Investigadores crean un modelo avanzado para estudiar el desarrollo cerebral y los trastornos cerebrales

En un estudio publicado en Nature, los investigadores lograron trasplantar fragmentos autoorganizados de tejido cerebral humano cultivado en laboratorio, denominados organoides corticales, a ratones especialmente modificados genéticamente y criados de tal manera que carecían casi por completo de corteza cerebral.

La cavidad resultante, enormemente agrandada, en el cerebro de los ratones demostró ser un entorno propicio. El tejido humano sobrevivió, prosperó, creció y desarrolló conexiones funcionales con el cerebro de los ratones y, más allá, con la médula espinal.

“Estos modelos animales ofrecen una oportunidad única para estudiar cómo se manifiestan las alteraciones asociadas a enfermedades en los circuitos cerebrales humanos dentro de un sistema nervioso intacto”, afirmó Sergiu Pasca, MD, profesor Kenneth T. Norris, Jr. II de Psiquiatría y Ciencias del Comportamiento y miembro del Instituto de Neurociencias Wu Tsai.

Los investigadores se asombraron al encontrar, en estos ratones, un tipo importante de célula nerviosa que no se había observado previamente en cultivos de laboratorio y que solo se había visto en cerebros humanos sometidos a autopsia.

Pasca, directora del Programa de Organogénesis Cerebral de Stanford (Cátedra Bonnie Uytengsu y Familia), investigadora del CZ BioHub y becaria científica de la Institución Hoover en Stanford, es la autora principal del estudio. La coautoría principal la comparten el investigador postdoctoral Konstantin Kaganovsky, PhD; el profesor adjunto de psiquiatría y ciencias del comportamiento Kevin Kelley, MD, PhD; el instructor de neurocirugía Tilo Gschwind, PhD; y el estudiante de medicina Paul Harary.

La carga de los trastornos neurodesarrolladores graves

Según Pasca, la nueva metodología debería acelerar la investigación sobre las causas biológicas subyacentes de la esquizofrenia, la epilepsia, el autismo severo y la parálisis cerebral. «Los neurocientíficos podrán aprender mucho más sobre las causas y los mecanismos de los trastornos del neurodesarrollo y los que se producen durante el embarazo, y probar posibles intervenciones para corregirlos o prevenirlos».

Estas condiciones son extremadamente difíciles de estudiar a nivel molecular y celular porque el cerebro es más complejo que cualquier otro órgano y porque el tejido cerebral humano vivo es casi siempre inaccesible.

Uno de cada 20 adultos estadounidenses padece una enfermedad psiquiátrica grave; las consecuencias médicas, sociales y económicas asociadas son enormes. Más de uno de cada 100 adultos sufre de esquizofrenia, que se cree que es en gran medida resultado de anomalías en los circuitos cerebrales prenatales. Aproximadamente el 1 % de la población mundial sigue siendo epiléptica durante toda la edad adulta.

Autismo

Según Alison Singer, presidenta de la Autism Science Foundation, un grupo de defensa de los pacientes que financia la investigación sobre el autismo, uno de cada 218 niños estadounidenses cumple los criterios de autismo profundo: un estado de discapacidad indiscutible que requiere supervisión las 24 horas del día para garantizar la seguridad, así como asistencia con las actividades de la vida diaria, como vestirse, ir al baño y preparar la comida.

“Los pacientes con autismo profundo presentan discapacidades cognitivas pronunciadas, con coeficientes intelectuales inferiores a 50. Son vulnerables a trastornos del sueño, epilepsia y autolesiones; además, tienen una probabilidad desproporcionadamente alta de exhibir un comportamiento agresivo”, afirmó.

En sus ratones «xenocorticales» generados en laboratorio, los investigadores también pudieron demostrar la singular vulnerabilidad de las células nerviosas cerebrales humanas a la privación de oxígeno, conocida por ser una causa, cuando ocurre durante el embarazo o alrededor del parto, de parálisis cerebral, que afecta a 3 de cada 1.000 estadounidenses y es un factor de riesgo para la epilepsia y el autismo.

“Si bien los modelos animales han sido de gran ayuda, algunas características biológicas parecen ser exclusivamente humanas”, dijo Pasca.

Organoides

Él y sus colegas sortearon esa limitación mediante una serie de extraordinarios avances en el laboratorio. Hace más de una década, describieron la creación de lo que hoy se conoce como organoides: cultivos tridimensionales de laboratorio que se asemejan a regiones específicas del cerebro. Transformaron células de la piel humana en células madre capaces de diferenciarse en la mayoría de los tipos celulares del cuerpo, y luego indujeron cuidadosamente a estas células a formar cúmulos autoorganizados de tejido cerebral cuya arquitectura interna se asemejaba mucho a la de los circuitos de la corteza cerebral.

“Ahora podemos generar una amplia gama de tipos de células cerebrales, presentes en todo el sistema nervioso humano en desarrollo”, dijo Pasca.

Diversos organoides que imitan distintas regiones cerebrales pueden yuxtaponerse para estimular la interacción entre ellos y la interpenetración de sus células nerviosas, o neuronas, formando así circuitos de señalización complejos similares a los del cerebro humano. Estas combinaciones de múltiples organoides fusionados, que Pasca denominó posteriormente asambleoides, podrían conectarse de tres en tres o incluso de cuatro en cuatro para recrear vías en nuestro cuerpo que impulsan el movimiento o la sensación.

Pero existían limitaciones. «No podíamos estudiar el comportamiento humano complejo en una placa de cultivo», afirmó Pasca. Además, la ausencia de irrigación sanguínea, infiltración de células inmunitarias, conexiones con la información sensorial y la actividad motora, así como la incapacidad de algunos tipos de células componentes para madurar completamente, limitaban lo que se podía aprender al analizar organoides o asambleoides en cultivo para estudiar trastornos del neurodesarrollo o procesos cerebrales humanos en general.

¿Podría la integración de organoides humanos en el cerebro de un roedor vivo, especialmente cuando ese cerebro aún se encuentra en una etapa temprana de formación de circuitos, solucionar estas limitaciones?

Del plato al cerebro del roedor

En 2022, Pasca y sus colegas trasplantaron organoides corticales humanos en cerebros de ratas recién nacidas y observaron un desarrollo neuronal mucho mejor que el que se podía lograr en una placa de cultivo. Los organoides humanos implantados, que medían aproximadamente una quinta parte de pulgada de diámetro al ser trasplantados, ocupaban un tercio completo del hemisferio cerebral de la rata seis meses después. A los ocho meses, las neuronas individuales de los organoides humanos en los cerebros de las ratas eran sustancialmente más grandes y presentaban mayor actividad eléctrica que las de los organoides —generados de la misma manera y al mismo tiempo— que permanecieron en una placa de cultivo en lugar de ser trasplantados. Exhibían patrones de ramificación mucho más sofisticados y se integraban con sus neuronas vecinas de la rata para formar circuitos cerebrales funcionales.

“Las células que implantamos portan el material genético de la persona de la que se derivan, ya sea un paciente o un individuo sano, lo que nos permite estudiar los efectos posteriores de la enfermedad en las células y los circuitos cerebrales”, dijo Pasca.

“La idea de poder crear un modelo de organoide con las características genéticas únicas de un individuo y utilizarlo para descubrir qué ha fallado en su cerebro es un paso fundamental hacia la medicina de precisión”, afirmó Singer, presidente de la Fundación para la Ciencia del Autismo.

En ese mismo estudio de 2022, el equipo de Pasca implantó tejido cerebral de pacientes jóvenes con una enfermedad genética rara pero devastadora llamada síndrome de Timothy, caracterizada por autismo severo y una mayor vulnerabilidad a la epilepsia y la esquizofrenia, en las regiones corticales de ratas neonatales. Pasca y sus colegas lograron identificar el defecto molecular del trastorno y, posteriormente, encontraron un fármaco candidato para su tratamiento. Dicho fármaco se encuentra ahora en preparación para entrar en los ensayos de seguridad de fase 1/2.

Aun así, existían limitaciones: por ejemplo, las neuronas de las ratas se desarrollaban mucho más rápido que las neuronas humanas.

“Los dos sistemas de desarrollo paralelos compiten por el terreno”, dijo Pasca.

La aparición de los ratones apaliales

En el nuevo estudio, el equipo de Pasca ideó una forma de eliminar gran parte de esa competencia. Crearon una cepa de ratones de laboratorio modificados genéticamente para que las «células iniciales» que dan origen a la neocorteza, la estructura cerebral más reciente desde el punto de vista evolutivo, y a otras estructuras cerebrales, no puedan formarse.

Para lograrlo, fue necesario dar varios pasos técnicamente complejos. Pero finalmente, el equipo consiguió generar ratones que sobrevivieron en buen estado de salud, a pesar de la ausencia de la mayor parte de su corteza e hipocampo, una estructura cerebral importante para la formación de la memoria.

Al llegar a la edad adulta, los cerebros de los «ratones apaliales» (llamados así porque el tejido cortical faltante se desarrolla a partir de una estructura cerebral prenatal llamada palio) contenían apenas un 2% del contenido cortical equivalente de los ratones comunes, dejando mucho espacio que podría haber sido ocupado por células corticales humanas.

“Nuestros hallazgos sugieren que, cuando se pierden circuitos corticales en una etapa muy temprana del desarrollo, la corteza podría no ser la única responsable de todas las funciones que tradicionalmente se le atribuyen”, afirmó Pasca. “Otras regiones cerebrales podrían compensar parte de la falta de circuitos corticales a medida que el cerebro se desarrolla”.

Si bien a primera vista eran prácticamente indistinguibles de los ratones normales, los ratones apaliales presentaban peculiaridades conductuales menores pero medibles: una marcha ligeramente más cautelosa, que probablemente refleja una coordinación motora fina algo comprometida, y una tendencia a olvidar con mayor facilidad los entornos nuevos que habían encontrado recientemente. Su comportamiento también variaba más entre individuos que el de los ratones de control normales, lo que sugiere que la corteza cerebral desempeña un papel estabilizador en la función cerebral.

Un modelo más completo

Ratones recién nacidos sin fenotipo palial sirvieron como receptores de organoides corticales humanos. Aproximadamente dos meses después del desarrollo de los organoides corticales (derivados de donantes sanos que habían consentido el trasplante de sus células a animales), los investigadores colocaron quirúrgicamente organoides (normalmente más de uno por receptor) que contenían quizás 100.000 células cada uno en las cavidades agrandadas y llenas de líquido del cerebro de animales sin fenotipo palial de dos días de edad.

Una abrumadora mayoría de estas operaciones tuvo éxito. El tejido humano sobrevivió y se desarrolló en los cerebros de ratones con corteza cerebral reducida. Tres meses después de la intervención quirúrgica, más del 90 % del volumen del tejido cortical en los cerebros de los ratones era humano. La integración de neuronas humanas y de ratón en los circuitos neuronales avanzaba a buen ritmo.

Entre tres y seis meses después de la cirugía de trasplante, el desempeño de los ratones xenocorticales en las pruebas de comportamiento fue, en general, similar al de sus congéneres normales de la misma edad.

En un experimento de prueba de concepto que demostraba cómo se pueden utilizar estos ratones para estudiar enfermedades, se expuso a ratones xenocorticales a cinco horas de bajo nivel de oxígeno. Esta exposición causó daños considerables en su tejido cortical de origen humano. Los ratones xenocorticales privados de oxígeno mostraron dificultades para mantener una marcha estable y el equilibrio, de forma similar a lo que se observa en niños con parálisis cerebral. En contraste, los ratones normales y apaliales no se vieron afectados prácticamente.

“Descubrir a qué se debe esta diferencia podría aportar pistas sobre la susceptibilidad neuronal humana a la privación de oxígeno, esclarecer los mecanismos subyacentes a la parálisis cerebral y proporcionar una plataforma para probar posibles estrategias terapéuticas”, dijo Pasca.

Descubierto un tipo de célula cerebral que rara vez se observa

Sorprendentemente, el tejido cerebral humano de los ratones xenocorticales contenía cantidades detectables de lo que los investigadores identificaron como neuronas de von Economo, o VEN. Estas células nerviosas son peculiares en varios aspectos: anteriormente solo se habían observado en tejido cerebral post mortem, no se habían generado previamente en cultivo y no habían aparecido en los experimentos de trasplante anteriores en condiciones más densas en los cerebros de roedores receptores.

Son muy raras, representando aproximadamente una de cada 90 000 neuronas corticales. Originalmente se pensaba que eran exclusivas de los humanos, pero ahora se sabe que están presentes en otros animales con cerebros grandes y altamente sociales, como los grandes simios, los elefantes, los delfines y las ballenas. En los humanos, se sitúan en la corteza frontoinsular y la corteza cingulada anterior, dos regiones cerebrales implicadas en la conciencia social y la toma de decisiones. Sus proyecciones pueden extenderse mucho más allá de estos centros corticales. Son gigantescas —mucho más grandes que la mayoría de las demás neuronas— y tienen una distintiva forma de cigarro.

«Este tipo de célula parece ser particularmente vulnerable en la demencia frontotemporal, un trastorno neurodegenerativo que puede comenzar en la mediana edad», explicó Pasca. «En algunas formas de la enfermedad, estas células se reducen notablemente, y los primeros síntomas pueden incluir cambios en el comportamiento social y la personalidad o dificultades con el lenguaje, a menudo antes de que surjan problemas de memoria importantes».

Las VEN no se pueden crear en cultivos de laboratorio. «Sin embargo, allí estaban, en el tejido humano de ratones xenocorticales. Ahora podemos generar estas células raras a partir de una persona sana y estudiarlas en un animal vivo y en comportamiento para comprender mejor su función. O bien, podemos obtener células de pacientes con demencia frontotemporal —u otras afecciones neurológicas—, transferirlas a estos ratones, analizar en ellos las correlaciones celulares o de circuitos neuronales de la discapacidad conductual y, posteriormente, evaluar posibles tratamientos».

Fuente: Stanford Medicine.