Sin óvulos, espermatozoides ni útero: modelos de embriones de ratón sintéticos creados exclusivamente a partir de células madre
Un óvulo se encuentra con un espermatozoide: este es un primer paso necesario en los primeros años de vida. En la investigación del desarrollo embrionario, también es un primer paso común. Sin embargo, en un nuevo estudio publicado el 1 de agosto de 2022 en la revista Célula, los investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann desarrollaron modelos de embriones de ratón sintéticos fuera del útero, comenzando solo con células madre cultivadas en una placa de Petri. Esto significa que se cultivan sin el uso de huevos fertilizados. Este método abre nuevos horizontes para estudiar cómo las células madre forman varios órganos en el embrión en desarrollo. También puede que algún día haga posible el cultivo de tejidos y órganos para trasplantes utilizando modelos de embriones sintéticos.
Un video que muestra un modelo de embrión de ratón sintético en el día 8 de su desarrollo; tiene un corazón que late, un saco vitelino, una placenta y circulación sanguínea emergente.
“El embrión es la mejor máquina productora de órganos y la mejor bioimpresora 3D; tratamos de imitar lo que hace”, dice el profesor Jacob Hanna del Departamento de Genética Molecular de Weizmann, quien dirigió el equipo de investigación.
Hanna explica que los científicos ya saben cómo restaurar las células maduras al «tallo». De hecho, los pioneros de esta reprogramación celular ganaron un Premio Nobel en 2012. Sin embargo, ir en la dirección opuesta, es decir, hacer que las células madre se diferencien en células especializadas en el cuerpo, sin mencionar órganos completos, ha demostrado ser mucho más difícil. .
“Hasta ahora, en la mayoría de los estudios, las células especializadas eran a menudo difíciles de producir o anómalas, y tendían a formar una mezcla en lugar de un tejido bien estructurado adecuado para el trasplante. Pudimos superar estos obstáculos al desbloquear el potencial de autoorganización codificado en células madre”.
(De izquierda a derecha): Dra. Noa Novershtern, Prof. Jacob Hanna, Alejandro Aguilera-Castrejón, Shadi Tarazi y Carine Joubran. Crédito: Instituto de Ciencias Weizmann
El equipo de Hanna se basó en dos avances anteriores en su laboratorio. Una fue un método eficaz para reprogramar las células madre a un estado ingenuo, es decir, a la etapa inicial, cuando tienen el mayor potencial para especializarse en diferentes tipos de células. El otrodescrito en un artículo científico en Naturaleza en marzo de 2021, fue el dispositivo controlado electrónicamente que el equipo desarrolló durante siete años de prueba y error para cultivar embriones de ratón naturales fuera del útero. El dispositivo mantiene a los embriones bañados en una solución nutritiva dentro de vasos de precipitados que se mueven continuamente, simulando la forma en que los nutrientes son entregados por el flujo sanguíneo desde el material hasta la placenta y controlando de cerca el intercambio de oxígeno y la presión atmosférica. En investigaciones anteriores, el equipo utilizó con éxito este dispositivo para cultivar embriones naturales de ratón desde el día 5 hasta el día 11.
Así es como los modelos de embriones de ratón sintéticos crecieron del útero: un video que muestra el dispositivo en acción. Los vasos de precipitados en movimiento continuo simulan el suministro natural de nutrientes, mientras que el intercambio de oxígeno y la presión atmosférica están estrictamente controlados.
En el nuevo estudio, el equipo se propuso cultivar un modelo de embrión sintético exclusivamente a partir de células madre de ratón ingenuas que se habían cultivado durante años en una placa de Petri, evitando la necesidad de comenzar con un óvulo fertilizado. Este enfoque es extremadamente valioso porque podría, en gran medida, eludir los problemas técnicos y éticos relacionados con el uso de embriones naturales en investigación y biotecnología. Incluso en el caso de los ratones, ciertos experimentos son actualmente inviables porque requerirían miles de embriones, mientras que el acceso a modelos derivados de células embrionarias de ratón, que crecen por millones en incubadoras de laboratorio, es prácticamente ilimitado.
“El embrión es la mejor máquina para fabricar órganos y la mejor bioimpresora 3D; tratamos de imitar lo que hace”.
Antes de colocar las células madre en el dispositivo, los investigadores las separaron en tres grupos. En uno, que contenía células destinadas a convertirse en órganos embrionarios, las células se dejaron como estaban. Las células de los otros dos grupos se pretrataron durante solo 48 horas para sobreexpresar uno de los dos tipos de genes: reguladores maestros de la placenta o del saco vitelino. “Le dimos a estos dos grupos de células un impulso transitorio para dar lugar a tejidos extraembrionarios que apoyan al embrión en desarrollo”, dice Hanna.
Desarrollo de modelos de embriones sintéticos desde el día 1 (arriba a la izquierda) hasta el día 8 (abajo a la derecha). Todos sus progenitores de órganos primitivos se habían formado, incluido un corazón que late, una circulación sanguínea emergente, un cerebro, un tubo neural y un tracto intestinal. Crédito: Instituto de Ciencias Weizmann
Poco después de mezclarse dentro del dispositivo, los tres grupos de células se unieron en agregados, la gran mayoría de los cuales no se desarrollaron correctamente. Pero alrededor del 0.5 por ciento, 50 de aproximadamente 10,000, pasó a formar esferas, cada una de las cuales luego se convirtió en una estructura alargada similar a un embrión. Debido a que los investigadores etiquetaron cada grupo de células con un color diferente, pudieron observar la formación de la placenta y los sacos vitelinos fuera de los embriones y el desarrollo del modelo como en un embrión natural. Estos modelos sintéticos se desarrollaron normalmente hasta el día 8.5, casi a la mitad de los 20 días de gestación del ratón, cuando se formaron todos los progenitores de los primeros órganos, incluido un corazón que late, células madre sanguíneas circulantes, un cerebro bien plegado formado, un sistema neural. tubo y un tracto intestinal. En comparación con los embriones de ratón naturales, los modelos sintéticos mostraron una similitud del 95 % tanto en la forma de las estructuras internas como en los patrones de expresión génica de los diferentes tipos de células. Los órganos vistos en los modelos dieron todos los indicios de ser funcionales.
Día 8 en la vida de un embrión de ratón: un modelo sintético (arriba) y un embrión natural (abajo). Los modelos sintéticos mostraron una similitud del 95% tanto en la forma de las estructuras internas como en los patrones de expresión génica de diferentes tipos celulares. Crédito: Instituto de Ciencias Weizmann
Para Hanna y otros investigadores del desarrollo embrionario y de células madre, el estudio presenta un nuevo escenario: el embrión. Y debido a que nuestro sistema, a diferencia del útero, es transparente, podría ser útil para modelar defectos de nacimiento e implantación de embriones humanos”.
Además de ayudar a reducir el uso de animales en la investigación, los modelos de embriones sintéticos podrían convertirse en el futuro en una fuente confiable de células, tejidos y órganos para trasplante. “En lugar de desarrollar un protocolo diferente para cultivar cada tipo de célula, por ejemplo, células renales o hepáticas, algún día podríamos crear un modelo similar a un embrión sintético y aislar las células que necesitamos. No necesitaremos dictar a los organismos emergentes cómo deben desarrollarse. El propio embrión lo hace mejor”.
Un diagrama que muestra el método innovador para cultivar modelos de embriones de ratón sintéticos a partir de células madre, sin óvulos, espermatozoides ni útero, desarrollado por el Prof. Jacob Hanna. Crédito: Instituto de Ciencias Weizmann
Referencia: «Embriones sintéticos posteriores a la gastrulación generados ex utero a partir de ESC de ratón sin experiencia» por Shadi Tarazi, Alejandro Aguilera-Castrejon, Carine Joubran, Nadir Ghanem, Shahd Ashouokhi, Francesco Roncato, Emilie Wildschutz, Montaser Haddad, Bernardo Oldak, Elidet Gomez-Cesar , Nir Livnat, Sergey Viukov, Dmitry Lukshtanov, Segev Naveh-Tassa, Max Rose, Suhair Hanna, Calanit Raanan, Ori Brenner, Merav Kedmi, Hadas Keren-Shaul, Tsvee Lapidot, Itay Maza, Noa Novershtern y Jacob H. Hanna, 1 agosto de 2022, Célula.
DOI: 10.1016/j.cell.2022.07.028
Esta investigación fue codirigida por Shadi Tarazi, Alejandro Aguilera-Castrejon y Carine Joubran del Departamento de Genética Molecular de Weizmann. Los participantes del estudio también incluyeron a Shahd Ashouokhi, el Dr. Francesco Roncato, Emilie Wildschutz, Dra. Bernardo Oldak, Elidet Gomez-Cesar, Nir Livnat, Sergey Viukov, Dmitry Lokshtanov, Segev Naveh-Tassa, Max Rose and Dr. Noa Novershtern del Departamento de Genética Molecular de Weizmann; Montaser Haddad y Prof. Tsvee Lapidot del Departamento de Inmunología y Biología Regenerativa de Weizmann; Dr. Merav Kedmi del Departamento de Instalaciones Básicas de Ciencias de la Vida de Weizmann; Dr. Hadas Keren-Shaul del Centro Nacional de Medicina Personalizada en Nancy y Stephen Grand Israel; y el Dr. Nadir Ghanem, Dra. Suhair Hanna y el Dr. Itay Maza del Campus de Salud Rambam.
La investigación del Prof. Jacob Hanna cuenta con el apoyo del Dr. Barry Sherman de Química Medicinal; el Instituto Helen y Martin Kimmel para la Investigación de Células Madre; y Pascal e Ilana Mantoux.
