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| Los embriones naturales y sintéticos muestran, uno al lado del otro, una formación comparable del cerebro y el corazón. Crédito: Amadei y Handford |
Científicos de la Universidad de Cambridge y de Caltech han logrado crear embriones sintéticos de ratón -a partir de células madre embrionarias- para formar un cerebro, un corazón que late y las bases de todos los demás órganos del cuerpo, una nueva vía para recrear las primeras etapas de la vida.
En lugar de utilizar óvulos o esperma, los científicos utilizaron células madre, las células maestras del cuerpo, que pueden convertirse en casi cualquier tipo de célula del organismo. Para ello, imitaron los procesos naturales en el laboratorio, dirigiendo los tres tipos de células madre presentes en el desarrollo temprano de los mamíferos hasta la fase en la que empiezan a interactuar. Activaron un conjunto específico de expresiones genéticas para crear un entorno único para sus interacciones (células madre).
Las células madre se autoorganizaron en estructuras que progresaron a través de las distintas etapas de desarrollo hasta que los embriones sintéticos tuvieron corazones que latían y las bases de un cerebro, así como el saco vitelino donde el embrión se desarrolla y recibe nutrientes en sus primeras semanas.
Se trata del estadio de desarrollo más avanzado en un modelo derivado de células madre hasta la fecha.
Los científicos señalaron: "Nuestro modelo de embrión muestra pliegues de cabeza con regiones definidas de cerebro anterior y cerebro medio y desarrolla una estructura similar a un corazón que late, un tronco que comprende un tubo neural y somitas, un brote de cola que contiene progenitores neuromesodérmicos, un tubo intestinal y células germinales primordiales. Este modelo de embrión completo se desarrolla dentro de un saco vitelino extraembrionario que inicia el desarrollo de la isla sanguínea".
"Un gran avance de este estudio es la capacidad de generar el cerebro completo, en particular la región anterior, que ha sido un "santo grial" en el desarrollo de embriones sintéticos."
Magdalena Zernicka-Goetz, catedrática Bren de Biología e Ingeniería Biológica en el Caltech, dijo: "Esto abre nuevas posibilidades para estudiar los mecanismos del neurodesarrollo en un modelo experimental. En el artículo demostramos la prueba de este principio 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 empezar a aplicar este enfoque a los numerosos genes con función desconocida en el desarrollo del cerebro".
"Nuestro modelo de embrión de ratón no sólo desarrolla un cerebro, sino también un corazón que late, todos los componentes que van a formar el cuerpo. Es increíble que hayamos llegado tan lejos. Este ha sido el sueño de nuestra comunidad durante años y el principal objetivo de nuestro trabajo durante una década, y por fin lo hemos conseguido."
En la primera semana de la fecundación comienzan a formarse tres tipos diferentes de células madre; una de ellas acabará convirtiéndose en los tejidos corporales, mientras que las otras dos ayudarán al crecimiento del embrión. La placenta, que conecta al feto con la madre y le suministra oxígeno y nutrición, se formará a partir de uno de estos dos tipos: las células madre extraembrionarias. La otra se desarrollará en el saco vitelino, donde el embrión crece y obtiene su nutrición temprana.
Muchos embarazos fracasan en el momento en que los tres tipos de células madre comienzan a enviarse señales mecánicas y químicas entre sí, que indican al embrión cómo desarrollarse correctamente.
Para entender por qué algunos embarazos fracasan y otros resultan exitosos, el equipo de Zernicka-Goetz lleva diez años investigando estas fases tempranas del embarazo.
Según Zernicka-Goetz, "el modelo de embrión con células madre es importante porque nos permite acceder a la estructura en desarrollo en una fase que normalmente se nos oculta debido a la implantación del diminuto embrión en el útero de la madre. Esta accesibilidad nos permite manipular los genes para comprender sus funciones de desarrollo en un sistema experimental modelo".
Los científicos reunieron células madre cultivadas que representaban cada uno de los tres tipos de tejido para dirigir la formación de sus embriones sintéticos. A continuación, permitieron que estas células crecieran y se comunicaran entre sí en proporciones, lo que finalmente condujo a su autoensamblaje en un embrión.
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| Crédito: Amadei y Handford |
Las células extraembrionarias guían el crecimiento del embrión enviando mecánicamente señales químicas a las células embrionarias o mediante el tacto.
Zernicka-Goetz dijo: "Este periodo de la vida humana es tan misterioso que poder ver cómo ocurre en un plato -tener acceso a estas células madre individuales, entender por qué fracasan tantos embarazos y cómo podríamos evitarlo- es bastante especial. Hemos estudiado el diálogo que tiene que producirse entre los distintos tipos de células madre en ese momento; hemos demostrado cómo se produce y cómo puede ir mal".
Aunque esta investigación se está llevando a cabo en modelos de ratón, los científicos planean desarrollar un modelo análogo para el desarrollo de embriones humanos con el fin de comprender los mecanismos que subyacen a procesos cruciales que, de otro modo, serían imposibles de estudiar en embriones reales.
Según Zernicka-Goetz, "si en el futuro se demuestra que estos métodos tienen éxito con las células madre humanas, también podrían utilizarse para guiar el desarrollo de órganos sintéticos para pacientes que esperan un trasplante. Hay muchas personas en todo el mundo que esperan durante años un trasplante de órganos".
"Lo que hace que nuestro trabajo sea tan emocionante es que los conocimientos que surjan de él podrían utilizarse para cultivar órganos humanos sintéticos correctos para salvar vidas que actualmente se pierden. También debería ser posible afectar y curar órganos adultos utilizando nuestros conocimientos sobre cómo se fabrican".
Fuentes, créditos y referencias:
DOI: 10.1038/s41586-022-05246-3
Fuente: Universidad de Cambridge, Caltech
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