Imagen de un embrión humano de alrededor de 7 semanas de edad rodeado de placenta. Estudiar el desarrollo cerebral de los seres humanos en las primeras etapas es casi imposible, y por lo tanto los investigadores han producido un modelo desarrollado en el laboratorio para imitar el cerebro humano. Crédito: Dr. Steven O'Connor (Houston, Texas)
Bioingeniería: Modelos microfluídicos ayudan a entender cómo comienza a desarrollarse el cerebro
26 de mayo de 2020 | Historia original de la Universidad de Copenhague
Sabemos mucho sobre el cerebro humano, pero muy poco sobre cómo se forma. En particular, las etapas de la segunda a la séptima semana de desarrollo embrionario han sido hasta ahora territorio prácticamente desconocido para la neurociencia.
Para obtener más información sobre este período en particular, investigadores del Departamento de Neurociencia y del Centro de Biología de Células Madre de la Fundación Novo Nordisk de la Facultad de Salud y Ciencias Médicas han desarrollado un modelo que simula estas primeras etapas del cerebro humano en el laboratorio.
El modelo se basa en células madre embrionarias cultivadas en un sistema microfluídico desarrollado en colaboración con los bioingenieros de la Universidad de Lund, en Suecia.
“Sabemos que, en la etapa embrionaria temprana, el cerebro está expuesto a varias concentraciones de factores de crecimiento que inducen la formación de diferentes regiones cerebrales. Mediante el uso de métodos microfluídicos, podemos -en condiciones extremadamente controladas- recrear el entorno que se encuentra en el embrión temprano”, explica el primer autor del estudio, el profesor asistente Pedro Rifes.
“Cuando se exponen las células madre al entorno controlado, se puede crear un tejido que se asemeja a un cerebro embrionario en una etapa muy temprana, unas 4-5 semanas después de la fecundación del óvulo, una etapa que hasta ahora no había podido ser estudiada”.
El árbol del desarrollo del cerebro humano
Los investigadores utilizarán el nuevo modelo para confeccionar un mapa del desarrollo de las células cerebrales -una especie de “árbol de desarrollo” del cerebro-, aprendiendo así cosas nuevas sobre cómo se forma la enorme complejidad de las diferentes células nerviosas en el cerebro humano durante las primeras etapas embrionarias.
“Por primera vez, tenemos acceso a un tejido que se asemeja al cerebro embrionario temprano, y esto nos permite entrar y analizar lo que sucede con cada célula individual en cada etapa de desarrollo”, afirma la científicalíder del estudio, la profesora asociada Agnete Kirkeby.
La idea es que los neurocientíficos de todo el mundo sean capaces de utilizar este “árbol de desarrollo” del cerebro como una guía para producir diferentes tipos de células nerviosas para la terapia con células madre. Mediante el estudio del desarrollo natural de las células nerviosas, los investigadores podrán acelerar la creación de recetas para producir células nerviosas específicas en el laboratorio.
Una receta para el tratamiento con células madre
Agnete Kirkeby es muy consciente de la importancia de un camino más rápido a los tratamientos con células madre. Junto con colegas de Lund y Cambridge, ha trabajado durante varios años en el desarrollo de una terapia con células madre para la enfermedad de Parkinson. Este proyecto requirió que Kirkeby y sus colegas produjeran un tipo muy específico de células nerviosas, las células nerviosas dopaminérgicas, que son las células que se pierden en la enfermedad de Parkinson.
“Hemos recorrido un largo camino en el proyecto y pronto podremos probar el tratamiento con células madre en humanos por primera vez. Pero nos llevó más de 10 años llegar hasta aquí porque dependíamos de una metodología de ensayo y error para desarrollar las células nerviosas adecuadas a partir de las células madre.”
Con el conocimiento del nuevo modelo, los investigadores esperan ser capaces de acortar considerablemente este proceso en el futuro.
“Si entendemos exactamente cómo se desarrolla el cerebro en las primeras etapas, llegaremos a mejorar nuestra capacidad de guiar a las células madre en la dirección correcta para producir células nerviosas humanas en el laboratorio. Esto nos permitirá desarrollar de forma más rápida y eficiente tratamientos celulares para enfermedades neurológicas como la epilepsia, la enfermedad de Parkinson y ciertos tipos de demencia”, afirmó Agnete Kirkeby.
Nuevas opciones para probar toxinas ambientales
Además de aumentar nuestro conocimiento sobre el desarrollo del cerebro y facilitar el camino a futuros tratamientos con células madre, Agnete Kirkeby cree que el modelo cerebral embrionario puede servir a otros propósitos útiles.
“El modelo puede utilizarse para investigar cómo reaccionan las células cerebrales en las primeras etapas embrionarias a ciertos productos químicos del ambiente en nuestra vida diaria. Hasta ahora, no hemos tenido un buen modelo para probar precisamente esto”.
Este artículo ha sido reeditado para adecuar su longitud y contenido.
Referencia: Rifes, P., Isaksson, M., Rathore, G. S., Aldrin-Kirk, P., Møller, O. K., Barzaghi, G., Lee, J., Egerod, K. L., Rausch, D. M., Parmar, M., Pers, T. H., Laurell, T., & Kirkeby, A. (2020). Modeling neural tube development by differentiation of human embryonic stem cells in a microfluidic WNT gradient. Nature Biotechnology, 1–9. https://doi.org/10.1038/s41587-020-0525-0
