La creación de un modelo híbrido humano-animal supera las limitaciones de los actuales organoides y servirá para desbloquear el estudio sobre la parálisis cerebral y la demencia, y hallar posibles tratamientos, según los investigadores.
El equipo de Sergiu Pașca, de la Universidad de Stanford, dio un gran salto en la investigación con organoides cerebrales al implantarlos en animales vivos. Los investigadores crearon un modelo de ratón al que trasplantaron 4 millones de neuronas humanas que crecieron en su corteza y se extendieron con éxito hasta la médula espinal. Para su sorpresa, los animales no solo se desarrollaron conexiones funcionales, sino que aparecieron tipos neuronales raros como las neuronas de von Economo, que hasta hace poco se creían exclusivamente humanas.
En un trabajo que se publica este miércoles en la revista Nature, Pașca describe la creación de estos ratones diseñados para que más del 90% de su corteza cerebral sea de origen humano como un paso decisivo para desbloquear la investigación en psiquiatría. Pero previene contra interpretaciones erróneas y advierte de que no se trata de super-ratones.
“Estos ratones no tienen ninguna hipercapacidad; no hemos encontrado que estos animales tengan un mejor rendimiento en ninguna tarea específica”, explica. El objetivo es crear una tecnología que permitirá investigar en vivo los orígenes del autismo, la parálisis cerebral o la demencia frontotemporal. “Hemos construido un nuevo modelo que nos permite capturar aspectos de la función del cerebro humano de una manera que antes no era posible”, señala.
Organoides en animales vivos
Pașca trabaja desde hace más de una década en la creación de organoides cerebrales, que son cultivos de laboratorio con tejidos de nuestro encéfalo que permiten estudiar su desarrollo y diferentes enfermedades. A partir de células madre obtenidas de la piel humana, los científicos pueden construir “minicerebros” que replican mutaciones genéticas específicas, observar las neuronas y diseñar tratamientos. “Las células que implantamos llevan el material genético de la persona de la que derivan, lo que nos permite estudiar los efectos posteriores de la enfermedad en las células y redes cerebrales”, explica el investigador.
Hace alrededor de una década, este científico de origen rumano introdujo un nuevo modelo denominado “ensembloide”, que elevaba el nivel de complejidad, pero seguían existiendo muchas limitaciones, porque no crecen lo suficiente ni reciben las entradas ni salidas sensoriales y motoras que son tan importantes para el cerebro humano en desarrollo. “No podíamos estudiar el comportamiento humano complejo en una placa de cultivo”, asegura.
Añadimos alrededor de 4 millones de células humanas. La mitad del volumen del cerebro es corteza, y el 90% de ese volumen cortical faltante está cubierto por células humanas
Sergiu Pașca
— Investigador de la Universidad de Stanford y autor principal
En 2022, el equipo de Pașca probó por primera vez a injertar estos tejidos en animales para superar estas dificultades. El investigador sembró regiones corticales de ratas con tejido cerebral de pacientes jóvenes con una condición genética rara pero devastadora llamada síndrome de Timothy, lo que les permitió identificar el defecto molecular del trastorno y encontrar un fármaco candidato para tratarlo, que está a punto de ser probado en un ensayo clínico.
Pero incluso en estos experimento se encontraron dificultades, como que las neuronas de rata se desarrollaban mucho más rápido que las humanas. Por ese motivo se decidieron a diseñar genéticamente animales que nacen sin su propia corteza cerebral a los que llamaron “ratones apaliales” y que dejan sitio a las neuronas humanas para desarrollarse.
Un injerto de neuronas humanas
En los experimentos que describen ahora en Nature, los investigadores colocaron quirúrgicamente organoides que contenían alrededor de 100.000 células cada uno en las cavidades cerebrales agrandadas de animales apaliales de dos días de vida. El tejido humano sobrevivió y prosperó en los cerebros de los ratones con corteza mermada y, tres meses después del procedimiento quirúrgico, más del 90% por volumen del tejido cortical en los cerebros de los ratones era humano.
“Las células humanas se proyectan a lo largo de todo el sistema nervioso”, explica el científico en un encuentro con periodistas. “Las imágenes muestran muchos haces que salen del injerto, proyectándose principalmente de arriba hacia abajo hasta la médula espinal. Las células son eléctricamente activas y muestran ondas de actividad eléctrica que viajan por todas las células corticales humanas en el animal”.
Tres meses después del procedimiento quirúrgico, más del 90% por volumen del tejido cortical en los cerebros de los ratones era humano
A estos ratones los llamaron “xenocorticales” (del griego xeno-, que significa “extranjero” o “extraño”,) porque tienen un tejido cortical que no es de ratón y contiene millones de neuronas humanas. “El cerebro del ratón tiene alrededor de 70 millones de células, con 14 millones en la corteza y el hipocampo”, explica Pașca. “En los animales apaliales, el 98% de esas 14 millones de células no se forman, y añadimos alrededor de 4 millones de células humanas. En términos de volumen, la mitad del volumen del cerebro es corteza, y el 90% de ese volumen cortical faltante está cubierto por células humanas”.
Experimentos con parálisis y demencia
Durante sus pruebas con estos nuevos tejidos cerebrales híbridos, los autores confirmaron la vulnerabilidad singular de las neuronas humanas a la falta de oxígeno perinatal, lo que conecta con las dificultades motoras observadas en la parálisis cerebral infantil. Los investigadores sometieron a los ratones a cinco horas con niveles reducidos de oxígeno vieron que solo se produjo un daño severo en el tejido de origen humano, por lo que este modelo podría ser plataforma para estudiar en vivo la parálisis cerebral infantil y evaluar posibles estrategias farmacológicas.
Mapa de las vías estimadas de fibras nerviosas en el cerebro de un ratón xenocortical.
Por otro lado, el hallazgo de neuronas de von Economo (VEN), abre una vía para estudiar la demencia frontotemporal. Este tipo de neurona gigante y alargada solo se había visto hasta ahora en cerebros autopsiados y resultaba imposible de cultivar en placas de laboratorio. “Fueron descritas hace más de un siglo y al principio se pensó que eran específicas de los humanos”, señala el investigador. “Son neuronas gigantescas que se sitúan en partes de la corteza responsables de la interacción social y la cognición”. Al lograr que estas células maduren dentro del ratón xenocortical, los investigadores abren la vía para derivar células de pacientes afectados, estudiar los fallos de su red biológica y probar fármacos candidatos.
Todavía no se puede afirmar que las neuronas humanas sean necesarias o suficientes para producir conductas concretas del animal
Iván Fernández Vega
— Especialista en organoides de la Universidad de Oviedo
Por supuesto, el estudio despertó dudas éticas, sobre hasta qué punto es legítimo hacer estos experimentos y qué implicaciones tiene poner neuronas humanas en animales vivos. “Hemos tomado medidas extraordinarias en términos de supervisión ética durante los últimos años”, asegura Pașca. “La aplicación del sistema será para un número de condiciones específicas. El trasplante en primates, como los macacos, es mucho más problemático y no esta justificado. Cada aplicación debe ponerse en el contexto de la pregunta específica que se quiere responder, con una supervisión ética adecuada”.
El estudio para afecciones específicas como la demencia frontotemporal o la parálisis cerebral con estos modelos está justificado, a juicio de los autores, debido a los posibles beneficios para los pacientes. “Comprender los trastornos del cerebro es extremadamente difícil, y estas condiciones tienen consecuencias devastadoras, ya que casi una de cada cinco personas sufre una condición neuropsiquiátrica”, señala el investigador. “Necesitamos mejores modelos que incluyan células humanas para comprender estas afecciones”.
Nuevas fronteras éticas
Liset M. de la Prida, directora del Centro de Neurociencias Cajal (CNC) del CSIC, cree que este modelo puede ser una herramienta muy potente para estudiar el desarrollo y las enfermedades del cerebro humano en un entorno vivo. “Pero evitaría interpretarlo como un ‘cerebro humano en un ratón’: son circuitos derivados de células humanas, incompletos y en desarrollo”, advierte. “Primero generan un ratón apalial, eliminando genéticamente gran parte de las neuronas glutamatérgicas de la corteza y el hipocampo, y después ocupan esa cavidad con organoides corticales humanos”.
Sin duda este tipo de preparaciones adelanta nuevas fronteras éticas para la investigación biomédica
Liset M. de la Prida
— Directora del Centro de Neurociencias Cajal (CNC) del CSIC
Este tipo de xenotransplantes, recuerda la neurocientífica, ya se hacían para estudiar enfermedades neurológicas, pero había problemas técnicos porque el tejido humano tenía que competir por espacio y conectividad con un circuito cortical de ratón ya existente. “Aquí le proporcionan literalmente un territorio en el que desarrollarse y pueden usarlo como plataforma para estudiar mecanismos o testar fármacos”, explica a elDiario.es. “Pero sin duda este tipo de preparaciones adelanta nuevas fronteras éticas para la investigación biomédica”.
Iván Fernández Vega, especialista en organoides de la Universidad de Oviedo, cree que es una evolución lógica de los trabajos previos de este grupo. A pesar del éxito, considera que persisten algunas limitaciones importantes. “El injerto sigue siendo inmaduro: no presenta una laminación cortical canónica”, señala al SMC. Y, en su opinión, la creación de un modelo híbrido humano-animal como este “podría contribuir a reducir el número de animales si permite obtener más información por experimento, pero eso todavía deberá demostrarse”.
Tim Viney, profesor asociado de Neurociencia de la Universidad de Oxford, recibe el resultado con cautela y cree que las células de los organoides no se organizan en circuitos cuando se inyectan en los ratones, sino que se encuentran libres en solución. “Cabe señalar que los organoides en sí mismos no representan las complejidades del cerebro humano”, explica a SMC. “La ventaja de los organoides radica en el bagaje genético del donante y en la posibilidad de manipular determinados genes para observar cómo las mutaciones pueden afectar a vías celulares concretas. Pero no son cerebros en una placa de cultivo, ya que la conectividad es muy artificial”, sentencia.
