Los organoides no modelan con precisión el desarrollo del cerebro humano
Un organoide del cerebro humanoMADELINE ANDREWS, UCSF
Los organoides del cerebro, pequeñas piezas de la corteza cerebral humana cultivadas en el laboratorio, se están convirtiendo en valiosas herramientas científicas. Al modelar el crecimiento de las células y estructuras cerebrales, estos cerebros en un plato, que son tejidos autoorganizados generados a partir de células sanguíneas o de la piel que se reprograman en células madre, pueden permitir a los científicos examinar el desarrollo temprano y los procesos subyacentes del neurodesarrollo. enfermedades.
A pesar de su potencial, los organoides todavía tienen algunas limitaciones críticas. En un estudio presentado esta semana en la reunión de la Sociedad de Neurociencia en Chicago, Arnold Kriegstein, biólogo de células madre de la Universidad de California en San Francisco, y su equipo demuestran que los organoides del cerebro humano no recapitulan con precisión todos los aspectos del desarrollo. Después de comparar las células de los organoides con las de un tejido en desarrollo normal, su equipo informa que los organoides tienen patrones de expresión genética alterados y carecen de la diversidad celular que se encuentra en el cerebro humano.
El científico hablé con Kriegstein sobre el estudio y sus implicaciones.
El científico: ¿Por qué decidió realizar este estudio? ?
Arnold Kriegstein: Estuvimos trabajando con organoides durante varios años. Los hemos usado para modelar trastornos del neurodesarrollo y descubrimos que son muy útiles. Paralelamente, hemos estado haciendo un censo de células del cerebro humano en desarrollo mediante secuenciación de ARN de una sola célula y capturando la diversidad completa de tipos de células en etapas clave durante el desarrollo del cerebro humano. Eso nos dio una hoja de ruta con la que realmente podríamos comparar nuestros organoides y ver si realmente eran fieles a sus contrapartes in vivo.
Sabíamos que, morfológicamente, algunos subtipos de células en los organoides no se parecían completamente a sus contrapartes normales, pero queríamos profundizar en cuán similares o diferentes eran. Además, la gente ha afirmado que algunos de los tipos de células organoides, aunque no se distribuyen, migran o se superponen de la forma en que lo hacen normalmente [in vivo], representan modelos precisos de sus contrapartes.
TS: ¿Cuáles fueron los primeros indicios de que los organoides podrían no estar recapitulando células humanas?
En lugar de tener múltiples subtipos de una determinada célula, tiene una especie de identidad pan sin esas subdivisiones realmente interesantes de patrones genéticos que vemos en el desarrollo normal.
AK: Estoy especialmente interesado en los progenitores neuronales, las células que realmente generan las neuronas. Hay varios subtipos que hemos identificado en el cerebro humano en desarrollo normal y también entre otros primates no humanos. Nos llamó la atención que, en nuestros organoides, teníamos muy pocos de estos tipos de células, a pesar de que estaban produciendo neuronas. Algunos de estos progenitores son pasos intermedios clave en el camino hacia la creación de subtipos específicos de células. Entonces comenzamos a buscar allí.
Tomamos nuestros organoides y los disociamos en sus componentes unicelulares, luego usamos dos métodos diferentes para identificar realmente el transcriptoma del gen de cada célula individual, es decir, todas las moléculas de ARN que son transcritas en proteínas o factores de señalización. Esos nos dieron una huella dactilar de la identidad genética de cada célula. Ya teníamos un conjunto de datos del tejido primario, por lo que no solo pudimos identificar el tipo de célula, sino también la etapa de maduración.
Con eso en la mano, entramos y observamos con mucho cuidado cómo maduraron estas células y cómo se compararon con sus contrapartes in vivo.
TS: ¿Cuáles fueron las diferencias más importantes que surgieron en su estudio?
AK: La buena noticia es que las principales categorías de tipos de células se reproducen en los organoides. Y esto también ha sido informado por otros laboratorios. La mala noticia es que, cuando indague más a fondo, verá que hay patrones de expresión de genes combinados que no se ven en las células que se desarrollan normalmente.
Para darle un ejemplo, en el tejido normal, [las células progenitoras] no expresan genes neuronales maduros, solo expresan genes que son apropiados para los progenitores. En los organoides, encontramos que esos mismos tipos de células también expresan algunos genes neuronales, algunos de ellos en combinaciones muy anormales.
Otra cosa que notamos es que, en el cerebro que se desarrolla normalmente, hay un diversidad de tipos y subtipos celulares. Esa diversidad se reduce drásticamente en los organoides. En lugar de tener múltiples subtipos de una determinada célula, tienes una especie de identidad pan sin esas subdivisiones realmente interesantes de patrones genéticos que vemos en el desarrollo normal.
TS: A vista de pájaro, las cosas parecen similares, pero una vez que profundizas, parece haber diferencias.
AK: Y no es necesario profundizar demasiado para ver las diferencias.
Debo mencionar que tenemos alguna idea de por qué las celdas no son tan precisas como deberían ser. Los organoides, en todos los protocolos, muestran un nivel muy elevado de estrés metabólico. . . . Esto es muy diferente de lo que vemos en los tejidos normales. Nos preguntamos si el estrés en sí mismo podría contribuir a la falta de identidad genética.
Exploramos eso de dos maneras. Primero, tomamos células que eran normales, es decir, células que se estaban desarrollando en el cerebro [humano] normal, las disociamos y las pusimos en organoides. (Nota del editor: las células se obtuvieron de tejido humano post-mortem). Notamos que en aproximadamente dos semanas, demostraron un mayor estrés, al igual que las células organoides. Más interesante quizás, cuando observamos más profundamente sus patrones de expresión génica, también tenían una identidad degradada que comenzó a parecerse al problema que notamos en las células que se generaron a partir de los organoides [humanos].
Luego, tomamos las células organoides y las injertamos en el cerebro del ratón en desarrollo. Razonamos que era un entorno más normal, y si había algo en el entorno del cultivo de tejidos que estaba causando estrés, colocarlos en un entorno más normal podría aliviar ese estrés. En dos semanas más o menos, vimos que las células se habían normalizado, que los niveles de estrés se redujeron drásticamente. Y con el tiempo, la identidad celular también mejoró.
Esta fue una señal muy alentadora. Significa que las limitaciones de estos organoides son potencialmente reversibles. Si se cumplen las condiciones de cultivo correctas, podríamos reducir el estrés y mejorar la fidelidad de las células.
TS: Si resulta que las diferencias son realmente importantes, ¿sugiere eso que las personas podrían tener que volver atrás y rehacer los estudios que ya se han hecho?
AK:  ;Sí. En este momento, mientras inspecciona el campo, notará que hay mucha heterogeneidad. No todo el mundo ha podido reproducir los hallazgos de los demás. Hay variabilidad, incluso con el mismo protocolo en diferentes laboratorios.
Algunos de los fenotipos de enfermedades que se han informado no se han reproducido o, a veces, incluso hay resultados opuestos en diferentes laboratorios para la misma enfermedad. Creo que parte de esta variabilidad podría tener que ver con características que se pasan por alto, por ejemplo, el estrés que mencioné. Nos gustaría obtener modelos que sean más capaces de hacer lo que todos quieren, es decir, modelar enfermedades y desarrollo normal.
TS: El El tema de los organoides cerebrales a menudo plantea la cuestión de si estos tejidos cultivados en laboratorio algún día podrían desarrollar sensibilidad y las implicaciones éticas de eso. ¿Qué piensas sobre esto?
AK: Creo que es apropiado pensar en eso. Pero primero, creo que todos deberían darse cuenta de que estamos muy lejos de algo así en este momento. Estas células no son en realidad células normales; es poco probable que funcionen como lo harían las células normales. También representan una pequeña fracción de los tipos de células que se encuentran en la corteza cerebral normal y no solo no tiene los mismos elementos, sino que ciertamente no los tiene en los circuitos correctos.
Además de eso , tampoco tienen entrada sensorial. Y luego, por supuesto, tendrías que tener cierta masa de tejido. Estos pequeños fragmentos que la gente está haciendo son una pequeña fracción de la corteza. Hay varios obstáculos en el camino antes de que podamos comenzar a pensar en algo que posiblemente podría ser una preocupación ética.
A medida que maduran los organoides cerebrales, surgen cuestiones éticas
Nota del editor: la entrevista se editó por motivos de brevedad.
Diana Kwon es una periodista independiente radicada en Berlín. Síguela en Twitter @DianaMKwon.