N.68 – Sistemas microfisiológicos y organoides

Los sistemas microfisiológicos (“microphysiological systems”, MPS) consisten en órganos en chips (“organs-on-chips”) y construcciones de órganos diseñados por ingeniería tisular (“tissue-engineered”) con células humanas. El continuo desarrollo de MPS aporta nuevas herramientas a la biología, la medicina, la farmacología, la fisiología y la toxicología, a través de modelos para huesos y cartílagos, cerebro, tracto gastrointestinal, pulmón, hígado, microvasculatura, tracto reproductivo, músculo esquelético y piel. La motivación inicial para la creación de MPS fue aumentar la velocidad, la eficiencia y la seguridad del desarrollo y las pruebas farmacéuticas, dado que ni los monocultivos celulares ni los estudios con animales pueden replicar adecuadamente la dinámica de los fármacos y los órganos, ni las interacciones fármaco-fármaco y fármaco-órgano-órgano en humanos.

La conjunción e integración de MPS con organoides permite preservar la complejidad en el monitoreo -en tiempo real- de las interacciones de órganos, tejidos y células. Los organoides, que son órganos miniaturizados con una estructura tridimensional y múltiples capas de células, tienen ventajas sobre los modelos bidimensionales al mantener la microestructura anatómica y las funciones básicas del órgano replicado. Los organoides se generan a partir de células de tejido primario, células madre embrionarias o células madre pluripotentes inducidas (iPSC). Poseen la capacidad de autoensamblaje, autorrenovación y diferenciación. Su tamaño varía desde una escala micrométrica a milimétrica. En el Newsletter DPT 61, de junio 2021, presentamos una reseña de artículos y materiales complementarios referidos al potencial de los organoides y los embriones quiméricos en la investigación biomédica y en la indagación de líneas terapéuticas (*). Dado el relevante potencial de los organoides como modelos para desarrollos en bioingeniería y biotecnología, en la presente reseña reunimos materiales más recientes referidos a la temática.

La presente reseña comprende doce (12) documentos. El primero (1) se refiere a las técnicas, aplicaciones y oportunidades de los sistemas microfisiológicos. En el segundo (2) se describe una plataforma IA de “pacientes en un chip” para evaluar la seguridad y eficacia de nuevos medicamentos con mayor eficacia y menor costo. El tercero (3) trata sobre el uso de organoides para la modelación de enfermedades y desarrollo de fármacos. En el cuarto (4) se presenta una infografía sobre el concepto, creación, aplicaciones y potencial de los organoides. El quinto (5) aborda la cuestión de las imágenes y análisis de modelos celulares 3D avanzados. El sexto (6) es un manual de cultivo de organoides. El séptimo (7) señala cómo los organoides están impulsando la investigación de enfermedades infecciosas y la medicina personalizada. El octavo (8) trata sobre cómo los organoides cardíacos (cardioides) revelan principios auto-organizativos de la cardiogénesis humana. El noveno (9) describe un tipo de organoide que replica la comunicación entre distintos tejidos durante el desarrollo de la vida humana. El décimo (10) se refiere a los organoides de riñón. El undécimo trata sobre organoides de estómago con capacidades avanzadas. El undécimo (11) trata sobre organoides de estómago con capacidades avanzadas. El duodécimo (12) se refiere al uso de organoides cerebrales para el estudio de la esquizofrenia y otras enfermedades neuropsiquiátricas.

1.- Primer documento: Sistemas microfisiológicos: técnicas, aplicaciones y oportunidades (1.1) (1.2.)

Los sistemas microfisiológicos (“microphysiological systems”, MPS), también conocidos como “órgano en un chip” o “cuerpo en un chip”, han ganado una significativa atención durante los últimos años. En comparación con los ensayos de cultivo celular bidimensional estático o los modelos animales, replican con mayor precisión la fisiología humana, las enfermedades y los efectos de los fármacos en diversos tejidos.

En el artículo aquí reseñado se destacan los avances fundamentales para el desarrollo de MPS, así como aplicaciones clave y oportunidades futuras. Los MPS permiten a los investigadores reproducir interacciones complejas de múltiples órganos, ayudándoles a responder preguntas específicas de investigación. En el artículo se destacan cinco (5) áreas clave de investigación:

(a) Metástasis de cáncer. La metástasis en un chip funciona integrando modelos complejos del tumor primario con el entorno metastásico. (por. ejemplo, se han utilizado organoides del intestino y del hígado para reflejar la metástasis del cáncer colorrectal).

(b) Identificación de fármacos y toxicidad. Los MPS se están utilizando en el desarrollo temprano de fármacos para identificar compuestos prometedores con potencial terapéutico y para determinar la seguridad de terapias nuevas y existentes. Mediante et uso de MPS es posible mejorar la efectividad y seguridad de los medicamentos, reducir el tiempo, los costos y los riesgos, y acelerar la medicina personalizada.

(c) Modelado de enfermedades: Los MPS se han utilizado para imitar el eje bidireccional intestino-riñón, que se cree que juega un papel clave en el desarrollo de la enfermedad renal. También se exploran -utilizando MPS- enfermedades neurodegenerativas e infecciosas (como Covid-19).

(d) Medicina personalizada: Los MPS pueden utilizarse para explorar efectos de fármacos en pacientes individuales o grupos de pacientes, utilizando tejido derivado del paciente.

(e) Predicción de la permeabilidad de los fármacos: Los MPS intestinales permiten esta predicción.

Uso de sistemas microfisiológicos para estudiar COVID-19

El interés en el uso de MPS para investigar la fisiología pulmonar y los estados patológicos aumentó notoriamente durante el último año debido a la aparición del SARS-CoV-2 y la subsiguiente necesidad urgente de descubrir nuevos medicamentos y reutilizar los existentes para combatir la enfermedad Covid-19. Si bien seguramente existen beneficios al evaluar Covid-19 usando un solo dispositivo de pulmón en un chip, la naturaleza sistémica de la enfermedad implica la necesidad de un MPS de múltiples órganos para reflejar los efectos secundarios y sistémicos de las drogas por probar. También es importante la inclusión de otros tipos de células (como las células inmunes) en el desarrollo de modelos relevantes para estudios relacionados con infecciones.

Oportunidades futuras

Los MPS continúan demostrando su valor en numerosas aplicaciones. Su desarrollo ha requerido una estrecha colaboración entre numerosas disciplinas, y las innovaciones tecnológicas -como la inteligencia artificial (IA)- seguramente contribuirán a mayores avances en las capacidades de estos sistemas.

2.- Segundo documento: Plataformas de “pacientes en un chip” para evaluar la seguridad y eficacia de nuevos medicamentos con mayor eficacia y menor costo (2.1.) (2.2.)

La investigación y el desarrollo de fármacos demandan miles de millones de dólares, miles de animales por sacrificar y muchos años de trabajo, sin garantía alguna de éxito. La mayoría de los medicamentos nuevos fallan en los ensayos clínicos y ello tiene un costo de más de $ 30 mil millones al año para las compañías farmacéuticas. Como se percibe que esa ecuación carece cada vez más de sentido, se presta suma atención a las plataformas de predicción clínica sustentadas en inteligencia artificial (IA) para evaluar la seguridad y eficacia de nuevos medicamentos, con mayor eficacia y una drástica reducción de los costos de desarrollo. Las tecnologías hoy disponibles de “órgano en chip” para probar candidatos a fármacos en órganos específicos (por ejemplo, el hígado) no ofrecen un rendimiento satisfactorio, ya que combinar varios órganos para construir un “paciente en un chip” resulta sumamente engorroso e imposible de escalar-

El documento aquí reseñado se refiere a una plataforma recientemente lanzada (“Quris”) -automatizada, miniaturizada y altamente escalable- con la que pueden probarse miles de nuevos candidatos a fármacos, en cientos de “pacientes en un chip”. Participan activamente en la orientación científica, tecnológica y estratégica de esta plataforma el premio Nobel israelí Aaron Ciechanover y el cofundador de Moderna, Robert S. Langer. La solución permite realizar múltiples experimentos simultáneamente para entrenar a la IA y permitir que ésta determine si el medicamento es o no seguro. La plataforma Quris está corporizada en un dispositivo que mide 2×3 pulgadas y simula un centenar de “pacientes en un chip” mediante el uso de diferentes arquitecturas e innovaciones en nanosensibilidad.

Si bien la mayor ventaja de la plataforma reside en el ahorro de tiempo y dinero, es también importante la posibilidad de eliminar (o minimizar) el uso de animales en las pruebas de drogas. Además de razones de bienestar animal, se señala que los resultados de los ensayos con animales no siempre son predictores de lo que funcionará para las personas.

Probar si un medicamento es tóxico en un “paciente en un chip” es mejor que probarlo en un ratón, pero no es perfecto porque distintas personas reaccionan de manera diferente a la misma droga. Aquí es donde entra en juego la asociación exclusiva de Quris con el Instituto de Investigación de la Fundación de Células Madre de Nueva York (NYSCF). Se generan células madre, y a partir de ellas diferentes órganos, por lo que se dispone de un ensayo clínico completo en un chip antes de probarlo en humanos. Al probar miles de medicamentos (que se sabe si son seguros o inseguros) en “pacientes en un chip”, puede entrenarse a la IA para crear muestras representativas de poblaciones con múltiples características diversas.

Las empresas farmacéuticas pueden utilizar la plataforma de Quris para desarrollar, con mayor rapidez, medicamentos más seguros. Pero Quris también utiliza su plataforma para sus propios desarrollos de medicamentos centrados en tres áreas que manifiestan notorios problemas en términos de seguridad y eficacia: enfermedades cerebrales, hepáticas y cáncer. Se señala también que tiene sentido centrarse en enfermedades genéticas raras que no pueden modelarse en ratones y que no están lo suficientemente extendidas como para atraer inversiones para el desarrollo de medicamentos.

El primer fármaco de Quris aborda el síndrome de X frágil, la causa hereditaria más común de autismo y discapacidad intelectual en todo el mundo. Este candidato a fármaco, desarrollado inicialmente en la Universidad Hebrea de Jerusalén, pasará a pruebas clínicas en la primera mitad de 2022. Según la empresa: “Este será un caso de prueba para demostrar cómo el sistema Quris contribuye a llevar un medicamento al mercado en 5 años con un costo de millones de dólares, y no en 20 años con miles de millones”.

Además de las 18 patentes obtenidas y pendientes por la empresa Quris, ésta tiene asociaciones con Technion para varios aspectos en desarrollo, con la Universidad de Tel Aviv en nanotecnología y con la escisión (para descubrimiento de fármacos) NewStem de la Universidad Hebrea. Quris dispone de un equipo humano ajustado de aproximadamente 20 personas (biólogos, biotecnólogos, químicos, nano científicos, expertos en micromecánica, IA y robótica) que utilizan la bioconvergencia para resolver grandes problemas.

 3.- Tercer documento: Uso de organoides para modelación de enfermedades y desarrollo de fármacos (3)

Los organoides se utilizan con éxito para estudiar efectos biológicos complejos, arquitectura y funcionalidad de los tejidos. Si bien la complejidad de los organoides sigue siendo un desafío, los avances tecnológicos están permitiendo que los organoides se desarrollen y controlen de forma automatizada, de modo que puedan explotarse -con alto rendimiento- en ensayos de detección de drogas.

Dada la complejidad del análisis de imágenes de organoides, la nota describe cómo los análisis automatizados de las imágenes permiten: (a) mejorar la evaluación cuantitativa de los cambios fenotípicos exhibidos, (b) ayudar a superar la complejidad del análisis de imágenes de organoides, (c) aplicarse a la evaluación de toxicidad, modelado de enfermedades y prueba de efecto compuesto. La presentación fue provista por Molecular Devices.

4.- Cuarto documento: Organoides: Infografía sobre concepto, creación, aplicaciones y potencial (4)

Los organoides (denominados también “miniórganos”) son pequeños conjuntos de células autoorganizadas en 3D que muestran algunas características fisiológicas de un determinado órgano. Se espera que los organoides reduzcan la necesidad de pruebas en animales y ofrezcan mejores modelos para estudiar cómo se forman los órganos humanos y cómo ese proceso se desvía en la enfermedad. Con la descarga la infografía podrá explorarse: (a) Qué son los organoides, (b) Cómo se crean, (c) Principales aplicaciones, y (d) El futuro de la investigación con organoides.

5.- Quinto documento: Imágenes y análisis de modelos celulares 3D avanzados (5)

Al recrear muchas de las interacciones que tienen lugar en los tejidos nativos, los esferoides y organoides proporcionan modelos fisiológicamente más precisos de enfermedad y su desarrollo. Además de contribuir a la obtención de conocimientos sobre procesos biológicos complejos, estos modelos celulares 3D son también poderosas herramientas para el desarrollo de diagnósticos y terapias novedosos.

El libro electrónico aquí comentado -desarrollado en 3 partes- explora las aplicaciones más recientes de los modelos celulares 3D y examina cómo el cultivo celular de última generación y los equipos de imágenes 3D están permitiendo avances en todo el espectro, desde la medicina personalizada hasta el modelado de la invasión de células tumorales.

El ibro electrónico permite comprender cómo: (a) La diferenciación de líneas de células madre pluripotentes inducidas (iPS) en organoides está impulsando avances en la investigación de enfermedades y el descubrimiento de fármacos, (b) Los esferoides y organoides derivados del paciente se utilizan para la elaboración de perfiles de compuestos en el desarrollo de medicamentos personalizados, y (c) El software de análisis de imágenes avanzado proporciona mediciones precisas de la morfología del cáncer, una mejor evaluación de la eficacia del fármaco y una cuantificación precisa de la invasión de esferoides cancerosos.

6.- Sexto documento: Manual de cultivo organoides (6)

Los organoides, junto con los avances en la tecnología de reprogramación celular y los métodos de edición de genes, permiten una visión sin precedentes del desarrollo humano, el modelado de enfermedades, la detección de fármacos y el trasplante de tejidos y órganos.

Si bien los métodos para generar organoides se hallan aún en plena evolución, actualmente funcionan aplicaciones precisas que contribuyen notablemente a nuestra comprensión de la biología básica de los órganos y la regeneración de tejidos.

El manual proporciona información útil sobre: (a) Optimización de las condiciones de cultivo de organoides, (b) Organoides específicos de tejido, (c) Recomendaciones de solución de problemas para el cultivo de organoides. El manual es ofrecido por la firma Biotechne

7.- Séptimo documento: Cómo los organoides están impulsando la investigación de enfermedades infecciosas y la medicina personalizada (7)

En todos los campos de la biología hay dos preguntas fundamentales: “¿Cuáles son las señales que gobiernan la formación y estabilidad del estado diferenciado? ¿Puede replicarse la morfogénesis en los cultivos?” La relevancia de estas preguntas reside en que disponer de la capacidad de replicar la función de los tejidos y diseccionar la progresión de la enfermedad in vitro abre diversas puertas para el descubrimiento de fármacos y permite a los investigadores explorar preguntas que no pueden responderse in vivo.

Junto con los esfuerzos para replicar la función de los tejidos, ha habido una creciente apreciación de la importancia de la arquitectura 3D en la diferenciación funcional. Si bien los cultivos de células en 2D fueron útiles, difieren significativamente de las condiciones in vivo, lo que dificulta la traslación de los hallazgos a la clínica. Del mismo modo, si bien los estudios con animales fueron fundamentales para el progreso en todos los sectores de la salud; las diferencias entre especies en cuanto a absorción, distribución, metabolismo, excreción y toxicidad (ADMET) limitan la capacidad de predicción. Junto con el alto costo y la alta tasa de fracaso del desarrollo de fármacos, en todos los campos existe una urgente necesidad de modelos de investigación más efectivos en términos predictivos.

El artículo aquí reseñado trata sobre los organoides en el contexto de la medicina personalizada y las enfermedades infecciosas, y se explora cómo aportan una nueva visión de la enfermedad y alimentan el descubrimiento de nuevas terapias.

¿Qué son los organoides?

Los organoides son modelos de cultivo celular 3D in vitro que involucran múltiples tipos de células, que se autoorganizan para formar una estructura que imita algún aspecto de un órgano o tejido. Se pueden generar a partir de una variedad de tipos de células, incluidas células de tejidos normales, tumores malignos o líneas celulares, así como células madre primarias, células madre embrionarias y células madre pluripotentes inducidas. Para crear entornos propicios para la autoorganización, se utilizan diversas combinaciones de factores de crecimiento, nutrientes y geles de matriz extracelular.

Hacia un enfoque más personalizado de la medicina

Para superar el problema de los tratamientos que funcionan bien para algunos pacientes, pero no para otros, se avanza hacia un enfoque más personalizado de la medicina, particularmente para la investigación del cáncer. Los organoides derivados del paciente (ODP) pueden contribuir al mayor éxito de la medicina personalizada al servir como predictores de respuestas individuales al tratamiento de tumores.

En el estudio se analizaron 36 ODP de genoma completo de 23 pacientes y se compararon las respuestas de esos organoides a la quimioterapia con relación a las de los respectivos pacientes. Los organoides se sometieron a una variedad de tratamientos, incluidos medicamentos que no se esperaría que fueran efectivos para el tipo de tumor (según los datos de secuenciación del genoma completo).

Organoides que sirven como ventana a los mecanismos virales

El uso de organoides para modelar enfermedades infecciosas fue limitado hasta la pandemia por Covid-19, donde los organoides están desempeñando un papel importante para ayudar a desentrañar los mecanismos de la infección por SARS-CoV-2. En mayo de 2020, solo unos meses después de que comenzara la pandemia, se demostró que el SARS-CoV-2 infectaba los organoides renales humanos, lo que resultaba en una progenie viral infecciosa. Además de sentar las bases para explorar la disfunción multiorgánica en pacientes con Covid-19, los organoides contribuyeron también a la detección de drogas de alto rendimiento para el SARS-CoV-2.

El relevante potencial de los organoides para los estudios de enfermedades infecciosas reside en que muchos patógenos son altamente específicos del huésped. Se prevé que los organoides desempeñarán un papel importante en la mejora de la medicina personalizada y servirán como plataformas clave para estudios críticos de enfermedades infecciosas y muchas otras disciplinas. De cara al futuro, es probable que la aplicación de la ingeniería genética abra muchas puertas para mejorar la representación fiel de ciertos tejidos y para desarrollar cocultivos más complejos. .

8.- Octavo documento: Cardioides revelan principios auto-organizativos de la cardiogénesis humana (8.1.) (8.2.)

Utilizando células madre pluripotentes humanas (hCMP), se han creado organoides cardíacos, conocidos como cardioides, que se organizan espontáneamente. Los organoides, a menudo denominados “miniórganos”, son herramientas útiles en la investigación biomédica, ya que proporcionan una plataforma de modelado intermedia que se puede utilizar para estudiar los fundamentos moleculares de ciertas enfermedades, para probar el efecto de los agentes farmacológicos en los tejidos y para estudiar la biología del desarrollo.

Se han desarrollado varios tipos diferentes de organoides, incluidos organoides cerebrales, intestinales, intestinales-cardíacos, Se necesitan organoides cardíacos (“cardioides”) para comprender el desarrollo humano y cómo surgen los defectos cardíacos congénitos, para modelar enfermedades de los adultos, como lesiones al corazón por infarto, medicamentos contra el cáncer, los efectos de la contaminación, coronavirus, etc.”

Mendjan y sus colegas decidieron probar un enfoque diferente para generar organoides cardíacos, que reflejara los mecanismos moleculares que tienen lugar en el desarrollo natural del tejido cardíaco. Se centraron en la autoorganización, definida como el surgimiento de un orden general en el tiempo y el espacio de un sistema dado, que resulta de las interacciones colectivas de sus componentes individuales. Esperan que, eventualmente, los organoides tengan un impacto en la cantidad de terapias que llegan al mercado para las enfermedades cardíacas. Se señala que el modelo es lo suficientemente simple como para que los laboratorios lo adopten y realicen más investigaciones.

9.- Noveno documento: Organoide que replica el desarrollo sinérgico de los tejidos del intestino y del corazón a partir de células madre (9.1.) (9.2.)

En las primeras fases de la vida humana las células comienzan a dividirse en tipos distintos que se van desarrollando a través de una variedad de tejidos y órganos. Durante este proceso los tejidos intercambian señales químicas que provocan diferentes trayectorias en el desarrollo de cada uno. Se trata de una interacción compleja y dinámica y, por tanto, difícil de estudiar.

En el artículo aquí reseñado, investigadores de los Gladstone Institutes (San Francisco, California) describen cómo cultivaron un nuevo tipo de organoide que replica cómo los tejidos del intestino y del corazón surgen de manera cooperativa a partir de células madre. Este organoide, el primero en su tipo, podría servir como una nueva herramienta para investigar -en laboratorio- la señalización entre tejidos. La investigación destaca nuevas dimensiones prometedoras para que la tecnología de organoides contribuya a mejorar la comprensión de cómo los órganos y tejidos en desarrollo cooperan y se instruyen entre sí.

El equipo de investigación diseñó nuevas formas de cultivar organoides que reproducen, en miniatura, las características y funciones del corazón, el cerebro, los pulmones y otros órganos. También creó organoides cardíacos a partir de células madre pluripotentes convertidas en distintas células cardíacas al cultivarlas con diversos cócteles de nutrientes y otras sustancias naturales. Si bien un cóctel convencional produce principalmente células del músculo cardíaco, otros cócteles diferentes pueden permitir la formación de una mayor variedad de células cardíacas.

Los investigadores no se propusieron originariamente desarrollar un nuevo tipo de organoide, pero en sus estudios encontraron (para su sorpresa) que, en varios casos, los nuevos cócteles conducirán a organoides que contenían no solo corazón, sino también células intestinales. En estos casos los tejidos del corazón y del intestino crecían juntos de manera controlada, como lo harían en un embrión normal. Estos organoides ofrecen una forma prometedora de examinar la señalización sinérgica entre los tejidos en desarrollo. Los investigadores encontraron que, en comparación con los organoides cardíacos convencionales (que no contienen tejido intestinal), los nuevos organoides daban como resultado estructuras cardíacas mucho más complejas y maduras. Los tipos y proporciones de células cardíacas en los nuevos organoides, y sus propiedades eléctricas, eran muy similares a las de los corazones fetales reales. Una vez que quedó claro que la presencia del tejido intestinal contribuía a la madurez del tejido cardíaco, los investigadores también demostraron que el tejido intestinal en los nuevos organoides maduró en una variedad de estructuras y tipos de células reconocibles, particularmente del intestino delgado. Además, las células intestinales y cardíacas de los nuevos organoides liberaron sustancias químicas que (se sabe) participan en la señalización entre los dos tejidos durante el desarrollo del corazón.

Los referidos hallazgos sugieren la pertinencia de un enfoque de investigación más realista, donde los tejidos del intestino y del corazón se desarrollan juntos a partir de los mismos materiales de partida. Dado que los nuevos organoides pudieron mantenerse vivos durante más de un año, que es un tiempo prolongado para cualquier producto cultivado en laboratorio, y especialmente para un agregado de células en 3D, quizás podrían cultivarse organoides similares para investigaciones de laboratorio prolongadas. Aun cuando los organoides no pudieran capturar íntegramente cada parte del desarrollo real del corazón y del intestino, podrían ayudar a profundizar la comprensión de este proceso sinérgico. Además podrían ayudar a aclarar cómo ese proceso puede salir mal; por ejemplo, podrían resultar valiosos para investigar trastornos congénitos que afectan el desarrollo del corazón y del intestino, como las arritmias auriculares e intestinales crónicas.

Si bien se necesitarán más investigaciones para refinar los métodos de cultivo de estos organoides de manera confiable, en el futuro podrían desarrollarse otros organoides similares que involucren tejidos de diferentes pares de órganos (como corazón y pulmón, o pulmón y riñón). De este modo podría explorarse –potencialmente- la comunicación entre los tejidos en desarrollo de una manera que nunca antes se había concebido.

10.- Décimo documento: Organoides de riñón (10.1.) (10.2.)

El riñón de los mamíferos contiene miles de nefronas conectadas a un sistema de conductos colectores (SCC) sumamente ramificado. Las nefronas filtran y procesan la sangre para formar la orina primitiva, que se recolecta y refina aún más en el SCC para ajustar el agua, los electrolitos y el pH y para mantener la homeostasis del líquido tisular. El riñón se forma en gran medida a partir de las interacciones recíprocas de dos poblaciones de células embrionarias: la yema ureteral epitelial (YUE) y el mesénquima metanéfrico (MM) circundante. Las señales del MM inducen la ramificación repetida de la YUE, lo que da lugar a toda la red de SCC. Mientras tanto, las señales de la YUE inducen al MM a formar nefronas. Dado este papel central de la YUE en la organogénesis renal, los defectos en el desarrollo de YUE / SCC conducen a menudo a malformación del riñón, baja dotación de nefronas al nacer y anomalías congénitas del riñón y del tracto urinario

Recientemente se han generado organoides renales a partir de células madre pluripotentes humanas (hCMP) o de células progenitoras de nefrona expandibles (CPN). Estos organoides han contribuido significativamente a los estudios del papel de las nefronas en el desarrollo y la enfermedad renal. Pero aún se carece de un modelo organoide de riñón robusto que pueda generar y expandir las células progenitoras de YUE.

Un equipo de investigadores de la Keck School of Medicine de la University of Southern California (Los Angeles, CA) ha desarrollado lo que podría ser un componente clave para ensamblar un riñón sintético. En un nuevo estudio describen cómo pueden generar organoides renales que se asemejan al SCC que ayuda a mantener el equilibrio de líquidos y pH del cuerpo al concentrar y transportar la orina.

En el artículo aquí reseñado se informa el desarrollo de un modelo organoide 3D que imita el espectro completo de morfogénesis de ramificación renal in vitro, desde la etapa progenitora de YUE inmadura expandible, hasta la etapa de SCC maduro. Los organoides YUE derivados de células progenitoras primarias de YUE o de hCMP son susceptibles de edición de genes y tienen amplias aplicaciones para estudiar el desarrollo, la regeneración y las enfermedades renales.

El progreso en la creación de nuevos tipos de organoides renales proporciona poderosas herramientas no solo para comprender el desarrollo y la enfermedad, sino también para encontrar nuevos tratamientos y enfoques regenerativos para los pacientes. Los organoides de YUE humanas y de ratón también pueden modificarse genéticamente para albergar mutaciones que causan enfermedades en los pacientes, proporcionando mejores modelos para comprender los problemas renales, así como para detectar posibles fármacos terapéuticos. Además de servir como modelos de enfermedad, los organoides de YUE también podrían resultar un componente esencial de un riñón sintético.

11.- Undécimo documento: Organoides de estómago con capacidades avanzadas (11.1.) (11.2.)

Con la creciente demanda y la insuficiente oferta de órganos para trasplante, investigadores en medicina regenerativa procuran lograr -con base en organoides- el cultivo de órganos funcionales y completos. En el estudio aquí reseñado investigadores del Centro Médico del Hospital Infantil de Cincinnati describen mini estómagos que pueden contraerse y producir ácido. A partir de células madre pluripotentes humanas (hCMP), el equipo utilizó tres tipos de células para dotar a los mini estómagos de nuevas capacidades más cercanas a los estómagos normales, tales como la producción de ácido. Comenzaron con células de las tres capas germinales primarias: precursores neurogliales entéricos, mesenquimales y epiteliales, todos derivados por separado de las CMP. A partir de allí generaron tejido del estómago que contenía glándulas productoras de ácido, rodeado por capas de músculo liso que contenían neuronas entéricas funcionales que controlaban las contracciones del tejido antral. Posteriormente, los mini estómagos se trasplantaron a ratones para avanzar aún más en su proceso de crecimiento. Pudo así verificarse que los organoides crecían mil veces más en ratones que en cultivos celulares, e incluso desarrollaron nuevas características, como la glándula de Brunner.

La posibilidad de ensamblar tejidos de órganos complejos a partir de componentes derivados por separado, con un enfoque similar al de una línea de montaje, representa un avance en ingeniería de tejidos. Si bien queda mucho trabajo por realizar para generar tejido organoide adecuado para el trasplante a humanos, este estudio alcanza un horizonte completamente nuevo. El equipo trabaja ahora en la producción de organoides de calidad terapéutica, previendo la posibilidad de trasplante a pacientes humanos hacia el final de la década.

12.- Duodécimo documento: Uso de organoides cerebrales para el estudio de la esquizofrenia (12.1.) (12.2.)

Se denomina “esquizofrenia” a un grupo de enfermedades mentales que se caracterizan por alteraciones de la personalidad, alucinaciones y pérdida del contacto con la realidad.  Se trata de un trastorno cerebral crónico que afecta aproximadamente al 1% de la población mundial. Si bien sus síntomas surgen generalmente durante la adolescencia o la adultez temprana, parece originarse durante el período de desarrollo temprano con firmas aun desconocidas debido a las limitaciones (éticas y técnicas) para recolectar muestras biológicas en ese período. Por lo tanto, definir el momento del desarrollo de esta neuropatología, así como la participación de factores biológicos de riesgo, podría conducir a la identificación de vías que regulan la ontogénesis de la enfermedad. Hasta hoy no se ha logrado identificar las causas determinantes de la enfermedad, ni tampoco si las características patológicas identificadas en los estudios post mortem son causas o consecuencias de su progresión.

El estudio aquí reseñado, realizado por investigadores de Weill Cornell Medicine (New York, USA), señala que diversos cambios en las células cerebrales durante el primer mes de desarrollo embrionario podrían contribuir a una futura esquizofrenia. Para el estudio se utilizaron células madre humanas provenientes de 21 donantes -pacientes con esquizofrenia y personas sin la enfermedad- para cultivar organoides cerebrales en laboratorio, disponiendo de los datos genéticos de cada donante. Luego se secuenció el ARN unicelular para comparar la expresión génica en células individuales en el tejido de los donantes con y sin esquizofrenia. Al comparar el desarrollo de ambos conjuntos de organoides se determinó que las muestras de pacientes con esquizofrenia tenían una expresión reducida de dos ingredientes esenciales para el desarrollo del cerebro: (a) BRN2: un regulador de la expresión génica, y (b) PTN (pleiotrofina): un promotor del crecimiento celular. Dicho déficit condujo a una reducción de la producción de nuevas células cerebrales y a un aumento de la muerte de tales células. La reconstitución del BRN2 faltante restauró la producción de células cerebrales, mientras que la adición de PTN redujo la muerte de células cerebrales. Si estos hallazgos se confirmaran en posteriores estudios, podrían conducir al desarrollo de terapias para corregir estas diferencias genéticas en tipos específicos de células cerebrales. Si bien se demostró que, en organoides derivados de pacientes con esquizofrenia, la reconstitución de BRN2 solo regula los déficits de neurogénesis, se determinó también que la PTN regula la muerte, diferenciación y número de neuronas dentro de dichos organoides.

Al combinarse los datos se verifica que las alteraciones del neurodesarrollo de la esquizofrenia están codificadas sobre una base de “tipo de célula” y que pueden existir múltiples mecanismos de esquizofrenia dentro del tejido derivado de humanos. Por lo tanto, es probable que la neuropatología de esquizofrenia sea sustancialmente más compleja de lo que se acepta actualmente, y que las alteraciones a través de múltiples vías primordiales puedan fusionarse dentro del cerebro en desarrollo temprano para elevar el riesgo intrínseco de la enfermedad.