Investigadores de la Universidad de Cambridge han creado embriones modelo a partir de células madre de ratón que forman un cerebro, un corazón que late y los cimientos de todos los demás órganos del cuerpo, una nueva vía para recrear las primeras etapas de la vida.

El equipo, dirigido por la profesora Magdalena Zernicka-Goetz, desarrolló el modelo de embrión sin óvulos ni espermatozoides y, en su lugar, utilizó células madre, las células maestras del cuerpo, que pueden convertirse en casi cualquier tipo de célula del cuerpo.

Los investigadores imitaron los procesos naturales en el laboratorio al guiar los tres tipos de células madre que se encuentran en el desarrollo temprano de los mamíferos hasta el punto en que comienzan a interactuar. Al inducir la expresión de un conjunto particular de genes y establecer un entorno único para sus interacciones, los investigadores lograron que las células madre «hablaran» entre sí.

Las células madre se autoorganizaron en estructuras que progresaron a través de las sucesivas etapas de desarrollo hasta que tuvieron corazones latiendo y los cimientos del cerebro, así como el saco vitelino donde el embrión se desarrolla y obtiene nutrientes en sus primeras semanas. A diferencia de otros embriones sintéticos, los modelos desarrollados por Cambridge llegaron al punto en que todo el cerebro, incluida la parte anterior, comenzó a desarrollarse. Este es un punto más en el desarrollo de lo que se ha logrado en cualquier otro modelo derivado de células madre.

El equipo dice que sus resultados, resultado de más de una década de investigación que condujo progresivamente a estructuras similares a embriones cada vez más complejas y que se informaron en la revista Nature, podrían ayudar a los investigadores a comprender por qué algunos embriones fallan mientras que otros se convierten en un embrión. embarazo saludable. Además, los resultados podrían usarse para guiar la reparación y el desarrollo de órganos humanos sintéticos para trasplante.

«Nuestro modelo de embrión de ratón no solo desarrolla un cerebro, sino también un corazón que late, todos los componentes que conforman el cuerpo», dijo Zernicka-Goetz, profesora de Desarrollo de mamíferos y biología de células madre en el Departamento de Fisiología, Desarrollo de Cambridge. 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, debe haber un «diálogo» entre los tejidos que se convertirán en el embrión y los tejidos que conectarán el embrión con la madre. En la primera semana después de la fertilización, se desarrollan tres tipos de células madre : una eventualmente se convertirá en los tejidos del cuerpo y las otras dos apoyarán el desarrollo del embrión. Uno de estos tipos de células madre extraembrionarias se convertirá en la placenta, que conecta al feto con la madre y proporciona oxígeno y nutrientes; y el segundo es el saco vitelino, donde crece el embrión y de donde obtiene sus nutrientes en el desarrollo temprano.

Muchos embarazos fracasan en el momento en que los tres tipos de células madre comienzan a enviarse señales mecánicas y químicas entre sí, que le indican al embrión cómo desarrollarse adecuadamente.

«Muchos embarazos fracasan en esta época, antes de que la mayoría de las mujeres se den cuenta de que están embarazadas», dijo Zernicka-Goetz, quien también es profesora de biología e ingeniería biológica en Caltech. «Este período es la base para todo lo demás que sigue al embarazo. Si sale mal, el embarazo fallará».

Durante la última década, el grupo de la profesora Zernicka-Goetz en Cambridge ha estado estudiando estas primeras etapas del embarazo para comprender por qué algunos embarazos fracasan y otros tienen éxito.

«El modelo de embrión de células madre es importante porque nos da 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».

Para guiar el desarrollo de su embrión sintético, los investigadores juntaron células madre cultivadas que representan cada uno de los tres tipos de tejido en las proporciones y el entorno correctos para promover su crecimiento y comunicación entre sí, y eventualmente autoensamblarse en un embrión.

Los investigadores descubrieron que las células extraembrionarias envían señales a las células embrionarias mediante señales químicas, pero también mecánicamente o mediante el tacto, guiando 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 fallan tantos embarazos y cómo podríamos evitar que eso suceda. sucediendo, es muy 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».

Un gran avance en el estudio es la capacidad de generar todo el cerebro, en particular la parte anterior, que ha sido un objetivo importante en el desarrollo de embriones sintéticos. Esto funciona en el sistema de Zernicka-Goetz porque esta parte del cerebro requiere señales de uno de los tejidos extraembrionarios para poder desarrollarse. El equipo pensó que esto podría estar ocurriendo a partir de sus estudios de 2018 y 2021, que utilizaron las mismas células componentes para convertirse en embriones en una etapa un poco más temprana. Ahora, al impulsar el desarrollo solo un día más, pueden decir definitivamente que su modelo es el primero en señalar el desarrollo del cerebro anterior 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 que lleva esta mutación. Esto significa que podemos comenzar a aplicar este tipo de enfoque a los muchos genes con una función desconocida en el desarrollo del cerebro».

Si bien la investigación actual se llevó a cabo en modelos de ratón, los investigadores están desarrollando modelos humanos similares con el potencial de orientarse hacia la generación de tipos de órganos específicos para comprender los mecanismos detrás de procesos cruciales 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. «Hay tantas personas en todo el mundo que esperan durante años un trasplante de órganos», dijo Zernicka-Goetz. «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 usando el conocimiento que tenemos sobre como se hacen

«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».