AComo neurobiólogo del desarrollo de la Universidad de Harvard, Paola Arlotta Pasa la mayor parte de su tiempo pensando en cómo se desarrolla el cerebro, cómo funciona y qué sale mal en el contexto de una enfermedad neurológica. El uso de organoides del cerebro humano como modelo para el desarrollo del cerebro y la investigación de enfermedades ha cambiado las reglas del juego, brindando a Arlotta una visión novedosa de las patologías cerebrales que se forman en el útero.
¿Por qué son importantes los modelos centrados en el ser humano para comprender el cerebro?
La corteza cerebral humana ha evolucionado hasta ser bastante diferente de la de otros animales, como los roedores, que los investigadores suelen utilizar para comprender el desarrollo normal y la patología del cerebro. Muchos medicamentos que deberían apuntar al cerebro humano y tratar enfermedades humanas fracasan una vez que llegan a los ensayos clínicos. Esto se debe en parte a que fueron desarrollados utilizando modelos animales y el cerebro del ratón no es el cerebro humano. El cerebro humano tiene especializaciones que lo hacen único, incluida la forma en que las células y los circuitos responden a la terapéutica o las perturbaciones.
Después de años de perfeccionar los primeros protocolos de cultivo de organoides, Arlotta y su equipo ahora pueden cultivar organoides cerebrales complejos, incluidos quimeroides, a partir de múltiples células de donantes humanos.
Paola Arlotta
Los estudios genéticos de enfermedades neuropsiquiátricas y del neurodesarrollo complejas han demostrado que la mayoría de los pacientes con estas enfermedades tienen mutaciones en más de un gen. Existen pequeñas diferencias en el genoma que aumentan la probabilidad de desarrollo de enfermedades. Se trata de enfermedades del genoma humano, por lo que los investigadores no pueden modelarlas en células que portan el genoma del ratón. Necesitamos el cerebro humano, pero las muestras raras de cerebro postmortem o pequeñas muestras de biopsia recolectadas durante la cirugía no son modelos experimentales porque no pueden desarrollar más cerebro. Estas muestras solo muestran una instantánea en el tiempo de la región cerebral específica de la que provienen en pacientes individuales.
¿Cómo ha evolucionado la investigación del cerebro en los últimos años?
El campo organoide del cerebro humano comenzó hace poco más de 10 años, cuando investigadores como Yoshiki Sasasi en la Facultad de Medicina de la Universidad de Kyoto y Jürgen Knoblich y Madeline Lancaster en el Instituto de Biotecnología Molecular de la Academia de Ciencias de Austria produjo los primeros ejemplos de tejido similar al cerebro a partir de células madre utilizando señales en cultivos celulares en 3D que impulsan el desarrollo neuronal.1,2 A partir de ahí, muchos grupos, incluido el nuestro, han descubierto cómo extender ese proceso desde un tejido simple hasta cultivos que pueden crecer durante largos períodos de tiempo. Esto es lo que se necesita para crear una estructura compleja con diferentes tipos de células, redes y sinapsis que se activen correctamente. Es como ver una película sobre el desarrollo desde una célula madre hasta una réplica del cerebro en forma de organoide. Paralelamente a este increíble avance se produjo la revolución de la genómica unicelular. Ahora los científicos pueden secuenciar y comprender la huella molecular de cada célula de cualquier tejido. Estos desarrollos nos dieron la oportunidad de estudiar tejidos que no entendíamos muy bien.
¿Cómo se comparan los organoides cerebrales con los cerebros reales?
El desarrollo del cerebro es como una sinfonía, donde muchos instrumentos tienen que tocar juntos en armonía.
–Paola Arlotta, Universidad de Harvard
Cada vez que se crea un embrión, pasa por los mismos pasos de desarrollo para crear características similares. La composición celular de mi cerebro será similar a la tuya. Al principio, este no era el caso de los organoides; No podíamos predecir cómo resultarían. Para que los organoides humanos fueran modelos experimentales para el desarrollo del cerebro, teníamos que asegurarnos de que el proceso para formarlos en cualquier laboratorio fuera reproducible y que cada organoide cerebral pasara por el mismo proceso de desarrollo para producir algo que fuera idéntico en composición celular.
Ahora tenemos modelos organoides en los que podemos confiar y que están cerca del cerebro endógeno. Tuvimos que descubrir las condiciones culturales que controlarían la autoorganización celular, la diferenciación y todos los pasos intermedios. Con resolución unicelular, comparamos los datos del atlas celular de muestras de cerebro humano fetal en desarrollo con nuestro organoides y descubrió que eran similares.3
Recientemente utilizó organoides cerebrales para estudiar el riesgo genético del trastorno del espectro autista. ¿Cómo surgió ese proyecto?
Este fue uno de los trabajos más difíciles que jamás hayamos realizado en términos de dificultad técnica y analítica. Un equipo de investigadores postdoctorales en mi laboratorio decidió trabajar juntos para descubrir algo desconocido sobre riesgo genético del trastorno del espectro autista.4 Comenzamos con tres mutaciones únicas raras en diferentes genes que se asocian con el riesgo de autismo, pero nadie sabía a qué procesos del cerebro afectan. Cultivamos organoides con el mismo trasfondo genético a partir de células madre con o sin diferentes mutaciones. Luego utilizamos RNA-seq de células individuales y un ensayo de cromatina accesible a transposasa con secuenciación (ATAC-Seq) para observar la expresión génica en tipos de células específicos y el momento de la producción celular.
¿Qué aprendiste sobre el desarrollo del cerebro y el trastorno del espectro autista a partir de este modelo?
Surgieron algunas cosas sorprendentes que nos dejaron desconcertados. Había algunos tipos de células o poblaciones de neuronas dentro de los organoides que se vieron afectados constantemente por las tres mutaciones. Además, parecía que el momento en el que se formaban las neuronas estaba fuera de lugar. Hubo un período de tiempo temprano durante el desarrollo de organoides en el que los mutantes produjeron las células demasiado rápido o demasiado lento.
El desarrollo del cerebro es como una sinfonía, donde muchos instrumentos tienen que tocar juntos en armonía. Si hay un instrumento que suena más rápido o más lento que los demás, la música que producen es diferente. Durante el desarrollo, si hay una célula que se forma demasiado pronto o demasiado tarde, el cerebro funcionará de manera diferente y es posible que los circuitos de las redes neuronales no funcionen correctamente. Sin los organoides, nunca hubiéramos podido captar esta información sobre los primeros eventos del desarrollo que ocurren en el segundo trimestre del embarazo o incluso antes.
Es probable que muchas enfermedades del desarrollo neurológico tengan problemas con sus redes neuronales. Comprender cómo funciona un circuito y qué propiedades del circuito pueden estar alteradas en caso de una enfermedad puede ofrecer una oportunidad para desarrollar fármacos que corrijan esas diferencias. Los organoides humanos se están convirtiendo ahora en plataformas celulares en las que podemos detectar fármacos en función de un defecto asociado con una enfermedad.
¿Hacia dónde se dirige la investigación sobre organoides cerebrales en el futuro?
Los organoides ahora permiten investigar muchos cerebros de muchas personas diferentes. No sólo mi cerebro es diferente al de un ratón, sino que mi cerebro también es diferente al tuyo. Entonces, cuando cultivo un organoide a partir de la célula madre de un individuo, solo tengo el genoma de ese individuo. La realidad es que somos genéticamente distintos y respondemos a las drogas de diferentes maneras.
Recientemente produjimos un organoide humano al que llamamos quimeroide, que generamos a partir de células madre de diferentes personas.5 Al tratar a los quimeroides con drogas o crear perturbaciones, podemos comparar las respuestas de ciertas células del cerebro de una persona al de otra. Este tipo de datos biológicos puede alimentar modelos generativos para predecir cómo reaccionarán las células de un individuo a un fármaco, por ejemplo, incluso antes de participar en un ensayo clínico. En un mundo de inteligencia artificial y modelos, estos datos pueden mejorar nuestra comprensión de las enfermedades y el desarrollo de fármacos. Eso es lo emocionante del futuro, y todo nació de esta capacidad de entrenar una célula madre para que se convierta en tejido cerebral y luego mejorar ese sistema a lo largo de los años.
Esta entrevista ha sido condensada y editada para mayor claridad.
Referencias
- Kadoshima T, et al. Autoorganización de la polaridad axial, el patrón de capas de adentro hacia afuera y la dinámica progenitora específica de la especie en la neocorteza derivada de células ES humanas. PNAS. 2013;110(50):20284-20289.
- Lancaster MA, et al. Los organoides cerebrales modelan el desarrollo del cerebro humano y la microcefalia.. Naturaleza. 2013;501(7467):373-379.
- Uzquiano A, et al. La adquisición adecuada de la identidad de la clase celular en organoides permite la definición de programas de especificación del destino de la corteza cerebral humana. Celúla. 2022;185(20):3770-3788.e27.
- Pigoni M, et al. Los defectos específicos del tipo celular en los organoides corticales mutantes PTEN convergen en una actividad anormal del circuito. Hum Mol Genet. 2023;32(18):2773-2786.
- Bolaños NA, et al. Los quimeroides corticales humanos de donantes múltiples revelan susceptibilidad individual a desencadenantes neurotóxicos. BioRxiv Publicado en línea el 6 de octubre de 2023:2023.10.05.558331.