Científicos de Cambridge cultivan un embrión 'sintético' con cerebro y corazón latiendo

Investigadores de la Universidad de Cambridge han creado modelos de embriones sintéticos con cerebros, corazones latiendo, con el potencial de desarrollar otros órganos a partir de células madre de ratón. La investigación se promociona como una nueva forma de recrear las primeras etapas de la vida.

Un equipo de investigadores dirigido por la profesora Magdalena Zernicka-Goetz utilizó células madre para desarrollar el modelo embrionario, en lugar de óvulos o espermatozoides. Las células madre son células maestras que pueden convertirse en casi cualquier otro tipo de célula del cuerpo.

Los embriones modelo, como los que cultivan los investigadores, podrían ayudar a comprender mejor por qué algunos embriones se convierten en un embarazo saludable, mientras que otros no. Los resultados también podrían usarse para guiar la reparación y el desarrollo de órganos humanos sintéticos para ser usados ​​en trasplantes.

Para crear los embriones, los investigadores imitaron los procesos naturales para guiar tres tipos de células madre que se encuentran en el desarrollo temprano de los mamíferos hasta que comenzaron a interactuar. Los investigadores lograron que las células madre "hablaran" entre sí mediante la manipulación de genes y el establecimiento del entorno adecuado para las células.

A partir de ahí, las células madre se organizaron en estructuras que desarrollaron corazones latiendo y los cimientos del cerebro. También desarrollaron el saco vitelino de donde los embriones obtienen nutrientes durante sus primeras semanas de vida.

na investigación primero, estos embriones llegaron a un punto en el que todo el cerebro, incluida la parte frontal, comenzó a desarrollarse. Ningún otro modelo derivado de células madre ha llegado a esta etapa.

El grupo de la profesora Zernicka-Goetz en Cambridge ha estado estudiando estas primeras etapas del embarazo durante una década. Quieren entender por qué algunos embarazos fracasan y otros tienen éxito.

“El modelo de embrión de células madre es importante porque nos brinda acceso a la estructura en desarrollo en una etapa que normalmente se nos oculta debido a la implantación del diminuto embrión en el útero de la madre”, dijo Zernicka-Goetz. "Esta accesibilidad nos permite manipular los genes para comprender sus funciones de desarrollo en un sistema experimental modelo".

"Nuestro modelo de embrión de ratón no solo desarrolla un cerebro, sino también un corazón que late, todos los componentes que forman el cuerpo", dijo la profesora Zernicka-Goetz, profesora de Desarrollo de Mamíferos y Biología de Células Madre en el Departamento de Cambridge. Fisiología, Desarrollo y Neurociencia. “Es increíble que hayamos llegado tan lejos. Este ha sido el sueño de nuestra comunidad durante años y el principal enfoque de nuestro trabajo durante una década y finalmente lo hemos logrado”.

Para que un embrión humano se desarrolle con éxito, los tejidos que se convertirán en el embrión y los tejidos que conectarán el embrión con la madre deben tener un "diálogo". En la primera semana después de la fertilización, se desarrollan tres tipos de células madre: una que se convertirá en los tejidos del cuerpo y dos que apoyarán el desarrollo del embrión.

Uno de los tejidos que sustentan el desarrollo del embrión es la placenta, que conecta al feto con la madre y le proporciona oxígeno y nutrientes. El otro es el saco vitelino, donde el embrión crece y obtiene nutrientes durante el desarrollo temprano.

Muchos embarazos fracasan en el momento en que los tres tipos de células madre comienzan a enviarse señales químicas y mecánicas entre sí. La profesora Zernicka-Goetz, también profesora de biología e ingeniería biológica en Caltech, explicó: “Muchos embarazos fracasan en esta época, antes de que la mayoría de las mujeres se den cuenta de que están embarazadas. Este período es la base para todo lo demás que sigue en el embarazo. Si sale mal, el embarazo fracasará”.

Los investigadores encontraron que las células extraembrionarias envían señales a las células embrionarias mediante señales químicas. También se comunican mecánicamente, o a través del tacto, para guiar el desarrollo del embrión.

“Este período de la vida humana es tan misterioso, por lo que poder ver cómo sucede en un plato, tener acceso a estas células madre individuales, comprender por qué fracasan tantos embarazos y cómo podríamos evitar que eso suceda. – es bastante especial”, dijo Zernicka-Goetz. "Observamos el diálogo que tiene que ocurrir entre los diferentes tipos de células madre en ese momento; mostramos cómo ocurre y cómo puede salir mal".

El modelo también es el primero en señalar el desarrollo de la parte frontal del cerebro y, de hecho, de todo el cerebro. “Esto abre nuevas posibilidades para estudiar los mecanismos del neurodesarrollo en un modelo experimental”, dijo Zernicka-Goetz.

“De hecho, demostramos la prueba de este principio en el artículo eliminando un gen que ya se sabe que es esencial para la formación del tubo neural, precursor del sistema nervioso, y para el desarrollo del cerebro y los ojos. En ausencia de este gen, los embriones sintéticos muestran exactamente los defectos conocidos en el desarrollo del cerebro como en un animal portador de esta mutación. Esto significa que podemos comenzar a aplicar este tipo de enfoque a los muchos genes con funciones desconocidas en el desarrollo del cerebro”.

La investigación actual se llevó a cabo en modelos de ratones, pero los investigadores están desarrollando modelos humanos similares. Estos pueden usarse para generar tipos de órganos específicos para comprender procesos que de otro modo serían imposibles de estudiar en embriones reales.

En la actualidad, la ley del Reino Unido permite que los embriones humanos se estudien en el laboratorio solo hasta el día 14 de desarrollo. Si se demuestra que los métodos desarrollados por el equipo de Zernicka-Goetz tienen éxito con células madre humanas en el futuro, también podrían usarse para guiar el desarrollo de órganos sintéticos para pacientes que esperan trasplantes.

Zernicka-Goetz dijo: “Hay tantas personas en todo el mundo que esperan durante años un trasplante de órganos. Lo que hace que nuestro trabajo sea tan emocionante es que el conocimiento que surge de él podría usarse para hacer crecer órganos humanos sintéticos correctos para salvar vidas que actualmente se pierden. También debería ser posible afectar y curar órganos adultos utilizando el conocimiento que tenemos sobre cómo se fabrican”.

Agregó: “Este es un increíble paso adelante y tomó 10 años de arduo trabajo de muchos de los miembros de mi equipo. Nunca pensé que llegaríamos a este lugar. Nunca piensas que tus sueños se harán realidad, pero lo han hecho”.

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