Investigadores de la Universidad de Cambridge y Caltech han creado modelos de embriones de ratón a partir de células madre, las células maestras del cuerpo, que pueden convertirse en casi cualquier tipo de célula del cuerpo, que tienen corazones latiendo, así como las bases para un cerebro y todo lo demás. los otros órganos en el cuerpo del ratón.

Los resultados son la culminación de más de una década de investigación y podrían ayudar a los investigadores a comprender por qué algunos embriones fallan mientras que otros se convierten en fetos como parte de un embarazo saludable. Además, los resultados podrían usarse para guiar la reparación y el desarrollo de órganos humanos sintéticos para trasplante.

La investigación se llevó a cabo en el laboratorio de Magdalena Zernicka-Goetz, profesora Bren de Biología e Ingeniería Biológica en Caltech. Zernicka-Goetz también es profesora de desarrollo de mamíferos y biología de células madre en el Departamento de Fisiología, Desarrollo y Neurociencia de Cambridge. Un artículo que describe el avance aparece en la revista Nature el 25 de agosto.

El modelo de embrión se desarrolló sin óvulos ni espermatozoides. En cambio, los investigadores imitaron los procesos naturales en el laboratorio al guiar los tres tipos de células madre que se encuentran en el desarrollo temprano de los mamíferos hasta el punto en que comienzan a interactuar. Al inducir la expresión de un conjunto particular de genes y establecer un entorno único para sus interacciones, los investigadores lograron que las células madre "hablaran" entre sí.

Las células madre se autoorganizaron en estructuras que progresaron a través de las sucesivas etapas de desarrollo hasta que los embriones sintéticos tuvieron corazones latiendo y las bases para un cerebro, así como el saco vitelino donde se desarrolla el embrión y del cual recibe nutrientes en sus primeras semanas. Esta es la etapa de desarrollo más avanzada lograda hasta la fecha en un modelo derivado de células madre.

Un gran avance en este estudio es la capacidad de generar todo el cerebro, en particular la región anterior, que ha sido un "santo grial" en el desarrollo de embriones sintéticos.

"Esto abre nuevas posibilidades para estudiar los mecanismos del neurodesarrollo en un modelo experimental", dice Zernicka-Goetz. "De hecho, demostramos la prueba de este principio en el artículo eliminando un gen que ya se sabe que es esencial para la formación del tubo neural, precursor del sistema nervioso, y para el desarrollo del cerebro y los ojos. En ausencia de este gen , los embriones sintéticos muestran exactamente los defectos conocidos en el desarrollo del cerebro como en un animal portador de esta mutación. Esto significa que podemos comenzar a aplicar este tipo de enfoque a los muchos genes con funciones desconocidas en el desarrollo del cerebro".

"Nuestro modelo de embrión de ratón no solo desarrolla un cerebro, sino también un corazón que late, todos los componentes que forman el cuerpo", explica. "Es increíble que hayamos llegado tan lejos. Este ha sido el sueño de nuestra comunidad durante años y el enfoque principal de nuestro trabajo durante una década, y finalmente lo hemos logrado".

Para que un embrión humano se desarrolle con éxito, debe haber un "diálogo" entre los tejidos que se convertirán en el embrión y los tejidos que conectarán el embrión con la madre. En la primera semana después de la fertilización, se desarrollan tres tipos de células madre:una eventualmente se convertirá en los tejidos del cuerpo y las otras dos apoyarán el desarrollo del embrión. Uno de estos dos últimos tipos, conocido como células madre extraembrionarias, se convertirá en la placenta, que conecta al feto con la madre y le proporciona oxígeno y nutrientes. El otro se convertirá en el saco vitelino, donde crece el embrión y del cual recibe nutrientes en las primeras etapas del desarrollo.

Muchos embarazos fracasan en el momento en que los tres tipos de células madre comienzan a enviarse señales mecánicas y químicas entre sí, que le indican al embrión cómo desarrollarse adecuadamente.

"Este período temprano es la base para todo lo demás que sigue al embarazo", dice Zernicka-Goetz. "Si sale mal, el embarazo fracasará".

Durante la última década, el equipo de Zernicka-Goetz ha estado estudiando estas primeras etapas del embarazo para comprender por qué algunos embarazos fracasan y otros tienen éxito.

"El modelo de embrión de células madre es importante porque nos brinda acceso a la estructura en desarrollo en una etapa que normalmente se nos oculta debido a la implantación del diminuto embrión en el útero de la madre", dice Zernicka-Goetz. "Esta accesibilidad nos permite manipular los genes para comprender sus funciones de desarrollo en un sistema experimental modelo".

Para guiar el desarrollo de su embrión sintético, los investigadores reunieron células madre cultivadas que representaban cada uno de los tres tipos de tejido y les permitieron desarrollarse en proporciones y en un entorno propicio para su crecimiento y comunicación entre sí, lo que condujo a su eventual autoautogestión. montaje en un embrión.

Los investigadores encontraron que las células extraembrionarias envían señales a las células embrionarias a través de señales químicas, pero también mecánicamente o a través del tacto, guiando el desarrollo del embrión.

"Este período de la vida humana es tan misterioso, por lo que poder ver cómo sucede en un plato, tener acceso a estas células madre individuales, comprender por qué fracasan tantos embarazos y cómo podríamos evitar que eso suceda. —es bastante especial", dice Zernicka-Goetz. "Observamos el diálogo que tiene que ocurrir entre los diferentes tipos de células madre en ese momento; mostramos cómo ocurre y cómo puede salir mal".

Si bien la investigación actual se llevó a cabo en modelos de ratones, los investigadores están desarrollando un modelo análogo para el desarrollo de embriones humanos para comprender los mecanismos detrás de procesos cruciales que de otro modo serían imposibles de estudiar en embriones reales.

Si se demuestra que estos métodos tienen éxito con células madre humanas en el futuro, también podrían usarse para guiar el desarrollo de órganos sintéticos para pacientes que esperan trasplantes. "Hay tantas personas en todo el mundo que esperan durante años un trasplante de órganos", dice Zernicka-Goetz. "Lo que hace que nuestro trabajo sea tan emocionante es que el conocimiento que surge de él podría usarse para hacer crecer órganos humanos sintéticos correctos para salvar vidas que actualmente se pierden. También debería ser posible afectar y curar órganos adultos usando el conocimiento que tenemos sobre cómo se hacen".

El artículo se titula "Los embriones de ratón derivados de células madre se desarrollan dentro de un saco vitelino extraembrionario para formar regiones cerebrales anteriores y un corazón que late". Los coautores son Gianluca Amadei y Charlotte Handford de la Universidad de Cambridge. + Explora más

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