermedades degenerativas o lesiones cerebrales. Un grupo del Instituto de Tecnología de Georgia (EE.UU.) ha desarrollado un cultivo neuronal tridimensional para estudiar lesiones cerebrales, con el objetivo de identificar biomarcadores que pudieran utilizarse para el diagnóstico de lesiones cerebrales y posibles dianas farmacológicas para medicamentos que puedan reparar neuronas lesionadas. "Es importante imitar la arquitectura celular del cerebro tanto como sea posible puesto que la respuesta mecánica de ese tejido es muy dependiente de su estructura en 3D", señala la ingeniera biomédica Michelle LaPlaca desde el Instituto Tecnológico de Georgia. Afirma que los insultos físicos en las células en un cultivo tridimensional generan tensión en las conexiones entre las células y en el material de apoyo conocido como matriz extracelular.

Otros investigadores están desarrollando cultivos tridimensionales de tejido cerebral para abordar cuestiones fundamentales sobre el funcionamiento del cerebro. Utkan Demirci, ingeniero biomédico de la Escuela Médica de Harvard y nombrado 'Innovador menor de 35 años' en 2006 por MIT Technology Review, informó a comienzos de este año que el uso de técnicas de microfabricación había permitido a su grupo construir cultivos de neuronas en tres dimensiones. El laboratorio de Demirci está utilizando grabaciones eléctricas y otros estudios funcionales para demostrar que existe actividad sináptica entre las neuronas. "Cuando cultivas estas células en tres dimensiones, los brazos de las neuronas puede extenderse como lo hacen en los tejidos nativos y construir un circuito", afirma. "Una vez que mostremos que son funcionales, podremos realizar una gran cantidad de estudios interesantes, como por ejemplo estudios de mapeo cerebral".

Después de confirmar el éxito de sus métodos con células madre de ratón, Knoblich, Lancaster y sus colegas utilizaron los métodos para estudiar un trastorno genético de desarrollo humano que causa microcefalia, una afección por la que el tamaño del cerebro se reduce notablemente y está asociado con graves discapacidades cognitivas. El equipo trabajó con un neurólogo pediatra para obtener células de la piel de un paciente con microcefalia. A partir de estas células, el equipo creó células madre pluripotentes inducidas. Después, los investigadores reprogramaron genéticamente estas células en neuronas primitivas y, con unos pocos pasos, las cultivaron en un organoide cerebral para recabar pistas sobre el origen de la enfermedad.

En el futuro, el equipo querría utilizar el sistema de tejido cerebral para estudiar la esquizofrenia y los trastornos de autismo, afecciones cognitivas que generalmente se diagnostican en adolescentes o adultos, pero que se cree que comienzan en el desarrollo temprano del cerebro.