Investigadores imprimen tejido cerebral humano funcional en 3D
Un equipo de científicos ha desarrollado el primer tejido cerebral impreso en 3D que puede crecer y funcionar como un tejido normal del cerebro humano. Podría cambiar la forma en que los investigadores investigan los trastornos neurológicos.
Por Emily LeClerc
Imagen conceptual de una impresora imprimiendo tejido cerebral humano en 3D, generada por DALL-E 2 de Microsoft Bing.
La impresión 3D de tejido cerebral humano es, sin duda alguna, un logro con implicaciones importantes para los científicos que estudian el cerebro y trabajan en tratamientos para una amplia gama de trastornos neurológicos y del desarrollo neurológico, como las enfermedades de alzhéimer y párkinson.
"Este podría ser un modelo enormemente poderoso para ayudarnos a comprender cómo se comunican las células cerebrales y partes del cerebro en los seres humanos —dice Su-Chun Zhang, profesor de Neurociencia y Neurología del Centro Waisman de la Universidad de Washington en Madison. Y añade: —Podría cambiar la forma en que vemos la biología de las células madre, la neurociencia y la patogénesis de muchos trastornos neurológicos y psiquiátricos".
Hasta ahora, los sistemas de impresión habían limitado el éxito en los intentos de imprimir tejido cerebral, según Zhang y Yuanwei Yan, científico del laboratorio de Zhang. El grupo detrás del nuevo proceso de impresión 3D ha descrito los detalles de su innovadora tecnología en la revista Cell Stem Cell.
Yuanwei Yan trabaja en el laboratorio de Zhang, en la Universidad de Washington-Madison, donde los investigadores han desarrollado nuevos métodos de impresión para hacer crecer tejidos cerebrales. Estos podrían utilizarse en el estudio de trastornos del desarrollo neurológico, como las enfermedades de Alzheimer y Parkinson. Foto: Xueyan Li
En lugar de utilizar el método tradicional de impresión en 3D, que consiste en ir apilando capas de tejido biológico de manera vertical, los investigadores lo han hecho en esta ocasión horizontalmente. Situaron células cerebrales, neuronas cultivadas a partir de células madre pluripotentes inducidas, en un gel de biotinta más blando que el empleado en intentos anteriores.
Recordemos que una célula madre pluripotente inducida o iPS es una célula extraída de cualquier tejido de un niño o de un adulto que se ha modificado genéticamente para que se comporte como una célula madre embrionaria.
"El tejido sigue teniendo la estructura suficiente para mantenerse unido, pero es lo bastante blando para permitir que las neuronas crezcan unas sobre otras y empiecen a hablar entre ellas", explica Zhang.
El tejido cerebral es tan fino que las neuronas reciben suficiente oxígeno y nutrientes del medio de crecimiento.
Las células se colocan unas junto a otras como si fueran lápices sobre una mesa.
"Nuestro tejido es relativamente fino, lo que facilita que las neuronas reciban suficiente oxígeno y nutrientes del medio de crecimiento", explica Yan.
Los resultados hablan por sí solos, es decir, las células hablan entre sí. Las células impresas atraviesan el medio para formar conexiones dentro de cada capa impresa, así como entre capas; de esta manera forman redes comparables a las de los cerebros humanos. Las neuronas se comunican, envían señales, interactúan entre sí a través de neurotransmisores e incluso forman redes adecuadas con células de apoyo que lo científicos añadieron al tejido impreso.
"Imprimimos la corteza cerebral y el cuerpo estriado, y lo que encontramos fue bastante sorprendente— comenta Zhang. Y continúa: —Incluso cuando imprimimos diferentes células pertenecientes a diferentes partes del cerebro, aún podían comunicarse entre sí de una manera muy especial y específica".
La técnica de impresión ofrece precisión, o sea, control sobre los tipos y la disposición de las células, que no se encuentra en los organoides cerebrales, órganos en miniatura utilizados para estudiar el cerebro. Los organoides crecen con menos organización y control.
El neurocientífico Su-Chun Zhang. Foto: Andy Manis
“Nuestro laboratorio es muy especial porque podemos producir prácticamente cualquier tipo de neurona en cualquier momento. Luego podemos unirlas casi en cualquier momento y de la forma que queramos”—explica Zhang. Y añade: —Como podemos imprimir el tejido por diseño, podemos tener un sistema definido para observar cómo funciona nuestra red cerebral humana. Podemos observar de manera muy específica la manera en que las células nerviosas se comunican entre sí bajo ciertas condiciones, porque podemos imprimir exactamente lo que queremos”.
Esa especificidad proporciona flexibilidad. El tejido cerebral impreso podría usarse para estudiar la señalización entre células en el síndrome de Down, las interacciones entre el tejido sano y el tejido vecino afectado por el alzhéimer, probar nuevos candidatos a fármacos e incluso observar el crecimiento del encéfalo.
Una forma de imprimir que facilita el diálogo entre las neuronas.
"En el pasado, a menudo mirábamos las cosas por separado, lo que significa que a menudo pasábamos por alto algunos componentes críticos. Nuestro cerebro opera en redes. Queremos imprimir tejido cerebral de esta manera, porque las células no funcionan por sí mismas. Hablan entre ellas. Así es como funciona nuestro cerebro y hay que estudiarlo en conjunto para entenderlo realmente”, dice Zhang.
“Nuestro tejido cerebral —continúa este experto— podría usarse para estudiar casi todos los aspectos importantes en los que están trabajando muchos colegas en el Centro Waisman. Se puede utilizar para observar los mecanismos moleculares que subyacen al desarrollo del encéfalo, el desarrollo humano, las discapacidades del desarrollo, los trastornos neurodegenerativos y más”.
La nueva técnica de impresión también debería ser accesible para muchos laboratorios. No requiere de equipos especiales de bioimpresión ni de métodos de cultivo para mantener el tejido sano. Además los tejidos bioimpresos pueden ser estudiados en profundidad con microscopios, técnicas de imagen estándar y electrodos que ya son comunes en este campo.
Sin embargo, a los investigadores les gustaría explorar el potencial de la especialización, mejorando aún más su biotinta y refinando sus equipos para permitir orientaciones específicas de las células dentro de su tejido impreso.
"En este momento, nuestra impresora se comercializa como de sobremesa. Podemos realizar algunas mejoras especializadas que nos ayuden a imprimir tipos específicos de tejido cerebral bajo demanda", concluye Yan.
Información facilitada por la Universidad de Wisconsin-Madison
Fuente: Yuanwei Yan, Xueyan Li, Yu Gao, Anita Bhattacharyya, Xinyu Zhao y Su-Chun Zhang. 3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity. Cell Stem Cell (2023). DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.12.009
