Newsletter DPT Nro. 95/97 - Abril/Junio
ISSN 2618-236X
Abril-Junio / 2024
NOTICIAS CIENTIFICAS
NOTICIAS CIENTIFICAS INTERNACIONALES
Avances en el conocimiento del cerebro humano
Con alto potencial clínico y computacional
Si bien las funciones de los órganos vitales humanos no difieren significativamente de las de otros animales, las funciones del cerebro humano lo distinguen nítidamente de los demás seres vivos del planeta. Sin embargo, se carece de conocimiento detallado sobre los circuitos sinápticos que subyacen a la función cerebral humana. Frente a la dificultad para acceder a tejido cerebral humano de alta calidad, se intenta utilizar organoides cerebrales (“cerebroides”) desarrollados a partir de células madre humanas, pero hasta hoy no se aproximan a la arquitectura del tejido cerebral.
Esta reseña comprende cinco artículos. En el primero (1) se describe un estudio de reconstrucción de un fragmento de corteza cerebral humana con resolución a nanoescala. El segundo (2) trata sobre tejido cerebral generado por impresión 3D que -en las funciones analizadas- se comporta como el natural. El tercero (3) trata sobre las posibilidades de desarrollo que aportan los organoides cerebrales provenientes de tejido fetal humano. El cuarto (4) trata sobre el cultivo de neuronas maduras en laboratorio para estudiar enfermedades neurodegenerativas. El quinto (5) trata sobre una plataforma de bioprocesamiento computacional con organoides cerebrales humanos
1.- Primer artículo: Reconstruyen fragmento de corteza temporal del cerebro humano con resolución a nanoescala (1.1.) (1.2.)
Una comprensión profunda del cerebro humano comienza con la elucidación de sus propiedades estructurales a nivel subcelular. Con el propósito de proporcionar a la comunidad científica un recurso para mejorar la comprensión de la estructura del cerebro humano, Shapson-Coe et al. realizaron una reconstrucción -por microscopía electrónica- de un milímetro cúbico (1 mm3) de corteza cerebral humana que se extiende por todas las capas corticales. La muestra se extrajo durante una intervención quirúrgica para acceder a una lesión subyacente del hipocampo de un paciente con epilepsia. Se obtuvieron imágenes de dicha muestra mediante microscopía electrónica de secciones seriadas de alto rendimiento, generando un conjunto de datos a petascala que se analizó con nuevas herramientas y métodos computacionalmente intensivos. La muestra contiene unas 57.000 células, unos 230 mm de vasos sanguíneos y unos 150 millones de conexiones sinápticas, equivalente a 1,4 petabytes de datos. El análisis demostró que la glía supera en número a las neuronas en una proporción de 2:1, que los oligodendrocitos son las células más comunes, que las neuronas excitadoras de la capa profunda pueden clasificarse en función de la orientación dendrítica y que, entre los miles de conexiones débiles de cada neurona, existen entradas axonales potentes de hasta 50 sinapsis. Los datos disponibles se comparten en un recurso de libre acceso en línea (https://h01-release.storage.googleapis.com/landing.html), y también se proporcionan herramientas para su análisis. Los hallazgos permitieron identificar aspectos hasta ahora desconocidos. Concluye destacando que el trabajo proporciona pruebas de la viabilidad de los enfoques conectómicos para visualizar y, en última instancia, comprender los fundamentos físicos de la función cerebral humana normal y alterada.
2.- Segundo artículo: Impresión 3D de tejidos cerebrales (2)
Durante los últimos años se avanzó notablemente en la impresión 3D de tejidos vivos, pero aún resulta difícil crear construcciones realistas de órganos, particularmente del cerebro. En el artículo aquí reseñado, un equipo liderado por Su-Chun Zhang en la Universidad de Wisconsin-Madison describe sus técnicas para imprimir y combinar múltiples subtipos de células que imitan mejor la señalización en el cerebro humano. La nueva tecnología podría ofrecer ventajas sobre las que actualmente se utilizan, en laboratorio, para desarrollar organoides cerebrales 3D con base en células madre. En estas últimas, dado que los investigadores no pueden controlar los tipos de células ni su ubicación precisa en las construcciones, cada organoide es “único” y ello dificulta la reproducción de los resultados de la investigación. En cambio, la nueva tecnología de impresión 3D permite controlar dónde se ubican los diferentes tipos de células. Estudios anteriores utilizaron impresoras 3D para construir tejidos cerebrales que permitieron estudiar cómo maduraban las células y establecían conexiones, e incluso integrar tejido impreso en cerebros de ratones. En el nuevo estudio, el equipo de Zhang imprimió bandas horizontales de células madre neurales y gliales humanas, que pueden convertirse en diversos tipos de células cerebrales. También modificaron la composición de la “biotinta” (hidrogel) que funciona como pegamento entre las células, de manera que permitió que las células pudieran moverse o formar conexiones, como lo hacen en un cerebro real. Las estructuras tridimensionales resultantes imitaron cerebros en desarrollo, con las células forjando conexiones con células de su propia banda, además de extender vínculos hacia otras bandas. Ello permitió observar cómo maduran y se vinculan las células madre. Luego, el equipo creó diferentes construcciones imprimiendo una variedad de células con proporciones específicas de cada tipo. Una construcción, por ejemplo, combina neuronas inhibidoras y excitadoras que se comunican mediante diferentes tipos de moléculas de señalización (neurotrasmisores). Tras sucesivos experimentos, los investigadores dijeron que, aun con su simplicidad, las construcciones 3D exhibieron una funcionalidad y conectividad análogas a la del tejido cerebral. Prevén que -con el tiempo- podrá imprimirse tejido apto para trasplantar a pacientes que han perdido tejido cerebral debido a un derrame, una neurodegeneración o una lesión cerebral traumática. Aprecian, asimismo, que hay aún un amplio margen para mejorar la tecnología, como agregar más tipos de células para imitar y comprender mejor sus interacciones.
3.- Tercer artículo: Organoides cerebrales provenientes de tejido fetal: Ofrecen una ventana hacia el desarrollo natural del cerebro humano (3.1.) (3.2.) (3.3.)
En el artículo aquí reseñado, investigadores holandeses y chinos informan sobre el cultivo de organoides cerebrales a partir de tejido cerebral fetal humano (procedente de material de “aborto sano” de donantes anónimas con consentimiento informado y sin retribución) con entre 12 y 15 semanas posconcepción. En ese momento el cerebro humano se expande rápidamente; muchas células madre se han transformado ya en progenitoras de células neurales, pero no todas ellas se han diferenciado aún entre los diversos tipos de neuronas, glías y otras células cerebrales. Los investigadores utilizaron tejido de diferentes regiones del cerebro, incluida la corteza, el prosencéfalo y la médula espinal, cortaron las muestras en capas y colocaron cada una en un plato separado con moléculas que inducen al crecimiento de las células. Los organoides cerebrales fetales resultantes crecieron hasta convertirse en una estructura tridimensional que se asemeja al tejido original. A continuación, el equipo cambió las moléculas de señalización en el medio líquido que rodeaba a los organoides. Esto provocó que las células progenitoras dejaran de replicarse y, en cambio, se convirtieran en neuronas. Las células formaron conexiones y se activaron como lo harían en un cerebro intacto. También se alteró el ADN de algunos organoides (utilizando CRISPR) para mutar genes implicados en cánceres cerebrales, incluidos los glioblastomas. Descubrieron que las células crecían sin control como se esperaba y respondían a los medicamentos contra el cáncer de la misma manera que lo hace un cerebro natural. Los organoides podrían ser útiles para probar nuevos medicamentos contra el cáncer de cerebro, así como para observar trastornos del desarrollo neurológico como el síndrome de Down. “Los organoides cerebrales de tejido fetal son una nueva herramienta de valor incalculable para estudiar el desarrollo del cerebro humano. Permite estudiar más fácilmente cómo se desarrolla y observar el papel de los distintos tipos de células y su entorno”, afirma Benedetta Artegiani, jefa de grupo en el Centro Princesa Máxima de Oncología Pediátrica de Utrecht (Países Bajos) y codirectora del proyecto. Los autores descubrieron que utilizar pequeños trozos de tejido cerebral fetal, en lugar de células individuales, era vital para cultivar minicerebros, dado que podían autoorganizarse en organoides. “Nuestro nuevo modelo permite comprender mejor cómo el cerebro en desarrollo regula la identidad de las células, así como entender cómo los errores en ese proceso pueden provocar enfermedades del neurodesarrollo como la microcefalia y otras como el cáncer cerebral infantil”, apunta Artegiani. Si bien este trabajo mejora la calidad, diversidad y complejidad de los organoides de cerebro humano disponibles hasta ahora, tampoco logra producir todos los tipos celulares presentes en el órgano natural y representa un modelo aún muy distante de lo que ocurre en un cerebro in vivo. Por lo tanto, debe entenderse como un avance complementario a la experimentación animal, que hoy continúa siendo imprescindible.
(*) Ver notas sobre organoides cerebrales publicadas en el Newsletter DPT
“Organoides utilizados como robots vivientes” Tercer artículo //En: “Robótica con inspiración biológica: Casos de biomorfismo, bioutilización y biomimesis”
“Inteligencia organoide: Propuesta de un promisorio horizonte en biocomputación” Newsletter DPT Nº 83, Abril 2023
“Sistemas microfisiológicos y organoides: Tecnologías convergentes para investigación, diagnóstico y terapéutica” Newsletter DPT Nº 68, Enero 2022
“Los modelos de organoides humanos: Permiten explorar la biología de los órganos, las enfermedades y los posibles tratamientos” Newsletter DPT Nº 61, Junio / 2021
“Naturaleza y perspectivas de cerebros humanos cultivados en laboratorio” Segundo artículo // En: “Visiones holísticas e integradoras: Para abordar cuestiones críticas en ciencias de la salud y de la vida” Newsletter DPT Nº 56, Enero 2021
4.- Cuarto artículo: Logran cultivar neuronas maduras en laboratorio: Para estudiar enfermedades neurodegenerativas (4.1.) (4.2.)
Las tecnologías de células madre humanas pluripotentes inducidas (hiPSC) ofrecen un recurso adecuado para modelar enfermedades neurológicas, pero exhiben diversas limitaciones técnicas, incluida la agregación anormal y la insuficiente maduración de las neuronas diferenciadas. Si bien se logró generar neuronas a partir de hiPSC, éstas presentaban un insuficiente grado de madurez funcional, similar al de neuronas en etapas tempranas de desarrollo. Esto limitaba su aptitud para investigar enfermedades neurodegenerativas, ya que las neuronas que degeneran son las adultas. Esa insuficiente maduración se debía en parte a la falta de señales provenientes de la matriz extracelular (ECM), que es esencial para el desarrollo de células en el laboratorio, ya que proporciona soporte estructural, regula la señalización y diferenciación celular, mantiene su integridad y proporciona un ambiente adecuado para el crecimiento celular. En el artículo aquí reseñado, investigadores del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) y de la Universidad de Barcelona (UB) informan que lograron crear las primeras neuronas altamente maduras a partir de hiPSC usando un material sintético. Destacan la importancia de diseñar ECM biomiméticas para estudiar el desarrollo, la función y la disfunción de las neuronas humanas. Informan, asimismo, sobre el uso de ECM artificiales basadas en nanofibras supramoleculares de péptido anfífilo. Se encontró que las nanofibras con mayor intensidad de movimiento supramolecular interno mejoraron la bioactividad hacia las neuronas motoras y corticales derivadas de hiPSC. Ello abre nuevas oportunidades para la investigación médica y posibles terapias para enfermedades neurodegenerativas y lesiones traumáticas. “Se trata de la primera vez que se logra madurar neuronas derivadas de hiPSC con una matriz sintética. Esta plataforma permitirá a los laboratorios disponer de neuronas humanas maduras para estudiar múltiples enfermedades neurológicas y desarrollar nuevas terapias”, comenta la coautora Zaida Álvarez, investigadora Ramón y Cajal en el IBEC. Los investigadores creen que, al avanzar la edad de las neuronas en cultivos celulares, se podrán mejorar los experimentos para comprender mejor las enfermedades de aparición tardía. “Contar con neuronas maduras en el laboratorio es esencial para avanzar en la comprensión de enfermedades neurodegenerativas, como la enfermedad de Alzheimer, el Párkinson o la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), y en el desarrollo de terapias eficaces y seguras”, comenta otro de los autores, Alberto Ortega, investigador Ramón y Cajal de la UB. Más adelante, estas neuronas altamente funcionales, gracias al material sintético, podrían trasplantarse en pacientes con pérdida de neuronas, lo que podría restaurar la cognición o las sensaciones perdidas. Además, dado que las células madre podrían provenir del mismo paciente, las neuronas derivadas y trasplantadas no generarían rechazo.
5.- Quinto artículo: Neuroplatform: Plataforma de bioprocesamiento computacional con organoides cerebrales humanos (5.1.) (5.2.) (5.3.)
La “computación húmeda” (“wetware”) y la “inteligencia organoide” (*) son campos de investigación emergentes en la intersección de la electrofisiología, la microfluídica y la inteligencia artificial. El concepto central implica el uso de neuronas vivas para realizar cálculos, de forma similar a cómo se utilizan hoy las redes neuronales artificiales con chips de silicio. Pero los transistores de estos chips de silicio consumen mucha energía y ello se torna más evidente a medida que aumentan las aplicaciones más demandantes, tales como el desarrollo de modelos de inteligencia artificial (IA). Según estimaciones, entrenar un modelo de IA durante unos pocos días puede requerir 6.000 veces más energía que la que consume un ciudadano europeo en un año. Reemplazar los chips de silicio por bioprocesadores podría generar drásticos ahorros energéticos.
La empresa suiza de tecnología Final Spark acaba de lanzar -con fines exploratorios y de investigación- la plataforma de bioprocesamiento Neuroplatform, en la que organoides del cerebro humano, cultivados en laboratorio, ejecutan tareas computacionales. La primera versión alberga la capacidad de procesamiento de 16 organoides cerebrales, que según la compañía, utilizan un millón de veces menos energía que los chips de silicio. La empresa articuló los variados componentes a través de una configuración innovadora llamada “matrices de electrodos múltiples (MEA)”, donde se colocan las masas tridimensionales de tejido cerebral. Cada MEA tiene 4 organoides cerebrales que interactúan con 8 electrodos que desempeñan la función dual de estimular los organoides y canalizar los datos que procesan. La transferencia de datos se realiza a través de conversores analógico-digitales con resolución de 16 bits y frecuencia de 30 kHz. Un sistema de microfluidos proporciona nutrientes y soporte vital a los MEA. Cabe señalar que, a diferencia de los chips de silicio, que sólo necesitan electricidad y pueden durar años (o décadas), los componentes biológicos mueren. Hasta hoy la empresa puede garantizar que los organoides de sus MEA vivirán al menos 100 días.
Neuroplataform está accesible para usuarios institucionales, con fines de investigación y desarrollo experimental. Se ha desarrollado una interfaz de programación de aplicaciones (API) para realizar investigaciones remotas o utilizando computación interactiva.
(*) Ver: “Inteligencia organoide: Propuesta de un promisorio horizonte en biocomputación: Con posibilidades sustancialmente mayores que las de las actuales supercomputadoras, con un consumo mucho menor de energía” Newsletter DPT N° 83. Abril 2023.
Referencias:
(1.1.) Fuente primaria: “A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution” Alexander Shapson-Coe, Michał Januszewski, Daniel R. Berger, Art Pope, Yuelong Wu, Tim Blakely, Richard L. Schalek, Peter H. Li, Shuohong Wang, Jeremy Maitin-Shepard, Neha Karlupia, Sven Dorkenwald, Evelina Sjostedt, Laramie Leavitt, Dongil Lee, Jakob Troidl, Forrest Collman, Luke Bailey, Angerica Fitzmaurice, Rohin Kar, Benjamin Field, Hank Wu, Julian Wagner-Carena, David Aley, Joanna Lau, Zudi Lin, Donglai Wei, Hanspeter Pfister, Adi Peleg, Viren Jain, Jeff W. Lichtman. Science. Vol 384, Issue 6696. Research Article. Neuroscience. 10 May 2024. DOI: 10.1126/science.adk4858
(1.2.) A Browsable Petascale Reconstruction of the Human Cortex. The Lichtman laboratory at Harvard University and the Connectomics at Google team
(2) “3D printer creates brain tissue that acts like the real thing: Advance could improve studies of brain development and neurological diseases” By Claudia López Lloreda. Science. Science Insider. Newsbrain & Behavior. 9 Feb 2024. DOI: 10.1126/science.z260klq
(3.1.) Fuente primaria: “Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids”. Delilah Hendriks, Anna Pagliaro, Francesco Andreatta, Ziliang Ma, Joey van Giessen, Simone Massalini, Carmen López-Iglesias, Gijs J.F. van Son, Jeff DeMartino, J. Mirjam A. Damen, Iris Zoutendijk, Nadzeya Staliarova, Annelien L. Bredenoord, Frank C.P. Holstege, Peter J. Peters, Thanasis Margaritis, Susana Chuva de Sousa Lopes, Wei Wu, Hans Clevers, Benedetta Artegiani, Cell, Open Access. January 08, 2024. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.12.012
(3.2.) Fuente secundaria 1: “First brain organoids grown from fetal tissue offer window on development: New method could help model brain diseases and aid in drug testing” By Sara Reardon. Science. Newsbiology. American Association for the Advancement of Science-. 9 Jan 2024. DOI: 10.1126/science.z4x7wqp
(3.3.) Fuente secundaria 2: “Nuevos organoides que podrían revolucionar la investigación sobre el cerebro” Por Verónica Fuentes. Boletín SINC. Células Madre. 8/1/2024
(4.1.) Fuente primaria: “Artificial extracellular matrix scaffolds of mobile molecules enhance maturation of human stem cell-derived neurons” Zaida Álvarez, J. Alberto Ortega, Kohei Sato, Ivan R. Sasselli, Alexandra N. Kolberg-Edelbrock, Ruomeng Qiu, Kelly A. Marshall, Thao Phuong Nguyen, Cara S. Smith, Katharina A. Quinlan, Vasileios Papakis, Zois Syrgiannis, Nicholas A. Sather, Chiara Musumeci, Elisabeth Engel, Samuel I. Stupp, Evangelos Kiskinis. Cell Stem Cell. Published: January 12, 2023. DOI: 10.1016/j.stem.2022.12.010
(4.2.) Fuente secundaria: “Logran cultivar neuronas maduras en el laboratorio para estudiar enfermedades neurodegenerativas” Boletín SINC. Ciencias clínicas. 12/1/2023
(5.1.) Fuente primaria: “Open and remotely accessible Neuroplatform for research in wetware computing” Fred D. Jordan, Martin Kutter, Jean-Marc Comby, Flora Brozzi, Ewelina Kurtys. This article is part of the Research Topic. “Intersection between the biological and digital: Synthetic Biological Intelligence and Organoid Intelligence” Frontiers in Artificial Intelligence. Technology and Code article. Sec. Organoid Intelligence. Volume 7 – 2024. 02 May 2024. DOI: 10.3389/frai.2024.1376042
(5.2.) Fuente secundaria: “16 lab-grown brains run world’s first ‘living computer’ in Switzerland: While training AI models consumes 6,000 times more than a European city, bioprocessor promise drastic savings in energy expenditures” By Ameya Paleja. Interesting Engineering. Innovation. May 28, 2024.
(5.3.) Fuente complementaria: Final Spark: Biocomputing: The next evolutionary leap for Artificial Intelligence
