tél barrera hematoencefálica (BBB) regula el paso de sustancias entre el torrente sanguíneo y el cerebro, permitiendo la entrada de nutrientes esenciales y ciertos medicamentos, mientras bloquea las moléculas dañinas.1 Interrupciones en esta función crítica puede provocar enfermedades graves como cánceres cerebrales y trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Alzheimer.2 A pesar de su importante papel fisiológico en la salud y la enfermedad, los científicos luchan por estudiar esta membrana protectora, en parte desde el BBB de animales de laboratorio no imita completamente la BBB humana.3
“Si queremos abordar la disfunción de la BBB, tenemos que tener un buen modelo de BBB humana”, dijo Ziyuan Guoneurobiólogo y científico de células madre del Centro Médico del Hospital Infantil de Cincinnati.
Para cerrar esta brecha, Guo y su equipo desarrollaron organoides cerebrales con una BBB funcional que imita más de cerca el órgano en humanos que los modelos de minicerebro anteriores.4 Su artículo, publicado en Célula madre celulardescribe un sistema que puede ayudar a los investigadores a estudiar la BBB e investigar las enfermedades asociadas a ella.
“Todo el enfoque de tener organoides con una BHE funcional es novedoso”, dijo Gad Vatinefisiólogo y biólogo celular de la Universidad Ben-Gurion del Negev, que no participó en el estudio.
El diseño de organoides BBB planteó un desafío técnico: hacer crecer los dos componentes (el cerebro y los vasos sanguíneos) que surgen de diferentes capas germinales durante el desarrollo, en el mismo plato. Para superar este obstáculo, el equipo de Guo recurrió a métodos establecidos para cultivar organoides cerebrales y organoides de vasos sanguíneos utilizando células madre pluripotentes humanas. Después de hacer crecer los cultivos por separado, los combinaron para formar ensamblajes y observaron que los vasos sanguíneos crecieron en el tejido cerebral en el transcurso de tres semanas. Las estructuras separadas se fusionaron gradualmente para formar una única esfera que contenía una red de capilares.
Investigadores combinados organoides de vasos sanguíneos (verde, derecha) con organoides cerebrales (verde oscuro, izquierda) para crear un sistema in vitro para modelar la barrera hematoencefálica humana.
Lan Dao, Ziyuan Guo
Los análisis de inmunofluorescencia de los ensamblados revelaron la expresión de moléculas como transportadores de glucosa y proteínas de unión estrecha que se encuentran en las células endoteliales que recubren los vasos sanguíneos en la BBB. Por el contrario, los organoides de los vasos sanguíneos no expresaron estas moléculas antes de integrarse en los organoides cerebrales. Para evaluar la integridad de la barrera de los ensamblados, Guo y su equipo midieron la impedancia eléctrica a través de las células y observaron una alta integridad, lo que indica que las estructuras imitan la función de barrera del órgano.
Para identificar las poblaciones de células en los ensamblados, los investigadores recurrieron a la secuenciación de ARN. Este enfoque capturó células endoteliales que recubren los capilares, las neuronas y los astrocitos de soporte, y otros tipos de células asociadas con una BHE humana funcional. A diferencia de los métodos anteriores que sólo capturaban células endoteliales y neuronas, el enfoque actual produjo casi todos los tipos de células de la unidad neurovascular, señaló Guo. Añadió: “Hasta ahora, somos los más cercanos al BBB humano real”.
Una vez que establecieron que los ensamblados se parecían a la BBB humana, los investigadores exploraron si podían usar el sistema para modelar enfermedades neurológicas. Aislaron células madre de dos pacientes con malformaciones cavernosas cerebrales (CCM), un trastorno genético caracterizado por una integridad BBB comprometida, donde grupos de vasos sanguíneos de paredes delgadas pueden romperse y causar un accidente cerebrovascular.2
Utilizando estas células madre derivadas de pacientes, generaron organoides cerebrales y de vasos sanguíneos. Cuando se fusionaron para formar ensambloides, las estructuras replicaron características clave de CCM, incluida la ruptura de la BBB. Los ensamblados derivados de pacientes también mostraron características similares a las observadas en tejido de biopsia enfermo de pacientes con CCM..
Los resultados fueron emocionantes, dijo Guo. Y añadió: “Este es un hito realmente importante en este campo”.
A continuación, el equipo planea utilizar los ensamblados para modelar otras afecciones neurológicas, como el trastorno del espectro autista y la enfermedad de Alzheimer.
Generar organoides cerebrales y de vasos sanguíneos y fusionarlos “es un gran avance del artículo”, dijo Vatine. Sin embargo, los investigadores no probaron si las sustancias pueden pasar la BBB, añadió.
“[The assembloids] todavía faltan las tecnologías [to mimic blood flow] eso nos permitirá utilizarlos para predecir qué fármacos entrarán en el cerebro”, dijo. Esto es particularmente importante ya que las pruebas preliminares de medicamentos se basan en modelos animales preclínicos, que no capturan completamente lo que sucede en los humanos, explicó.
Guo estuvo de acuerdo en que los ensamblados necesitan modificaciones adicionales. “Tenemos que tener un modelo mejorado con la circulación del flujo sanguíneo, que es el enfoque más preciso para medir el consumo de drogas”. [permeability]”, dijo. “Pero en términos de interacción neurovascular [between brain cells and blood vessel cells]imitamos auténticamente al BBB humano real”.