Dos descubrimientos impulsan el desarrollo de organoides de próxima generación
Durante la organogénesis del intestino anterior, el equipo de investigación realizó la secuenciación de ARN unicelular (scRNA-seq) del intestino anterior embrionario de ratón en tres momentos que abarcaron el período de patrón temprano e inducción de linaje. Esta imagen de microscopio confocal muestra uno de esos puntos temporales. Crédito: Cincinnati Children’s y RIKEN
En informes consecutivos publicados el 27 de agosto de 2020 en Nature Communications, un equipo de científicos de Cincinnati Children’s y Japón informa sobre descubrimientos que serán vitales para una nueva ola de enfermedades más complejas. desarrollo de organoides.
Sus hallazgos impulsan los esfuerzos para utilizar células madre humanas para desarrollar órganos del intestino anterior del feto, incluidos la tráquea, el esófago, el estómago, el hígado, la vesícula biliar, los conductos biliares y el páncreas.
«Con el análisis de una sola célula de embriones de ratón, definimos las complejas redes de señalización que controlan el desarrollo de las células mesenquimáticas, que forman el músculo liso y los tejidos de fibroblastos que son esenciales para la función de los órganos», dice el autor principal Aaron Zorn, Ph.D., quien dirige el desarrollo de organoides en Cincinnati Children’s. «Luego usamos esta información del ratón para diferenciar el tejido humano equivalente en el laboratorio. Esto es importante porque hasta ahora todos los organoides de hígado, pulmón, estómago y esófago que fabricamos carecen principalmente de estos tipos de células mesenquimáticas».
Zorn dirige el Centro de Medicina de Organoides y Células Madre (CuSTOM) en el Cincinnati Children’s, que ha logrado avances revolucionarios en el desarrollo de organoides en el estómago, el intestino, el hígado y el esófago. En 2019, el grupo CuSTOM lanzó una colaboración formal con RIKEN, la institución de investigación integral más grande de Japón, para buscar una mayor innovación en organoides.
Los artículos publicados en Nature Communications representan los primeros resultados de esa colaboración.
Descifrando el desarrollo del intestino anterior célula por célula
En este estudio, los científicos informan que detectaron un conjunto de señales dentro del protoórgano del intestino anterior en embriones en etapa muy temprana que activan cómo y cuándo se forman los otros órganos . Específicamente, encontraron que las señales son impulsadas por los genes Wnt y SHH, que viajan entre las células en las capas de endodermo y mesodermo de embriones muy tempranos.
Para definir estas señales, los coautores Lu Han, Ph.D., y Keishi Kishimoto, Ph.D., colaboraron con los expertos en organoides James Wells, Ph.D., y Takanori Takebe, MD, para desarrollar un mapa de alta resolución del desarrollo del intestino anterior en ratones. Detectaron una variedad inesperada de células que envían un coro de señales maestras que desencadenan la formación de varios órganos que se ramifican desde el intestino anterior.
Este estudio es el primero en precisar la dinámica en juego en el mesodermo embrionario. , dicen los coautores.
La acción ocurre muy temprano, entre los días embrionarios 8.5 y 9.5 en ratones, lo que corresponde aproximadamente a los días 17 a 23 en la gestación humana. Durante esta breve ventana de desarrollo, grupos de células en ciertos puntos a lo largo del tubo simple del intestino anterior comienzan a transformarse en los brotes de órganos que se convierten en la tráquea, el esófago, el hígado y el páncreas.
Al estudiar la actividad de señalización molecular durante este período, a nivel de célula por célula, los investigadores produjeron una hoja de ruta que muestra cómo y por qué los órganos brotan donde lo hacen. Luego usaron estas señales para cultivar tejido de diferentes órganos a partir de células madre pluripotentes humanas.
En septiembre de 2019, Takebe y sus colegas informaron sobre el primer éxito mundial en el cultivo de un sistema de tres organoides que incluía el hígado, el páncreas y conductos biliares. Ese avance tardó cinco años en lograrse y los organoides producidos no poseían todos los tipos de células necesarios para una función de tamaño completo.
La nueva hoja de ruta permitirá a los científicos de CuSTOM desarrollar órganos interconectados más competitivos, dice Zorn.
Una inmersión profunda en el desarrollo de la tráquea
En un artículo paralelo que también aparece en Nature Communications, los equipos de RIKEN y CuSTOM ampliaron estos estudios con extensos experimentos en ratones para definir mejor los mecanismos de la tráquea. formación.
Este estudio dirigido por el experto en desarrollo pulmonar Mitsuru Morimoto, Ph.D., en Japón, utilizó ratones genéticamente modificados para aprender qué señales celulares eran más importantes para la formación de la tráquea. Cuando estas señales fallan, el embrión en desarrollo no forma correctamente los anillos de cartílago y los tejidos musculares lisos que la tráquea necesita para llevar aire a los pulmones.
El Cincinnati Children’s, que desarrolló el primer organoide de esófago humano en 2018, ha estado trabajando con el equipo de RIKEN en este proyecto como parte de su participación con el Consorcio CLEAR (Investigación de defectos congénitos del esófago y de las vías respiratorias).
«Este trabajo ayuda a explicar lo que sucede cuando los defectos de nacimiento como la atresia esofágica, la fístula traqueoesofágica , y se produce traqueomalacia», dice Zorn. «Este trabajo también abre la puerta para generar algún día tejido de esófago y tráquea para el reemplazo de tejido».
Implicaciones para la ingeniería de tejidos
La gran complejidad de la nueva hoja de ruta de señalización ayuda a explicar por qué tomó tanto tiempo hacer el avance inicial de tres organoides. Por ejemplo, el mapa reveló cinco poblaciones distintas de células mesenquimales involucradas solo en la formación del hígado.
Ahora, los coautores dicen que la nueva hoja de ruta acelerará el proceso y podría expandir los tipos de órganos que se pueden cultivar. juntos, y permitirá a los investigadores desarrollar conjuntos de organoides diseñados para imitar las condiciones que provocan defectos de nacimiento o un mayor riesgo de enfermedades, incluidas algunas formas de cáncer.
«Un resultado importante de nuestro estudio fue utilizar la hoja de ruta de señalización para dirigir el desarrollo de células madre en diferentes tipos de células de órganos», dice Takebe. «Este enfoque puede tener aplicaciones importantes para la ingeniería de tejidos».
A corto plazo, estos sistemas de organoides se pueden usar para probar nuevos medicamentos con mucha menos dependencia de modelos animales, o para evaluar los daños causados por la contaminación, dietas, alérgenos, etc. A más largo plazo, una vez que se espera aprender formas de hacer crecer organoides a tamaños significativamente más grandes, los tejidos personalizados creados en laboratorio podrían usarse para reparar órganos dañados y, algún día, incluso reemplazar los defectuosos.
El documento establece los protocolos para otros científicos utilizar para hacer sus propios sistemas organoides. Los datos detallados recopilados durante el proyecto también se pueden explorar a través del sitio web interactivo research.cchmc.org/ZornLab-singlecell.
Explore más
El estudio identifica una red de genes que dirige el desarrollo de la tráquea y el esófago Más información: Lu Han et al, Single cell transcriptomics identifica una red de señalización que coordina la diversificación del endodermo y el mesodermo durante la organogénesis del intestino anterior , Comunicaciones de la naturaleza (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-17968-x
Keishi Kishimoto et al. La señalización bidireccional de Wnt entre el endodermo y el mesodermo confiere identidad traqueal en células humanas y de ratón, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-17969-w Información de la revista: Nature Communications