Descubre una ventana al autismo
Un 'cerebro' cultivado en laboratorio abre la puerta a entender el autismo
Órganos en miniatura desarrollados en laboratorio proporcionan una ventana a la enfermedad
Los trastornos del espectro autista (TEA) son discapacidades del desarrollo causadas por diferencias en el cerebro. Aunque todavía no se conocen las causas un estudio reciente de la Universidad de Utah Health ha descubierto, a través de organoides similares al cerebro cultivados a partir de células de un individuo con autismo, que las neuronas hiperactivas en su cerebro pueden contribuir al trastorno.
«Solíamos pensar que sería demasiado difícil modelar la organización de las células en el cerebro», dice Alex Shcheglovitov, PhD, profesor asistente de neurobiología en U of U Health. «Pero estos organoides se autoorganizan. En unos pocos meses, vemos capas de células que recuerdan a la corteza cerebral en el cerebro humano».
La investigación, que describe los organoides y su potencial para comprender las enfermedades neuronales, se ha publicado en Nature Communications con Shcheglovitov como autor principal y Yueqi Wang, PhD, ex estudiante graduado en su laboratorio, como autor principal. Llevaron a cabo la investigación con la científica postdoctoral Simone Chiola, PhD, y otros colaboradores de la Universidad de Utah, la Universidad de Harvard, la Universidad de Milán y la Universidad Estatal de Montana.
Investigando el autismo
Tener la capacidad de modelar aspectos del cerebro de esta manera les da a los científicos una idea del funcionamiento interno de un órgano vivo al que de otro modo sería casi imposible acceder. Y dado que los órganos en miniatura crecen en laboratorio, pueden probarse experimentalmente de maneras que un cerebro no puede.
El equipo de Shcheglovitov utilizó un proceso innovador para investigar los efectos de una anomalía genética asociada con el trastorno del espectro autista y el desarrollo del cerebro humano. Descubrieron que los organoides diseñados para tener niveles más bajos del gen, llamados SHANK3 , tenían características distintas.
Aunque el modelo de organoides de autismo parecía normal, algunas células no funcionaban correctamente:
- Las neuronas eran hiperactivas y se disparaban más a menudo en respuesta a los estímulos.
- Otros signos indicaron que las neuronas pueden no transmitir señales de manera eficiente a otras neuronas,
- Se interrumpieron las vías moleculares específicas que hacen que las células se adhieran entre sí.
Estos hallazgos están ayudando a descubrir las causas celulares y moleculares de los síntomas asociados con el autismo, dicen los autores. También demuestran que los organoides cultivados en laboratorio serán valiosos para obtener una mejor comprensión del cerebro, cómo se desarrolla y qué falla durante la enfermedad.
«Un objetivo es usar organoides cerebrales para probar medicamentos u otras intervenciones para revertir o tratar trastornos», dice Jan Kubanek, PhD, coautor del estudio y profesor asistente de ingeniería biomédica en la U.
Versión mejorada del modelo
Los científicos han buscado durante mucho tiempo modelos adecuados para el cerebro humano. Los organoides cultivados en laboratorio no son nuevos, pero las versiones anteriores no se desarrollaron de manera reproducible, lo que dificulta la interpretación de los experimentos.
Para crear un modelo mejorado, el equipo de Shcheglovitov se basó en cómo se desarrolla normalmente el cerebro. Los investigadores impulsaron a las células madre humanas a convertirse en células neuroepiteliales, un tipo de célula madre específico que forma estructuras autoorganizadas, llamadas rosetas neurales, en un plato. En el transcurso de los meses, estas estructuras se fusionaron en esferas y aumentaron de tamaño y complejidad a un ritmo similar al del cerebro en desarrollo en un feto en crecimiento.
Después de cinco meses en el laboratorio, los organoides recordaban a «una arruga del cerebro humano»
Después de cinco meses en el laboratorio, los organoides recordaban a «una arruga del cerebro humano» a las 15 a 19 semanas posteriores a la concepción, dice Shcheglovitov. Las estructuras contenían una variedad de tipos de células neuronales y de otro tipo que se encuentran en la corteza cerebral, la capa más externa del cerebro involucrada en el lenguaje, la emoción, el razonamiento y otros procesos mentales de alto nivel.
Al igual que un embrión humano, los organoides se autoorganizaron de manera predecible, formando redes neuronales que pulsaban con ritmos eléctricos oscilatorios y generaban diversas señales eléctricas características de una variedad de diferentes tipos de células cerebrales maduras.
Estos organoides tenían patrones de actividad electrofisiológica que se parecían a la actividad real en el cerebro»
«Estos organoides tenían patrones de actividad electrofisiológica que se parecían a la actividad real en el cerebro. No esperaba eso», dice Kubanek. «Este nuevo enfoque modela la mayoría de los principales tipos de células y de formas funcionalmente significativas».
Shcheglovitov explica que estos organoides, que reflejan de forma más fiable estructuras intrincadas en la corteza, permitirán a los científicos estudiar cómo surgen tipos específicos de células en el cerebro y trabajan juntas para realizar funciones más complejas.
«Estamos comenzando a comprender cómo las estructuras neuronales complejas en el cerebro humano surgen de progenitores simples», dice Wang. «Y podemos medir los fenotipos relacionados con enfermedades utilizando organoides 3D que se derivan de células madre que contienen mutaciones genéticas».
Agrega que al usar los organoides, los investigadores podrán investigar mejor lo que sucede en las primeras etapas de las afecciones neurológicas, antes de que se desarrollen los síntomas.
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