Un cerebro mimético hecho de células madre predice la toxicidad de sustancias químicas

Científicos de Wisconsin han conseguido crecer estructuras tridimensionales similares a tejidos cerebrales a partir de células madre embrionarias humanas. Al contrario que modelos de cerebros en miniatura anteriores, estas estructuras pueden reproducirse fácilmente y además contienen células vasculares y microglía, un tipo de células inmunitarias.

Estos pseudo-cerebros podrían ofrecer una forma rápida y de bajo coste para estudiar los efectos de medicamentos y sustancias químicas en el desarrollo del cerebro humano (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2015, DOI: 10.1073/pnas.1516645112). Los actuales estudios de toxicidad necesitan varias generaciones de ratones y cuestan alrededor de un millón de dólares americanos por cada sustancia analizada, dice Michael Schwartz, un ingeniero biomédico de la Universidad de Wisconsin, parte del equipo investigador.

Los investigadores –de la Universidad de Wisconsin y del Morgridge Institute for Research, en Madison– no habían planeado crear estas estructuras cerebrales. De hecho, se sorprendieron cuando cultivaron células precursoras de neuronas en unos hidrogeles sintetizados por el grupo y éstas se autoensamblaron. Las células precursoras están programadas para convertirse en células cerebrales específicas, como neuronas o glía.

“Sólo queríamos tener todos los tipos de células cerebrales en el mismo sitio,” dice Schwartz. El plan original era diferenciar distintos tipos de células y luego combinarlas manualmente. Tras descubrir que las células precursoras podían organizarse y formar tejidos por sí solas, los investigadores decidieron incorporar células vasculares y de microglía en las estructuras. Gracias a esto, consiguieron mimetizar varios tipos de células y de interacciones célula-célula en el cerebro humano en desarrollo.

Se conoce muy poco sobre los mecanismos por los que se desarrolla el cerebro humano, así que es muy difícil averiguar si una sustancia química interrumpe alguno de estos procesos, señala Schwartz.

Para resolver este problema, los investigadores estudiaron la respuesta de su cerebro en miniatura a una variedad de compuestos químicos y analizaron cómo las estructuras expresaban 19000 genes diferentes. Recogieron secuencias de RNA de 240 microcerebros, cada uno de ellos expuesto a 60 sustancias diferentes (34 tóxicas y 26 inocuas). Entre las sustancias tóxicas se incluían plomo, arsénico, cadmio y fármacos que atacan distintas funciones celulares. Estos datos se usaron para construir un modelo que podría predecir si una sustancia (como, por ejemplo, un aditivo alimentario, un contaminante o un medicamento) afectaría al desarrollo del cerebro humano.

No obstante, el hecho de que se necesite medir tantos genes puede limitar la utilidad de este avance desarrollado por los investigadores de Wisconsin. Este factor se presentaría demasiado tedioso según científicos especializados en estos tests de la Agencia de Protección Medioambiental (EPA, por sus siglas en inglés). Aunque a largo plazo, si los costes de medir el RNA disminuyen, o si los investigadores averiguan cómo predecir resultados con la misma precisión estudiando sólo una fracción de los genes, “ayudaría a completar un enorme agujero en la batería de tests que realizamos actualmente en la EPA” –defiende Russell Thomas, director del National Center for Computational Toxicology de la EPA.

“A corto plazo, estos resultados pueden ser muy valiosos para identificar mecanismos cerebrales y averiguar cómo actúan las sustancias tóxicas” –añade William Murphy, ingeniero biomédico de la Universidad de Wisconsin, líder del equipo que desarrolló los hidrogeles. “Estamos recogiendo tantos datos sobre las respuestas de los microcerebros a sustancias tóxicas que podemos empezar a entender qué mecanismos de señalización se ven afectados por estos compuestos,” añade. “Y no sólo saber si son peligrosas o no, podemos saber exactamente cómo afectan estas sustancias al desarrollo del cerebro.”

Traducción al español producida por Fernando Gomollón Bel de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.