Análisis de imagen de un “gastruloide” humano mostrando el patrón "anteroposterior". El verde es la parte posterior similar al extremo de la cola de un embrión, el magenta es parte anterior similar al desarrollo de células cardíacas, el gris marca el ADN. Crédito: Naomi Moris
Modelo de embrión humano creado a partir de células madre humanas
11 de junio de 2020 | Historia original de la Universidad de Cambridge
Científicos de la Universidad de Cambridge, en colaboración con el Instituto Hubrecht en los Países Bajos, han desarrollado un nuevo modelo para estudiar una etapa temprana del desarrollo humano, utilizando células madre embrionarias humanas. El modelo se asemeja a algunos elementos clave de un embrión de alrededor de 18-21 días de edad y permite a los investigadores observar los procesos subyacentes a la formación del plan del cuerpo humano nunca observado directamente. Comprender estos procesos tiene potencial para revelar las causas de los defectos y enfermedades congénitas humanas, y para desarrollar pruebas para estos casos en mujeres embarazadas.
El plan corporal de un organismo surge a través de un proceso llamado “gastrulación”. Durante este proceso, se forman tres capas de células distintas en el embrión que más tarde darán lugar a todos los sistemas principales del cuerpo: el ectodermo del que derivará el sistema nervioso, mesodermo, los músculos, y endodermo el tracto digestivo.
La gastrulación se conoce a menudo como el período de “caja negra” del desarrollo humano, porque las restricciones legales impiden el cultivo de embriones humanos en el laboratorio más allá del día 14, cuando comienza el proceso. Este límite fue establecido para sortear la etapa en la que el embrión puede formar un gemelo.
Muchos defectos congénitos se originan durante este período de “caja negra”, debido a causas como el alcohol, ciertos medicamentos, productos químicos e infecciones. Una mejor comprensión de la gastrulación humana también permitiría arrojar luz sobre muchos problemas médicos, como la infertilidad, el aborto espontáneo y los trastornos genéticos.
“Nuestro modelo produce parte del plano de un humano”, dijo el profesor Alfonso Martínez-Arias, del Departamento de Genética de la Universidad de Cambridge, quien dirigió el estudio. “Es emocionante ser testigo de los procesos del desarrollo que hasta ahora estaban ocultos a la vista y al estudio”.
Publicado en la revista Nature, el informe describe un método de uso de células madre embrionarias humanas para generar un conjunto tridimensional de células, llamados gastruloides, que se diferencian en tres capas organizadas de una manera semejante al plan del desarrollo temprano del cuerpo humano.
Para construir gastruloides en el laboratorio, se colocaron números definidos de células madre embrionarias humanas en pequeñas placas, en las que formaron agregados apretados. Después del tratamiento con un conjunto de moléculas señalizadoras, se observó que los gastruloides se alargaron a lo largo de un eje de cabeza a cola, conocido como el eje anteroposterior, girando los genes en patrones específicos a lo largo de este eje, y reflejando los elementos de un plan corporal de mamíferos.
Los organismos modelo, incluidos los de ratones y peces cebra, han permitido previamente a los científicos obtener información sobre la gastrulación humana. Sin embargo, estos modelos pueden comportarse de manera diferente a los embriones humanos cuando las células comienzan a diferenciarse. Los modelos animales pueden responder de manera diferente a ciertos medicamentos: el medicamento talidomida, por ejemplo, pasó los ensayos clínicos después de las pruebas en ratones, pero cuando se empleó en humanos, provocó defectos de nacimiento graves. Por esta razón es importante desarrollar mejores modelos de desarrollo humano.
Los gastruloides carecen del potencial de convertirse en un embrión completamente formado. No tienen células cerebrales, ni ninguno de los tejidos necesarios para la implantación en el útero. Esto significa que nunca serían capaces de progresar más allá de las primeras etapas de desarrollo, y por lo tanto se ajustan a las normas éticas actuales.
Al examinar qué genes se expresan en estos gastruloides humanos a las 72 horas de desarrollo, los investigadores encontraron una clara firma del evento que da lugar a estructuras corporales importantes como los músculos torácicos, hueso y cartílago, pero no desarrollan células cerebrales.
Los investigadores juzgaron la equivalencia de los gastruloides con la edad embrionaria humana, comparándolos con la Colección Carnegie de Embriología. Esta colección oficial contiene un continuo de embriones humanos, incluyendo el crecimiento diario durante las primeras ocho semanas. Sugieren que los gastruloides se asemejan parcialmente a embriones humanos de 18-21 días de edad.
“Este es un nuevo sistema modelo enormemente emocionante, que nos permitirá revelar y sondear por primera vez los procesos del desarrollo embrionario humano temprano en el laboratorio”, dijo la Dra. Naomi Moris en el Departamento de Genética de la Universidad de Cambridge, y primera autora del informe. “Nuestro sistema es un primer paso hacia la modelización del surgimiento del plan del cuerpo humano, y podría resultar útil para estudiar lo que sucede cuando las cosas van mal, como en los defectos de nacimiento”.
Referencia: Moris, N., Anlas, K., Brink, S. C., Alemany, A., Schröder, J., Ghimire, S., . .. Arias, A. M. (2020). An in vitro model of early anteroposterior organization during human development. Nature. doi:10.1038/s41586-020-2383-9
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