La física y la biología convergen en un nuevo modelo de desarrollo cerebral.
Créditos de las imagenes: cco.
Nacer “tabula rasa”, una hoja en blanco, en el caso del cerebro es una especie de maldición. Nuestros cerebros ya tienen pliegues como las nueces en el momento en que nacemos.
Los bebés que nacen sin estos pliegues, el síndrome del cerebro liso o lisencefalia, sufren deficiencias graves de desarrollo y su esperanza de vida es marcadamente reducida.
El gen que causa este síndrome ayudó recientemente a los investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias a investigar las fuerzas físicas que causan la formación de los pliegues del cerebro.
En sus descubrimientos, publicados hoy en Nature Physics, los investigadores describen un método que desarrollaron para hacer pequeños “cerebros en chips”.
A partir de células humanas que pudieron rastrear los mecanismos físicos y biológicos subyacentes al proceso de pliegues.
Los pequeños cerebros cultivados en el laboratorio a partir de células madre embrionarias, llamados organoides, fueron realizados por primera vez en la última década.
Los responsables son los Prof. Yoshiki Sasai en Japón y Juergen Knoblich en Austria.
La Prof. Orly Reiner del Departamento de Genética Molecular dice que su laboratorio, junto con muchos otros, abrazaron la idea de cultivar organoides.
Pero el Dr. Eyal Karzbrun, en su laboratorio, tuvo que frenar un poco su entusiasmo: Los tamaños de los organoides que obtuvieron estaban lejos de ser uniformes; sin vasos sanguíneos, el interior no tenía un suministro constante de nutrientes y comenzaron a morir. Por otro lado, el grosor del tejido obstaculizó las imágenes ópticas y el seguimiento por microscopio.
Así que Karzbrun desarrolló un nuevo enfoque para el cultivo de organoides, uno que le permitiría al grupo seguir los procesos de crecimiento a tiempo real. Limitó su crecimiento en el eje vertical.
Esto le proporcionó un organoide en forma de “pita”, redondo y plano con un espacio delgado en el medio. Esta forma permitió al grupo obtener una imagen del tejido delgado a medida que se desarrollaba y suministraba nutrientes a todas las células.
Para la segunda semana de crecimiento y desarrollo del pequeño “cerebro”, los pliegues comenzaron a aparecer y luego a hacerse más profundos. Karzbrun dijo: “esta es la primera vez que se observa un plegamiento en organoides, aparentemente debido a la arquitectura de nuestro sistema”.
Karzbrun es físico de formación, y naturalmente recurrió a modelos físicos para el comportamiento de los materiales elásticos para comprender la formación de los pliegues. Los pliegues y surcos en una superficie son el resultado de la inestabilidad mecánica: fuerzas de compresión aplicadas a alguna parte del material.
Entonces, por ejemplo, si hay una expansión desigual en una parte del material, otra parte podría verse forzada a retirarse para acomodar la presión. En los organoides, los científicos encontraron dicha inestabilidad mecánica en dos lugares: el citoesqueleto, el esqueleto interno, de las células en el centro del organoide se contrajeron; y los núcleos de las células cercanas a la superficie se expandieron.
O dicho otra manera, el exterior de la “pita” creció más rápido que su interior.
Si bien este logro fue impresionante, Reiner no estaba convencida de que las arrugas en los organoides realmente estuvieran modelando los pliegues en un cerebro en desarrollo.
Así, el grupo desarrolló nuevos organoides, esta vez con las mismas mutaciones que tienen los bebés con lisencefalia.
Reiner había identificado este gen, LIS1, en 1993, y ha investigado su papel en el cerebro en desarrollo y en la enfermedad, que afecta a uno de cada 30.000 nacimientos.
Entre otras cosas, el gen participa en la migración de las células nerviosas al cerebro durante el desarrollo embrionario, y también regula el citoesqueleto y los motores moleculares en la célula.
Los organoides con el gen mutado crecieron en las mismas proporciones que los otros, pero desarrollaron pocos pliegues y los que desarrollaron tenían una forma muy diferente a los pliegues normales.
Partiendo del supuesto de que las diferencias en las propiedades físicas de la célula eran las responsables de estas variaciones, el grupo investigó las células del organoide con microscopio de fuerza atómica, con la ayuda del Dr. Sidney Cohen.
Por medidas de elasticidad, las células normales eran aproximadamente dos veces más rígidas que las mutadas, que eran básicamente blandas.
Reiner mos cuenta: “descubrimos una diferencia importante en las propiedades físicas de las células en los dos organoides. Pero también observamos diferencias en sus propiedades biológicas. Por ejemplo, los núcleos en los centros de los organoides mutantes se movieron más lentamente, y vimos diferencias importantes en la expresión génica“.
Incluso antes de la fecha de publicación del artículo, la comunidad científica ha mostrado gran interés en este nuevo enfoque para el cultivo de organoides.
“No es exactamente un cerebro, pero es un modelo bastante bueno para el desarrollo del cerebro”, dice Reiner.
“Ahora comprendemos mucho mejor lo que hace que el cerebro tenga pliegues o en el caso de aquellos con un gen mutado, no los tenga”.
Los investigadores planean continuar desarrollando su enfoque, que creen que podría conducir a nuevos conocimientos sobre otros trastornos que están ligados al desarrollo del cerebro, incluyendo la microcefalia, la epilepsia y la esquizofrenia.
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