N.61 – Los modelos de organoides humanos

Esta reseña comprende siete (7) artículos y cuatro (4) materiales complementarios (videos, guías e infografías) referidos al potencial de los organoides y los embriones quiméricos en la investigación biomédica y en la indagación de líneas terapéuticas. El primero (1) trata sobre la utilidad de los organoides para explorar la biología y las enfermedades humanas. El segundo (2) se refiere a la exploración de organoides cerebrales para diagnóstico/prospección de enfermedades y prueba de medicamentos. El Los modelos de organoides humanos tercero (3) presenta un modelo que mejora sustancialmente la eficiencia y el costo del cultivo, seguimiento y toma de imágenes de organoides cerebrales. El cuarto (4) trata sobre organoides que muestran cómo los virus pueden afectar el desarrollo cerebral. El quinto (5) se refiere a la generación de embriones quiméricos humano-mono. El sexto (6) y el séptimo (7) abordan cuestiones sociales, éticas y de gobernanza asociadas a los organoides y embriones quiméricos desarrollados en laboratorio. Como referencia (8) se presenta un video (de Teach Me in 10) en el cual el Dr. Christopher Esk (del Instituto de Biotecnología Molecular de Viena, Austria) se refiere al uso de organoides cerebrales para el análisis sistémico del desarrollo del tejido cerebral humano. Como referencia (9) se presenta la infografía “Organoids – Revolutionizing the Study of Human Development and Disease”. Como referencia (10) se presenta la Guía para el Análisis de Organoides. Como referencia (11) se incluye un video acerca del “nacimiento” de los organoides cerebrales.

1.- Primer artículo: Utilidad de los organoides para explorar la biología y las enfermedades humanas (1)

Los avances en las tecnologías de células madre y cultivo celular permiten generar agregaciones tridimensionales de células (denominadas “organoides”) que replican -en miniatura- la estructura y fisiología de determinados órganos humanos, tales como hígado, pulmón, páncreas, intestino, riñón o cerebro. Permiten comprender cómo crecen los órganos, cómo se desarrollan las enfermedades y qué líneas terapéuticas pueden ser propicias para tratarlas.

Technology Networks entrevistó a Soumita Das, profesora asociada de la Universidad de California en San Diego, para conocer los modelos de organoides que está desarrollando su equipo y cómo se utilizan esos modelos para investigar la inflamación gastrointestinal, las interacciones cáncer-microbioma, la medicina personalizada y otras diversas cuestiones.

Con relación a cómo obtienen el material para desarrollar modelos de organoides, Das señaló que obtienen células madre de muestras (quirúrgicas o de biopsia) de tejido gastrointestinal y pulmonar, que luego cultivan en medios acondicionados enriquecidos con WNT, R-Spondin, Noggin. Los datos de donantes se ingresan a un banco de datos para conservar sus metadatos: edad, sexo, estado de enfermedad e historial de medicamentos.

La modalidad que se adopta para cultivar los organoides depende de la historia del paciente, la localización y el estadio de la enfermedad. Como cada línea de organoides reúne factores de heterogeneidad según su fenotipo y genotipo, requiere atención individual y un período de tiempo propio para crecer.

Tras describir las aplicaciones clave que han venido explorando, con abundantes referencias a los respectivos resultados y publicaciones, destacó que el mayor impacto de los organoides se concentrará en la investigación traslacional para: (a) desarrollar modelos personalizados de enfermedad, (b) identificar biomarcadores y desarrollar enfoques preventivos para bloquear el inicio de la enfermedad, (c) cribar fármacos antes de suministrarlos al paciente y clasificar los tipos de subenfermedades, y (d) reemplazar partes de tejido dañado por organoides en medicinas regenerativas.

Respecto de la mejora del descubrimiento de fármacos con pruebas de “Fase 0” basadas en organoides, destacó que se requiere un mayor desarrollo tecnológico, principalmente para incorporar la vascularización al interior de los organoides. Lo más desafiante será determinar los medios de crecimiento y las condiciones de cultivo requeridas, así como la proporción de los distintos tipos de células requeridas para representar las condiciones fisiológicas in vivo.

2.- Segundo artículo: La exploración de organoides cerebrales para diagnóstico/prospección de enfermedades y prueba de medicamentos (2.1.) (2.2.)

El artículo aquí reseñado proviene de un equipo de investigadores e ingenieros del Tissue Engineering Laboratory de la Haute école du paysage, d’ingénierie et d’architecture de Genève, de la Haute école spécialisée de Suisse occidentale (HEPIA HES-SO), University of Applied Sciences and Arts Western Switzerland, Geneva, Switzerland y del Wyss Center for Bio and Neuroengineering, Geneva, Switzerland.

Revela -por primera vez- la anatomía interna detallada de los “organoides cerebrales”, que son agregaciones tridimensionales (de tamaño milimétrico) de distintos tipos de células cerebrales humanas. Se utilizan como herramienta para aprender acerca de cómo se desarrolla el cerebro, estudiar enfermedades y probar nuevos medicamentos. El cultivo de organoides personalizados permite obtener indicios sobre cómo progresará una enfermedad cerebral en un determinado individuo y cómo podrá éste responder a los medicamentos.

Sin perjuicio de los avances en el desarrollo de “organoides cerebrales”, sólo recientemente se produjeron imágenes 3D de alta resolución de neuronas individuales dentro de organoides íntegros e intactos (sin cortarlos), de manera que toda la muestra sea totalmente transparente. El nuevo enfoque podría contribuir al descubrimiento de fármacos o pruebas de toxicidad, así como a acelerar estudios de medicina personalizada.

3.-Tercer artículo: Desarrollan organoides cerebrales más eficientes y económicos (3.1.) (3.2.)

El cultivo de organoides -para capturar la dinámica in vitro de los procesos de desarrollo en el cerebro- requiere un entorno controlado con un seguimiento cuidadoso para asegurarles una adecuada nutrición e intercambio de gases.

En el artículo aquí reseñado, investigadores del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria del MIT y del Instituto Indio de Tecnología de Madras describen el diseño de un chip y un biorreactor de microfluidos impreso en 3D (de bajo costo) que proporciona un entorno ideal para el cultivo y resguardo del crecimiento de organoides, ya que garantiza temperatura y flujo controlado de medios, evita cualquier posibilidad de contaminación y permite el seguimiento in situ. Proporciona también una cámara para obtener imágenes 3D en vivo de los organoides cerebrales vivos e intactos a medida que crecen, de manera que puede analizarse su autoorganización en un entorno controlado con alta resolución temporal y espacial. La cámara permite también el seguimiento de células individuales a medida que crecen.

Dada la posibilidad de cultivar y mantener los organoides cerebrales de manera eficiente por extensos períodos de tiempo, pueden crearse organoides con antecedentes genéticos saludables o destinados a desarrollar distintas patologías. Dado que el crecimiento ocurre en un ambiente completamente cerrado, pueden replicarse interacciones entre organoides humanos hospedadores con diversos patógenos, con el potencial de acelerar el desarrollo de terapias.

Por último, se resalta que los gastos de diseño del equipo son significativamente menores en comparación con los dispositivos de cultivo de organoides tradicionales. Además el chip utilizado puede lavarse, esterilizarse y reutilizarse.

4.- Cuarto artículo: Organoides cerebrales muestran cómo los virus pueden afectar el desarrollo cerebral (4.1.) (4.2.)

La microcefalia, una malformación en el desarrollo del cerebro fetal, puede ser causada por diversas infecciones durante el embarazo. Los agentes infecciosos en cuestión se agrupan como “patógenos TORCH”, en referencia a Toxoplasma gondii, Otro, Rubéola, Citomegalovirus humano (HCMV), Virus del herpes simple 1 y 2 (HSV-1 y HSV-2), así como el virus Zika (ZIKV).

Dada la carencia de modelos experimentales adecuados, hasta ahora no se sabía si todos los patógenos TORCH conducen a la microcefalia a través del mismo mecanismo. Los dos principales problemas para investigar estas afecciones son: (a) la dificultad para probar los efectos nocivos en el desarrollo del cerebro fetal durante el embarazo, dadas las limitaciones para la investigación directa en fetos humanos, y (b) la inadecuación de los modelos animales de laboratorio, ya que no son los huéspedes naturales de los virus ni representan un modelo preciso del desarrollo del cerebro humano.

En el artículo aquí reseñado, investigadores del IMBA (Instituto de Biotecnología Molecular de la Academia de Ciencias de Austria) demuestran –mediante el uso de un modelo de organoide cerebral derivado de células madre pluripotentes humanas (CMPh)- que diferentes virus –del Zika (ZIKV) y del herpes simple (HSV-1)- pueden provocar microcefalia a través de mecanismos diversos.

Se señala que el equipo de investigación pudo: (a) eludir las referidas dificultades y obtener valiosos conocimientos sobre fenotipos que replican la microcefalia en los organoides, (b) demostrar que tanto ZIKV como HSV-1 se propagan en organoides y detienen su crecimiento al promover la muerte celular, (c) comparar modelos 3D de organoides cerebrales humanos infectados con diferentes virus y diseccionar los parámetros estructurales, celulares, transcripcionales e inmunológicos subyacentes, (d) mostrar (a través del perfil transcripcional) una característica única de la infección por HSV-1 en organoides: una propensión a deteriorar su identidad neuroepitelial, y (e) mostrar que, aun cuando tanto el ZIKV como el HSV-1 atenúan el sistema de respuesta inmune del interferón de tipo I (IFN) en los organoides, parecen hacerlo a través de diferentes mecanismos.

Los hallazgos destacan las distintas rutas utilizadas por diversos virus TORCH para causar microcefalia y revelan defensas inmunitarias celulares complejas, como el papel neuroprotector de varias respuestas de IFN de tipo I. La importancia de estos hallazgos también reside en su observación única en cultivos de organoides cerebrales en 3D, y no en sistemas de cultivo en 2D, lo que enfatiza la superioridad de los modelos de organoides en la reproducción de condiciones neuropatológicas inducidas por virus y su relevancia en el estudio de los mecanismos de infecciones virales.

En conjunto, esta nueva investigación del laboratorio de Knoblich presenta modelos de infección en organoides que podrían ayudar a probar agentes terapéuticos contra infecciones por ZIKV y HSV-1 y diseccionar mejor las respuestas de interferón humano.

Se concluye señalando que, al infectar específicamente los organoides con virus, no solo puede aprenderse sobre las complejas interacciones críticas del desarrollo del cerebro en los seres humanos, sino también apuntar mejor a los puntos débiles de esos virus para encontrar posibilidades de nuevas terapias.

5.- Quinto artículo: Generan embriones quiméricos humano-mono para estudiar la comunicación entre los respectivos genes dentro de las células quiméricas (5.1.) (5.2.) (5.3.) (5.4.) (5.5.)

Según datos del Registro Mundial de Trasplantes, en 2019 se llevaron a cabo 146.840 trasplantes de órganos en todo el mundo, lo que representa una ínfima parte de los trasplantes que serían necesarios. La necesidad de órganos ha conducido a diferentes propuestas para obtenerlos de otras especies o crear organismos quimera para desarrollar órganos humanos en otros animales.

En biología, el término quimera se refiere a aquellos animales generados al combinar células embrionarias de individuos distintos, de la misma o distinta especie. Durante los últimos años, la formación de quimeras interespecie supone una estrategia prometedora para diversas aplicaciones de medicina regenerativa, incluida la generación de órganos y tejidos para trasplantes.

La generación de quimeras entre humanos y animales exhibió históricamente una baja eficiencia en la integración de las células humanas en la especie huésped. En estudios previos se intentó incorporar células humanas en embriones de cerdo, pero la contribución de las células humanas a los embriones fue sumamente baja, debido quizás a que la distancia evolutiva entre ambas especies dificulta la comunicación entre las respectivas células. Por ello se decidió investigar el comportamiento de las células humanas en embriones quimera con una especie mucho más cercana.

En la investigación aquí reseñada -realizada en el Instituto Salk (EE.UU.), en colaboración con investigadores de la Universidad Católica San Antonio de Murcia y la Universidad Kunming de China- se crearon embriones quimera interespecies incorporando células madre pluripotentes extendidas humanas (hPSC) en embriones de mono cynomolgus (Macaca fascicularis), los cuales fueron cultivados ex vivo durante 19 días.

El estudio demostró el potencial de las células madre humanas para contribuir a diferentes tipos celulares en embriones quimera y proporcionó nueva información sobre cómo se comunican entre sí las células humanas y de mono cuando se mezclan durante el desarrollo embrionario temprano. Los resultados del trabajo representan un paso relevante en la posibilidad de generar -en ganado porcino- órganos y tejidos humanos destinados a trasplantes o medicina regenerativa. También podrían sentar la base para desarrollar plataformas en las que pueda estudiarse cómo se originan enfermedades concretas o cómo envejece cada órgano.

Los autores del trabajo reconocen que existen múltiples consideraciones éticas para tener en cuenta al trabajar con embriones quimera, especialmente si se utilizan primates no humanos. Señalan que, para el estudio, se realizó -por adelantado- una minuciosa revisión de los planes de investigación y protocolos, revisiones éticas a nivel institucional y por parte de expertos profesionales de bioética, así como que todos los experimentos fueron realizados ex vivo, y se limitaron al desarrollo temprano.

En paralelo al artículo del equipo se publica un comentario que plantea la necesidad de una evaluación ética de este tipo de investigaciones por parte de la sociedad, basada en la comprensión de los experimentos que se realizan y su justificación frente a los posibles riesgos. También se destacan los siguientes aspectos por evaluar: bienestar de los animales utilizados, origen de las células humanas, objetivo de mezclar células o tejidos humanos con los de otras especies, debate público sobre la investigación con primates no humanos o humanos.

6.-Sexto artículo: Nuevos modelos del cerebro humano: Ciencia, ética y gobernanza (6.1.) (6.2.)

Los nuevos modelos para estudiar células y tejidos del cerebro humano (organoides, trasplantes y quimeras) permiten avanzar en la comprensión del cerebro y sentar las bases para nuevos enfoques terapéuticos para enfermedades neurológicas y psiquiátricas.

Sin embargo, dado que el cerebro es el órgano que, en mayor medida, proporciona a los humanos su identidad individual, los avances con esos modelos plantean profundas cuestiones éticas sobre el consentimiento, el bienestar y los derechos de los sujetos de investigación, entre otras cuestiones.

Si bien muchas de las inquietudes éticas planteadas pueden abordarse con mecanismos de supervisión existentes, algunas cuestiones deberán reevaluarse en la medida que lo requieran los nuevos desafíos; por ejemplo, a medida que los organoides cerebrales se vuelvan más complejos. Tales cuestiones se beneficiarían con debates que incluyan una amplia gama de disciplinas y puntos de vista.

El informe aquí reseñado es fruto de un estudio que, realizado por el Comité de Asuntos Éticos, Legales y Regulatorios Asociados con Quimeras Neurales y Organoides de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina de EE.UU. (*), fue patrocinado por los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Dana. Ofrece hallazgos (no recomendaciones específicas) para orientar a investigadores, médicos, reguladores y al público en la ponderación de las investigaciones frente a las preocupaciones éticas que plantean.

Mejor comprensión y nuevas terapias neurales

La escasez de tratamientos para enfermedades neurológicas devastadoras (como las de Alzheimer y Parkinson) se debe, en gran parte, a la dificultad para investigar sobre el cerebro humano. Los estudios directos sobre humanos son inviables por razones técnicas, legales y éticas, mientras que los modelos animales no logran, a menudo, capturar las características clave de las enfermedades humanas.

Como respuesta a esta inviabilidad, se han desarrollado nuevos modelos de investigación, entre ellos: (a) Organoides neurales humanos: son pequeños agregados tridimensionales de células neurales humanas cultivados en laboratorio a partir de células madre, (b) Trasplantes neurales humanos: se insertan células madre humanas en cerebros de animales no humanos completos para estudiar la interacción de neuronas, glía y otras células cerebrales en el contexto del comportamientos de dichos animales, y (c) Quimeras neuronales humanas: se inyectan células madre humanas durante el desarrollo embrionario de un animal no humano (son un caso especial de trasplantes), de manera que se entremezclen con las células huésped que forman el cerebro y lo pueblen desde la etapa más temprana.

Dichos modelos proporcionan formas novedosas de comprender el desarrollo normal y anormal del cerebro humano, analizar los mecanismos de la enfermedad y evaluar los enfoques terapéuticos. Tienen el potencial de aportar invalorables posibilidades a los estudios, así como allanar el camino hacia terapias transformadoras para enfermedades neurológicas y psiquiátricas. Sin embargo, dicho potencial debería sopesarse cuidadosamente con las preocupaciones éticas y de gobernanza que pueden suscitar tales modelos.

Cuestiones éticas complejas

Existen sólidos argumentos en favor de la investigación con organoides, trasplantes y quimeras derivadas de células humanas, ateniéndose a normas y consideraciones éticas, tales como garantizar el consentimiento informado, el bienestar y los derechos de los donantes de materiales biológicos humanos. Una preocupación ética es si los materiales biológicos previamente recolectados y desidentificados pueden usarse para este tipo de investigación sin el consentimiento específico de los donantes.

Otras inquietudes se relacionan con el bienestar animal. A medida que el trasplante y los modelos quiméricos de enfermedades cerebrales humanas logren replicar las características clave de la enfermedad, es probable que los animales de investigación muestren comportamientos que se asemejen a los angustiantes síntomas humanos. Las objeciones podrían agudizarse si los animales huéspedes adquirieran comportamientos alterados atípicos de su especie, particularmente si se utilizaran primates no humanos como huéspedes.

Además, estos estudios plantean preocupaciones morales, éticas y religiosas con respecto a la combinación entre humanos y otros animales; por ejemplo, que los animales puedan adquirir atributos distintivamente humanos, o amenazantes para la dignidad humana.

Al explorar estas cuestiones, el Comité escuchó a científicos biomédicos, especialistas en ética, eruditos religiosos y expertos legales. Ello proporcionó información valiosa, y es importante continuar dichos diálogos a medida que se desarrollen los avances científicos.

También cabría involucrar al público en tales discusiones, informándolo sobre la investigación e identificando sus preocupaciones, respetando la diversidad de opiniones religiosas y seculares sobre estos temas. EE.UU. carece hoy de mecanismos sólidos para facilitar esta participación pública.

En la actualidad y en el corto plazo, las preocupaciones éticas acerca de estas cuestiones se abordan mediante los mecanismos de supervisión existentes, que incluyen comités de supervisión de la investigación con células madre (SCRO), comités institucionales de uso y cuidado de animales (IACUC), juntas de revisión institucional (IRB), restricciones de financiación y pautas profesionales. Sin embargo, algunos organismos de supervisión podrían necesitar acceder a experiencia adicional en trasplantes neurales o investigación de quimeras o evaluación del comportamiento de animales trasplantados o quiméricos.

Reevaluar la supervisión a medida que se desarrolle la ciencia

Las futuras investigaciones, que quizás incluyan organoides cerebrales humanos más complejos y trasplantes y quimeras en primates no humanos, se beneficiarán de una discusión adicional sobre cuestiones éticas y sociales. Es ventajoso llevar a cabo tales discusiones a nivel nacional, donde se podría convocar una amplia gama de puntos de vista y disciplinas. Sin embargo, no existe un organismo actual que aborde esta necesidad.

(*) El estudio, realizado por el Comité de Asuntos Éticos, Legales y Regulatorios Asociados con Quimeras Neurales y Organoides, fue patrocinado por los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Dana. Las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina son instituciones privadas sin fines de lucro que brindan análisis y asesoramiento independientes y objetivos a la nación para resolver problemas complejos e informar decisiones de políticas públicas relacionadas con la ciencia, la tecnología y la medicina. Operan bajo una carta del Congreso de 1863 de la Academia Nacional de Ciencias, firmada por el presidente Lincoln.

7.- Séptimo artículo: ¿Está la sociedad preparada para cerebros desarrollados en laboratorio? (7.1) (7.2.)

En 2008 se desarrolló el primer tejido neural tridimensional humano, conocido como “organoide cerebral” y, durante los últimos años, se trasplantaron organoides de cerebro humano en cerebros de animales no humanos. Dado que estos experimentos han motivado diversas preocupaciones éticas, es prioritario clarificar qué es éticamente admisible o inadmisible en la investigación de organoides cerebrales.

Mediante la utilización de células madre se fabrican células -cardíacas, cerebrales y de otros tipos- que son trasplantadas a los pacientes como una forma de terapia celular. Se anticipa que lo mismo será posible con los órganos. La investigación con células madre ofrece la posibilidad de desarrollar xeno-órganos. En principio, algunos animales (por ejemplo, porcinos) se convertirían en granjas de órganos que podrían recolectarse y eludir el largo tiempo de espera de los donantes humanos.

El artículo aquí reseñado procede de un grupo de investigadores internacionales dirigido por Tsutomu Sawai, profesor asistente en el Instituto Universitario de Kyoto para el Estudio Avanzado de Biología Humana (ASHBi) y el Centro de Investigación y Aplicación de Células iPS (CiRA). Sus objetivos son los siguientes: (a) enunciar problemas éticos relacionados con la investigación y aplicación de organoides cerebrales, y (b) proponer direcciones futuras para una consideración ética y debates políticos en ese campo.

En el artículo se describe el estado actual de la investigación sobre organoides cerebrales y luego se enuncian preocupaciones éticas relacionadas. Se discuten cuestiones éticas relacionadas con: (i) organoides cerebrales in vitro, (ii) organoides cerebrales que forman complejos o tienen relaciones con otras entidades, (iii) desarrollo de conciencia en organoides cerebrales, y (iv) ética y gobernanza de la investigación. Finalmente se proponen políticas que tengan en cuenta la ética de la investigación y aplicación de los organoides cerebrales y se sugiere la necesidad de un marco internacional para regular dichas cuestiones

Una fuente de problemas está dada por los trasplantes. ¿Resulta admisible implantar organoides cerebrales en animales para observar cómo se comporta el cerebro? Los autores creen que la posibilidad de conexiones no deseadas entre el organoide cerebral trasplantado y el cerebro animal merece ciertas precauciones, no tanto por una humanización biológica del animal (que puede ocurrir con cualquier organoide), sino por una humanización moral exclusiva del cerebro.

El trasplante de organoides cerebrales podría brindar información crucial sobre cómo se generan enfermedades como la demencia o la esquizofrenia y los tratamientos para curarlas. Si el animal desarrolló rasgos humanizados, entonces tratarlo de manera subhumana violaría la dignidad humana, un principio básico de la práctica ética.

Sin perjuicio de las consideraciones anteriores, la mayor preocupación con respecto al trasplante de organoides cerebrales no involucra a los animales. Hay buenas razones para creer que a medida que avanza la investigación, el futuro traerá la posibilidad de trasplantar estas estructuras a pacientes que sufrieron un traumatismo repentino, un derrame cerebral u otra lesión cerebral. Ya existen varios ensayos clínicos que involucran el trasplante de células cerebrales como terapia celular en pacientes con tales lesiones o enfermedades neurodegenerativas.

Para evitar una posible pérdida de confianza pública en la investigación de organoides cerebrales, se establece explícitamente que todas las partes interesadas, incluidos los especialistas en ética, los responsables de la formulación de políticas y los científicos, deben mantenerse en comunicación constante sobre el progreso en este campo y sus implicaciones éticas, legales y sociales.