Un equipo de investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más destacados a nivel mundial en investigación básica multidisciplinaria en ciencias naturales y exactas, ha realizado un avance significativo en la comprensión del desarrollo embrionario. Este estudio se centra en cómo las células madre se organizan y diferencian para formar los diversos órganos del cuerpo humano.
Desarrollo embrionario y morfógenos
El proceso por el cual las células madre se convierten en órganos específicos es fundamental para el desarrollo humano. En este contexto, los morfógenos juegan un papel crucial, ya que son moléculas que se producen en momentos y lugares específicos dentro del embrión. Estas moléculas actúan como un mapa que guía a las células hacia su destino, permitiendo la formación de estructuras complejas a partir de una masa de células madre inicialmente compactadas.
Innovaciones en la investigación de organoides
En la última década, la biología del desarrollo ha visto un auge en la creación de organoides, que son versiones miniatura de órganos cultivadas en laboratorio. Sin embargo, la mayoría de los investigadores han utilizado placas de Petri uniformes, lo que limitaba la capacidad de cultivar secciones completas de órganos.
Un equipo de la Universidad de Michigan, liderado por el profesor Jianping Fu y el doctor Xufeng Xue, ha desarrollado un sistema innovador que permite la creación de un modelo del sistema nervioso central embrionario, que incluye desde el cerebro hasta la médula espinal, utilizando un chip microfluídico. Este chip imita la dispersión de los morfógenos durante el desarrollo embrionario, lo que abre nuevas posibilidades para investigar tanto la salud como las enfermedades que afectan a los tejidos.
Detalles del estudio y su metodología
La profesora Orly Reiner, del Departamento de Genética Molecular del Instituto Weizmann y participante en el estudio, ha estado investigando los efectos de los morfógenos durante más de 30 años. Ella explica que, en estudios anteriores, se habían utilizado morfógenos, pero estos solo generaban partes del sistema nervioso central, como la médula espinal o el prosencéfalo.
El nuevo sistema permite a los investigadores dirigir el desarrollo de los organoides en casi cualquier dirección deseada. En el chip, hay superficies estrechas adhesivas de 4 milímetros de largo, donde se incrustan los organoides. Estas superficies se cubren con un gel que simula el entorno extracelular, lo que permite que los tejidos se desarrollen en una estructura tridimensional. En un corto período, los organoides se organizan espontáneamente en un tubo hueco.
Después de tres días, a través de un depósito en el extremo del chip, comienzan a agregar y difundir lentamente un tejido más ancho. Los investigadores observaron que los organoides maduraban y se convertían en una variedad de tipos diferentes de estructuras embrionarias, incluyendo el rombencéfalo, mesencéfalo y prosencéfalo. La profesora Reiner señala: “Cuando caracterizamos los nuevos organoides, vimos un orden perfecto a lo largo de toda la longitud, tal como aparece en la etapa embrionaria temprana”.
Desafíos y avances en la emulación del prosencéfalo
Una vez que lograron la organización longitudinal, el equipo enfrentó el desafío de emular el eje ventrodorsal del prosencéfalo. Este proceso es esencial para el funcionamiento adulto del cerebro, ya que genera dos tipos de neuronas: las excitatorias, que estimulan la activación neuronal, y las inhibidoras, que bloquean dicha activación.
La profesora Reiner explica que, en el pasado, habían utilizado placas diferentes para exponer los organoides e intentar unirlos, lo que limitaba su capacidad de generar un sistema nervioso central completo. En este nuevo enfoque, primero crearon un modelo longitudinal, y en el séptimo día, vertieron componentes que se convertirían en el interior del tubo, mientras que el exterior se convertiría en neuronas excitatorias. Utilizaron proteínas codificadas con colores para revelar la identidad de las células producidas, donde el magenta está asociado al mesencéfalo, el verde al rombencéfalo y el rojo al prosencéfalo.
La investigación ha permitido avanzar en la comprensión de los genes implicados en la diferenciación de las poblaciones celulares, lo que contribuye a un mejor entendimiento de las cuestiones relacionadas con el desarrollo del sistema nervioso humano.
Colaboración y contribuciones al estudio
El estudio también contó con la participación de otros investigadores, incluyendo al Dr. Yung Su Kim, Norio Kobayashi, Yue Liu, Jason R. Spence, Robin Zhexuan Yan, Yu-Hwai Tsai, Shiyu Sun, Yi Zheng de la Universidad de Michigan; Rami Yair Tshuva y Alfredo-Isaac Ponce-Arias del Instituto Weizmann; y Prof. Hongjun Song, Guo-Li Ming y Richard O’Laughlin de la Universidad de Pensilvania; así como Azim Surani y Frederick CK Wong de Cambridge.
Este avance en la creación de un sistema nervioso central embrionario en un chip microfluídico representa un paso importante en la investigación del desarrollo embrionario y las enfermedades que afectan al sistema nervioso.
