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La reprogramación celular permite generar redes neuronales que reproducen características únicas de las células humanas

La técnica de registros de los niveles de calcio intracelulares para comparar las propiedades de los cultivos neuronales generados con la tecnología de reprogramación celular a partir de células humanas.

La técnica de registros de los niveles de calcio intracelulares para comparar las propiedades de los cultivos neuronales generados con la tecnología de reprogramación celular a partir de células humanas.

El estudio está dirigido por el investigador Daniel Tornero, de la Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud y el Instituto de Neurociencias de la UB (UBNeuro).

El estudio está dirigido por el investigador Daniel Tornero, de la Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud y el Instituto de Neurociencias de la UB (UBNeuro).

De izquierda a derecha, los expertos Jordi Soriano, Estefania Estévez y Daniel Tornero.

De izquierda a derecha, los expertos Jordi Soriano, Estefania Estévez y Daniel Tornero.

22/12/2022

Recerca

Los estudios sobre enfermedades que afectan al cerebro humano suelen estar basados en modelos animales que no son capaces de reproducir la complejidad de las neuropatías humanas. Por ello, estas metodologías suelen fracasar cuando se aplican en un entorno clínico con los pacientes. En este contexto, el descubrimiento de las técnicas de reprogramación celular para generar cultivos de neuronas humanas a partir de células de la piel ha revolucionado el estudio y el desarrollo de terapias innovadoras en neurociencias.

Un estudio publicado en la revista Stem Cells Reports revela que esta metodología de reprogramación celular permite generar redes neuronales que reproducen características únicas de las células humanas —diferentes a las que se obtienen a partir de células de roedor— con unas dinámicas temporales que recuerdan al desarrollo del cerebro humano. Por esta razón, los modelos celulares basados en células humanas reprogramadas podrían impulsar el desarrollo de nuevas terapias eficaces en la lucha contra las neuropatías y, al mismo tiempo, reducirel uso de animales de experimentación en el laboratorio.

El estudio está dirigido por el investigador Daniel Tornero, de la Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud, el Instituto de Neurociencias de la UB (UBNeuro) y el IDIBAPS. También participan los investigadores Jordi Soriano y Estefanía Estévez-Priego, de la Facultad de Física y el Instituto de Sistemas Complejos de la UB (UBICS) y Zaal Kokaia, de la Universidad de Lund (Suecia), entre otros.

Reprogramación celular para superar los límites de los modelos animales

A pesar de compartir gran parte de nuestro genoma con la mayoría de los mamíferos, «existen diferencias considerables entre nuestras células y las de otras especies como los roedores, que se usan como modelo animal para la mayoría de las patologías», detalla Daniel Tornero, del Departamento de Biomedicina de la UB. «En concreto —añade—, existen unas diferencias muy significativas en el cerebro, sobre todo a nivel de organización y conectividad. Esto hace que nuestras capacidades cognitivas sean tan diferentes y también explica por qué los defectos que dan lugar a las patologías que afectan a nuestro cerebro no se reproducen de la misma manera en los cerebros de estos animales».

Los límites que presentan los estudios con modelos animales podrían superarse mediante la tecnología de reprogramación celular, basada en la inducción de células madre pluripotentes humanas (hiPSCs ), que fue desarrollada por Shinya Yamanaka en 2007. Se trata de una metodología capaz de generar cultivos de cualquier tipo celular a partir de células de una persona adulta —de manera relativamente sencilla, eficiente y sin consideraciones éticas relevantes— con un gran potencial de aplicación clínica en terapia celular y medicina regenerativa.

En el marco del estudio, el equipo ha aplicado la técnica de registros de los niveles de calcio intracelulares para comparar las propiedades de los cultivos neuronales generados con la tecnología de reprogramación celular a partir de células humanas, con los que se han obtenido de cerebros de roedor y humanos. Esta técnica ofrece una medida indirecta de la actividad neuronal: durante el impulso nervioso, que se transmite de una neurona a la siguiente, los niveles de calcio aumentan de manera característica y pueden registrarse mediante los sensores de calcio intracelulares.

Este sistema de estudio permite realizar un seguimiento a gran resolución de la actividad neuronal de manera dinámica durante toda la vida del cultivo. La estrategia experimental se completa con el uso de unas placas especiales que permiten el seguimiento del mismo grupo de células mediante unas marcas incorporadas en la superficie del cultivo, una técnica que minimiza las variables y genera resultados más fiables y valiosos para el estudio de redes neuronales.

Diferencias entre los diferentes circuitos neuronales

El equipo ha podido estudiar y diferenciar por primera vez las características propias de los diferentes circuitos neuronales generados, unas estructuras biológicas que a simple vista podrían parecer idénticas.

Los resultados muestran que las neuronas de origen humano se comportan de manera diferente a la hora de generar circuitos neuronales desde el punto de vista funcional. Estas características explicarían en parte los problemas asociados a los modelos animales usados para estudiar las patologías del cerebro humano.

«En primer lugar, lo que más nos llama la atención es la escala temporal que determina la generación y maduración de la red neuronal. Los cultivos derivados de células humanas muestran un comportamiento dinámico rico y a la vez gradual, de manera que se observa claramente el proceso de maduración de la red neuronal generada desde los 20 días hasta los 45 días de cultivo», detalla Daniel Tornero. «Durante ese período, y gracias a los diferentes descriptores que hemos desarrollado, se ha podido analizar cómo la red neuronal va ganando en complejidad con el tiempo, a medida que las neuronas humanas se van conectando cada vez más entre ellas», explica el investigador.

Además, las neuronas humanas consiguen realizar conexiones mucho más largas dentro del cultivo, una propiedad que vendría determinada por su biología, ya que el cerebro del humano es mucho más grande que el de los roedores.

«Sin embargo, los circuitos neuronales generados a partir de células de roedor muestran un comportamiento monótono desde tiempos muy cortos, sin apenas cambios a lo largo de su evolución», apunta Tornero.

Protocolos seguros y bancos de células compatibles

Los modelos celulares basados en células humanas reprogramadas se perfilan como un paso intermedio relevante entre los estudios animales y la aplicación clínica. La generación de estos modelos celulares para el estudio de enfermedades basados en células humanas reprogramadas se encuentra bastante establecida en los estudios preclínicos —cultivos 2D o en los sistemas órgano en un chip (OoCs) — y más recientemente, en la obtención de sistemas 3D basados en el uso de biomateriales, organoides o bioimpresión.

En medicina regenerativa, la aplicación de esta tecnología en estrategias de terapia celular revela un gran potencial y existen muchos ensayos clínicos sobre diversas patologías (diabetes tipo 1, infarto de miocardio, lesión medular, degeneración macular, enfermedad de Parkinson, etc.). Establecer protocolos seguros y fiables y generar bancos de células compatibles con los distintos grupos alogénicos que existen en la población son algunos de los retos más ambiciosos en este ámbito de estudio.

«Estas nuevas aproximaciones pueden ser muy valiosas para validar diferentes terapias preclínicamente, sobre todo cuando se estudian patologías que afectan a procesos complejos basados en la organización de los circuitos neuronales (enfermedades del neurodesarrollo, trastorno del espectro autista, patologías neurodegenerativas, etc.)», apunta Daniel Tornero.

«Además, la reprogramación celular basada en la inducción de células madre pluripotentes humanas permitiría generar modelos específicos de cada paciente y, mediante las herramientas de edición genética (como la técnica CRISPR/Cas9), sería posible obtener células control en las que la mutación que origina la patología se encuentre corregida», concluye el investigador.

 

Artículo de referencia:

Estévez-Priego, E.; Moreno-Fina, M.; Monni, E.; Kokaia, Z.; Soriano, J.; Tornero, D.; «Long-term Calcium Imaging Reveals Functional Development in hiPSCderived Cultures Comparable to Human but not Rat Primary Cultures». Stem Cells Reports, diciembre de 2022. Doi: 10.1016/j.stemcr.2022.11.014

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