Investigadores ejecutan primeros intentos por mapear el cerebro humano

El cerebro humano es probablemente el órgano más complejo de todo el mundo viviente y ha sido durante mucho tiempo un objeto de fascinación para los investigadores. Sin embargo, estudiar el cerebro, y especialmente los genes y los interruptores moleculares que regulan y dirigen su desarrollo, no es tarea fácil.

Hasta la fecha, los científicos han procedido utilizando modelos animales, principalmente ratones, pero sus hallazgos no se pueden transferir directamente a los humanos. El cerebro de un ratón está estructurado de manera diferente y carece de la superficie surcada típica del cerebro humano. Los cultivos celulares han sido hasta ahora de valor limitado en este campo, ya que las células tienden a extenderse sobre un área grande cuando se cultivan en un plato de cultivo; esto no corresponde a la estructura tridimensional natural del cerebro.

Mapeo de huellas dactilares moleculares

Un grupo de investigadores dirigido por Barbara Treutlein, profesora de ETH en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Biosistemas en Basilea, ha adoptado un nuevo enfoque para estudiar el desarrollo del cerebro humano: están creciendo y utilizando organoides, tejidos tridimensionales de tamaño milimétrico que se pueden cultivar a partir de lo que se conoce como células madre pluripotentes.

Siempre que estas células madre reciban el estímulo adecuado, los investigadores pueden programarlas para que se conviertan en cualquier tipo de célula presente en el cuerpo, incluidas las neuronas. Cuando las células madre se agregan en una pequeña bola de tejido y luego se exponen al estímulo apropiado, incluso pueden autoorganizarse y formar un organoide cerebral tridimensional con una arquitectura de tejido compleja.

En un nuevo estudio recién publicado en Nature, Treutlein y sus colegas ahora han estudiado miles de células individuales dentro de un organoide cerebral en varios puntos en el tiempo y con gran detalle. Su objetivo era caracterizar las células en términos molecular-genéticos: en otras palabras, la totalidad de todas las transcripciones de genes (transcriptoma) como una medida de la expresión génica, pero también la accesibilidad del genoma como una medida de la actividad reguladora. Han logrado representar estos datos como una especie de mapa que muestra la huella molecular de cada célula dentro del organoide.

Sin embargo, este procedimiento genera inmensos conjuntos de datos: cada célula en el organoide tiene 20,000 genes, y cada organoide a su vez consta de muchos miles de células. «Esto da como resultado una matriz gigantesca, y la única forma en que podemos resolverlo es con la ayuda de programas adecuados y aprendizaje automático», explica Jonas Fleck, estudiante de doctorado en el grupo de Treutlein y uno de los coautores principales del estudio.

Para analizar todos estos datos y predecir los mecanismos de regulación génica, los investigadores desarrollaron su propio programa. «Podemos usarlo para generar una red de interacción completa para cada gen individual y predecir lo que sucederá en las células reales cuando ese gen falle», dice Fleck.

Identificación de interruptores genéticos

El objetivo de este estudio fue identificar sistemáticamente aquellos interruptores genéticos que tienen un impacto significativo en el desarrollo de las neuronas en las diferentes regiones de los organoides cerebrales.

Con la ayuda de un sistema CRISPR-Cas9, los investigadores de ETH desactivaron selectivamente un gen en cada célula, en total alrededor de dos docenas de genes simultáneamente en todo el organoide. Esto les permitió descubrir qué papel desempeñaban los genes respectivos en el desarrollo del organoide cerebral.

«Esta técnica se puede utilizar para detectar genes involucrados en la enfermedad. Además, podemos observar el efecto que estos genes tienen en cómo se desarrollan las diferentes células dentro del organoide», explica Sophie Jansen, también estudiante de doctorado en el grupo de Treutlein y segunda coautora principal del estudio.

Comprobación de la formación de patrones en el cerebro anterior

Para probar su teoría, los investigadores eligieron el gen GLI3 como ejemplo. Este gen es el modelo para el factor de transcripción del mismo nombre, una proteína que se acopla a ciertos sitios en el ADN para regular otro gen. Cuando GLI3 se apaga, la maquinaria celular se impide leer este gen y transcribirlo en una molécula de ARN.

En ratones, las mutaciones en el gen GLI3 pueden conducir a malformaciones en el sistema nervioso central. Su papel en el desarrollo neuronal humano era inexplorado anteriormente, pero se sabe que las mutaciones en el gen conducen a enfermedades como la cefalopolisindactilia de Greig y los síndromes de Pallister Hall.

El silenciamiento de este gen GLI3 permitió a los investigadores verificar sus predicciones teóricas y determinar directamente en el cultivo celular cómo la pérdida de este gen afectó el desarrollo posterior del organoide cerebral. «Hemos demostrado por primera vez que el gen GLI3 está involucrado en la formación de patrones de cerebros anteriores en humanos. Esto se había demostrado previamente solo en ratones», dice Treutlein.

Los sistemas modelo reflejan la biología del desarrollo

«Lo emocionante de esta investigación es que le permite usar datos de todo el genoma de tantas células individuales para postular qué roles desempeñan los genes individuales», explica. «Lo que es igualmente emocionante en mi opinión es que estos sistemas modelo hechos en una placa de Petri realmente reflejan la biología del desarrollo tal como la conocemos de los ratones».

Treutlein también encuentra fascinante cómo el medio de cultivo puede dar lugar a tejidos autoorganizados con estructuras comparables a las del cerebro humano, no solo a nivel morfológico sino también (como los investigadores han demostrado en su último estudio) a nivel de regulación génica y formación de patrones. «Los organoides como este son realmente una excelente manera de estudiar la biología del desarrollo humano», señala.

Organoides cerebrales versátiles

La investigación sobre organoides compuestos de material celular humano tiene la ventaja de que los hallazgos son transferibles a los humanos. Se pueden utilizar para estudiar no solo la biología básica del desarrollo, sino también el papel de los genes en enfermedades o trastornos cerebrales del desarrollo. Por ejemplo, Treutlein y sus colegas están trabajando con organoides de este tipo para investigar la causa genética del autismo y de la heterotopía; en este último, las neuronas aparecen fuera de su ubicación anatómica habitual en la corteza cerebral.

Los organoides también se pueden usar para probar medicamentos y, posiblemente, para cultivar órganos trasplantables o partes de órganos. Treutlein confirma que la industria farmacéutica está muy interesada en estos cultivos celulares.

Sin embargo, el cultivo de organoides requiere tiempo y esfuerzo. Además, cada grupo de células se desarrolla individualmente en lugar de de una manera estandarizada. Es por eso que Treutlein y su equipo están trabajando para mejorar los organoides y automatizar su proceso de fabricación.