(Noticias de Nanowerk) Un óvulo se encuentra con un espermatozoide: este es un primer paso necesario en el comienzo de la vida, y también es un primer paso común en la investigación del desarrollo embrionario. Pero en un estudio del Instituto Weizmann de Ciencias, publicado en célula («Post-Gastrulation Synthetic Embryos Generated Ex Utero from Mouse Naive ESCs»), los investigadores han cultivado modelos de embriones sintéticos de ratones fuera del útero, comenzando exclusivamente con células madre cultivadas en una placa de Petri, es decir, sin usar óvulos fertilizados. El método abre nuevos horizontes para estudiar cómo las células madre forman diferentes órganos en el embrión en desarrollo y algún día podría hacer posible el cultivo de tejidos y órganos para trasplante utilizando modelos de embriones sintéticos.
«El embrión es la mejor máquina de producción de órganos y la mejor bioimpresora 3D; tratamos de imitar eso», dice el Departamento de Genética Molecular del Prof. Jacob Hanna von Weizmann, quien dirigió el equipo de investigación.
Explica que los científicos ya saben cómo devolver células maduras a «células madre»: los pioneros de esta reprogramación celular recibieron el Premio Nobel en 2012. Pero ir en la dirección opuesta, lograr que las células madre se diferencien en células corporales especializadas, sin mencionar órganos completos, ha demostrado ser mucho más problemático.
«Hasta ahora, en la mayoría de los estudios, las células especializadas eran a menudo difíciles de fabricar o defectuosas, y formaban una mezcla en lugar de un tejido bien estructurado adecuado para el trasplante. Logramos superar estos obstáculos liberando el potencial de autoensamblaje codificado en las células madre”.
El equipo de Hanna se basó en dos avances anteriores en su laboratorio. Una era una forma eficiente de reprogramar las células madre a un estado ingenuo, su etapa más temprana, cuando tienen el mayor potencial para especializarse en diferentes tipos de células. El otro, descrito en un artículo científico en Naturaleza en marzo de 2021 («Embriogénesis de ratón ex utero desde la pregastrulación hasta la organogénesis tardía»), fue el dispositivo controlado electrónicamente que el equipo desarrolló después de siete años de prueba y error para cultivar embriones de ratón naturales fuera del útero. El dispositivo mantiene los embriones en una solución nutritiva en vasos de precipitados que se mueven continuamente, simulando la forma en que los nutrientes llegan a la placenta mediante el flujo sanguíneo material y controlando de cerca el intercambio de oxígeno y la presión atmosférica. En investigaciones anteriores, el equipo había utilizado con éxito este dispositivo para cultivar embriones naturales de ratón desde el día 5 hasta el día 11.
En el nuevo estudio, el equipo se propuso crear un modelo de embrión sintético completamente a partir de células madre de ratón ingenuas que se habían cultivado en una placa de Petri durante años, sin necesidad de comenzar con un óvulo fertilizado. Este enfoque es extremadamente valioso ya que podría eludir en gran medida los problemas técnicos y éticos asociados con el uso de embriones naturales en investigación y biotecnología. Incluso en ratones, ciertos experimentos actualmente no son factibles porque requerirían miles de embriones, mientras que el acceso a modelos derivados de células embrionarias de ratón, que crecen por millones en incubadoras de laboratorio, es prácticamente ilimitado.
Antes de introducir las células madre en el dispositivo, los investigadores las dividieron en tres grupos. En uno que contenía células destinadas a convertirse en órganos embrionarios, las células se dejaron como estaban. Las células de los otros dos grupos fueron pretratadas durante solo 48 horas para sobreexpresar uno de dos tipos de genes: reguladores maestros de la placenta o del saco vitelino. «Le dimos a estos dos grupos de células un impulso temporal para generar tejidos extraembrionarios que apoyen al embrión en desarrollo», dice Hanna.
Poco después de mezclarse en el dispositivo, los tres grupos de células se fusionaron en agregados, la gran mayoría de los cuales no se desarrollaron correctamente. Pero alrededor del 0,5 por ciento, 50 de aproximadamente 10.000, formaron esferas más tarde, cada una de las cuales creció hasta convertirse en una estructura alargada similar a un embrión.
Debido a que los investigadores etiquetaron cada grupo de células con un color diferente, pudieron observar la formación de la placenta y los sacos vitelinos fuera de los embriones, y el modelo se desarrolló como un embrión natural. Estos modelos sintéticos se desarrollaron normalmente hasta 8.5. Día 2, casi a la mitad de los 20 días de gestación del ratón, en esta etapa se habían formado todos los precursores de órganos tempranos, incluido un corazón que late, circulación de células madre sanguíneas, un cerebro con pliegues bien formados, un tubo de células nerviosas y tracto intestinal.
En comparación con los embriones de ratón naturales, los modelos sintéticos mostraron una similitud del 95 por ciento tanto en la forma de las estructuras internas como en los patrones de expresión génica de diferentes tipos de células. Los órganos vistos en los modelos dieron todas las indicaciones de que eran funcionales.
Para Hanna y otros investigadores de células madre y desarrollo embrionario, el estudio abre un nuevo campo: «Nuestro próximo desafío es comprender cómo las células madre saben qué hacer: cómo ensamblarse en órganos y encontrar el camino hacia los lugares asignados en su interior. «encontrar embrión. Y debido a que nuestro sistema es transparente, a diferencia de un útero, podría resultar útil para modelar defectos de nacimiento e implantación en embriones humanos”.
Los modelos de embriones sintéticos no solo ayudan a reducir el uso de animales en la investigación, sino que también podrían convertirse en una fuente confiable de células, tejidos y órganos para trasplantes en el futuro. «En lugar de desarrollar un protocolo diferente para cultivar cada tipo de célula, riñón o hígado, por ejemplo, tal vez algún día podamos crear un modelo sintético similar a un embrión y luego aislar las células que necesitamos». No tenemos que decirle a los órganos emergentes cómo desarrollarse. El embrión mismo hace esto mejor”.
