Un organoide cerebral o neuronal describe un tejido cultivado artificialmente, in vitro , que se asemeja a partes del cerebro humano. Los organoides neuronales se crean cultivando células madre pluripotentes en un cultivo tridimensional que puede mantenerse durante años. Gordon A, Yoon SJ, Tran SS, Makinson CD, Park JY, Andersen J, Valencia AM, Horvath S, Xiao X, Huguenard JR, Pașca SP, Geschwind DH. Long-term maturation of human cortical organoids matches key early postnatal transitions. Nat Neurosci. 2021 Mar;24(3):331-342. doi: 10.1038/s41593-021-00802-y. Epub 2021 Feb 22. PMID: 33619405; PMCID: PMC8109149. El cerebro es un sistema extremadamente complejo de tejidos heterogéneos y consta de una amplia gama de neuronas y células gliales. Esta complejidad ha hecho que estudiarlo y comprender cómo funciona sea una tarea difícil en la neurociencia, especialmente cuando se trata de enfermedades del neurodesarrollo y neurodegenerativas. El objetivo de crear un modelo neurológico in vitro es estudiar estas enfermedades en un entorno más definido. Este modelo 3D está libre de muchas limitaciones potenciales in vivo. La diferente fisiología entre los modelos humanos y otros mamíferos limita el alcance de los estudios en animales sobre trastornos neurológicos. Los organoides neuronales contienen varios tipos de células nerviosas y tienen características anatómicas que recapitulan regiones del sistema nervioso. Algunos organoides neurales son más similares a las neuronas de la corteza cerebral. En algunos casos, a la retina, la médula espinal, el tálamo y el hipocampo. Otros organoides neurales no están guiados y contienen una diversidad de células neurales y no neurales. Las células madre tienen el potencial de convertirse en muchos tipos diferentes de tejidos y su destino depende de muchos factores. miniaturadeimagen| Factores de crecimiento instructivos que regulan las decisiones de destino en NCSC embrionarios
Modelo de desarrollo El uso de células madre pluripotentes humanas para crear organoides neurales in vitro permite a los investigadores analizar los mecanismos de desarrollo actuales del tejido neural humano, así como estudiar las raíces de las enfermedades neurológicas humanas. Los organoides neuronales son una herramienta de investigación que se utiliza para comprender cómo funciona la patología de las enfermedades. Estos organoides se pueden utilizar en experimentos para los que los métodos in vitro actuales son demasiado simplistas, y al mismo tiempo son más aplicables a los humanos que los modelos de roedores u otros mamíferos. Históricamente, los principales avances en el funcionamiento del cerebro han sido el resultado del estudio de lesiones o trastornos en la función del cerebro humano. Un modelo del cerebro humano in vitro permite avanzar en nuestra comprensión del sistema nervioso humano.
Métodos de cultivo miniaturadeimagen|510x510px| Este diagrama de flujo describe los pasos básicos para crear un organoide cerebral. El proceso lleva meses y el tamaño del organoide se limita a la disponibilidad de nutrientes. Un cuerpo embrioide cultivado a partir de células madre pluripotentes se utiliza para fabricar un organoide. Los cuerpos embrioides están compuestos por tres tres capas: endodermo, mesodermo y ectodermo, que tiene el potencial de diferenciarse en diferentes tipos de tejido.
Un organoide cerebral se puede formar induciendo a las células del ectodermo a diferenciarse en organoides cerebrales. El procedimiento general se puede dividir en 5 pasos. Se cultivan las primeras células madre pluripotentes humanas. Luego se cultivan hasta formar un cuerpo embrioide. A continuación se induce al cultivo celular para que forme un neuroectodermo. Luego, el neuroectodermo se cultiva en una gotita de matrigel. El matrigel aporta nutrientes y el neuroectodermo comienza a proliferar y crecer. La replicación de regiones cerebrales específicas en homólogos organoides cerebrales se logra mediante la adición de señales extracelulares al entorno organoide durante diferentes etapas de desarrollo; se descubrió que estas señales crean cambios en los patrones de diferenciación celular, lo que conduce a la recapitulación de la región cerebral deseada. La inhibición de SMAD se puede utilizar en los procesos habituales de cultivo de organoides cerebrales para generar microglía en organoides cerebrales. La falta de vasculatura limita el tamaño que puede crecer el organoide. Esta ha sido la principal limitación en el desarrollo de organoides. El uso de un biorreactor giratorio puede mejorar la disponibilidad de nutrientes para las células dentro del organoide para mejorar el desarrollo del mismo. Los biorreactores giratorios se han utilizado cada vez más en aplicaciones de cultivo celular y crecimiento de tejidos. El reactor es capaz de ofrecer tiempos de duplicación celular más rápidos, mayor expansión celular y mayores componentes de la matriz extracelular en comparación con las células cultivadas estáticamente.
Componentes
Diferenciación Se ha demostrado que los organoides cerebrales cultivados utilizando el método de cultivo 3D del biorreactor giratorio se diferencian en varios tipos de tejido neural, como la copa óptica, el hipocampo, las partes ventrales del teleencéfalo y la corteza dorsal. Además, se demostró que los organoides del cerebro humano podían desarrollar intrínsecamente copas ópticas integradas sensibles a la luz.
Las células madre/progenitoras neurales son únicas porque son capaces de autorrenovarse y son multipotentes. Esto significa que pueden generar neuronas y células gliales, que son los dos componentes principales de los sistemas neuronales. El destino de estas células está controlado por varios factores que afectan el proceso de diferenciación. La ubicación espacial y los atributos temporales de las células progenitoras neurales pueden influir en si las células forman neuronas o células gliales. Luego, la diferenciación adicional está controlada por las condiciones extracelulares y la señalización celular. Se desconocen las condiciones y estímulos exactos necesarios para diferenciar las células progenitoras neurales en tejidos neurales específicos, como el tejido del hipocampo, el nervio óptico, la corteza cerebral, etc. Se cree que los organoides cerebrales pueden utilizarse para estudiar los mecanismos de desarrollo de estos procesos.
La expresión génica Para probar si las células progenitoras neurales y las células madre se están diferenciando en tejidos neurales específicos, se pueden emplear varios marcadores genéticos. Dos marcadores que están presentes durante las etapas pluripotentes son OCT4 y NANOG, los cuales disminuyen durante el curso del desarrollo del organoide. Los marcadores de identidad neuronal que notan una inducción neuronal exitosa, SOX1 y PAX6, están regulados positivamente durante el desarrollo de organoides. Estos cambios en la expresión respaldan el argumento a favor de la diferenciación autoguiada de organoides cerebrales. También se pueden probar los marcadores del prosencéfalo y el rombencéfalo. Los marcadores del cerebro anterior FOXG1 y SIX3 se expresan altamente durante el desarrollo de organoides. Sin embargo, los marcadores del rombencéfalo EGR2 e ISL1 muestran una presencia temprana pero una disminución en las etapas posteriores. Este desequilibrio hacia el desarrollo del cerebro anterior es similar a la expansión del desarrollo del tejido del cerebro anterior en el desarrollo del cerebro humano. Para comprobar si los organoides se desarrollan aún más hacia la especificación regional, se han probado marcadores genéticos de la corteza cerebral y el lóbulo occipital. Muchas regiones que tienen el marcador FOXG1 del prosencéfalo, etiquetándolas como regiones con morfología cortical cerebral, también fueron positivas para el marcador EMX1, que indica identidad cortical dorsal. Estas regiones específicas pueden especificarse aún más mediante los marcadores AUTS2, TSHZ2 y LMO4, donde el primero representa la corteza cerebral y los dos posteriores representan el lóbulo occipital. Los marcadores genéticos para el hipocampo, el prosencéfalo ventral y el plexo coroideo también están presentes en los organoides cerebrales; sin embargo, las estructuras generales de estas regiones aún no se han formado.
Organización Los organoides cerebrales también poseen neuronas corticales cerebrales funcionales. Estas neuronas deben formarse en la placa cortical organizada radialmente. El marcador TBR1 está presente en la preplaca, el precursor de la placa cortical, y está presente, junto con MAP2, un marcador neuronal, en organoides cerebrales de 30 días. Estos marcadores son indicativos de una capa neural basal similar a una preplaca. Estas células también están apicalmente adyacentes a una zona neutra y son reelin + positivas, lo que indica la presencia de células de Cajal-Retzius. Las células de Cajal-Retzius son importantes para la generación de la arquitectura de la placa cortical. La placa cortical generalmente se genera de adentro hacia afuera, de modo que las neuronas que nacen posteriormente migran a las capas superficiales superiores. Esta organización también está presente en los organoides cerebrales según las pruebas de marcadores genéticos. Las neuronas que nacen prematuramente tienen el marcador CTIP2 y están ubicadas adyacentes al TBR1 y exhiben células de preplaca. Las neuronas tardías con marcadores SATB2 y BRN2 están ubicadas en una capa superficial, más alejadas de la preplaca que las neuronas tempranas, lo que sugiere la formación de una capa de placa cortical. Además, después de 75 días de formación, los organoides cerebrales muestran una zona marginal rudimentaria, una región pobre en células. La formación de una placa cortical en capas es muy básica en los organoides cerebrales y sugiere que el organoide carece de las señales y factores para inducir la formación de la organización de las capas II-VI. Sin embargo, las neuronas organoides cerebrales pueden formar axones, como lo demuestra la tinción con GFP. Se ha demostrado que los axones marcados con GFP tienen ramificaciones complejas y formación de conos de crecimiento. Además, las imágenes con tinte de calcio han demostrado que los organoides cerebrales tienen oscilaciones de Ca 2+ y picos espontáneos de calcio en células individuales. La señalización del calcio puede mejorarse mediante glutamato e inhibirse mediante tetrodotoxina.
Interacciones con el medio ambiente. En DishBrain, se integraron células cerebrales humanas cultivadas en sistemas digitales para jugar un Pong simulado mediante estimulación electrofisiológica y grabación. Las células "mostraron un rendimiento significativamente mejorado en Pong " cuando se incorporaron a un mundo de juego virtual.
Interacciones con los tejidos circundantes.