Científicos de la ETH de Zúrich han abierto nuevos caminos al cultivar en laboratorio más de 400 tipos de células nerviosas a partir de células madre. Esto supera los intentos anteriores, en los que sólo se pudieron producir unas pocas docenas de células. Experimentando sistemáticamente con combinaciones de morfógenos y reguladores génicos, los investigadores lograron reproducir la enorme diversidad de neuronas del cerebro humano. Este avance es muy prometedor para la investigación de enfermedades neurológicas como el Alzheimer y el Parkinson, el desarrollo de modelos más precisos para el ensayo de fármacos y, en última instancia, incluso para terapias de sustitución neuronal.
Variedad de tipos de células nerviosas
Las células nerviosas no son sólo células nerviosas. Según los cálculos más recientes, en el cerebro humano hay entre varios cientos y varios miles de tipos diferentes de células nerviosas, dependiendo de la precisión con que las diferenciemos. Estos tipos de células difieren en su función, en el número y la longitud de sus procesos celulares y en las conexiones entre ellas. Liberan distintas sustancias mensajeras en nuestras sinapsis, y según la región del cerebro -por ejemplo, en la corteza cerebral o el mesencéfalo- están activos distintos tipos celulares.
En el pasado, cuando los científicos producían células nerviosas a partir de células madre en placas de Petri para sus experimentos, no era posible tener en cuenta su enorme diversidad. Hasta ahora, los investigadores sólo habían desarrollado métodos para cultivar in vitro unas pocas docenas de tipos diferentes de células nerviosas. Lo hacían mediante ingeniería genética o añadiendo moléculas de señalización para activar determinadas vías de señalización celular. Sin embargo, nunca se habían acercado a los cientos o miles de tipos de células nerviosas que existen en la actualidad.
El cribado sistemático como clave del éxito
“Las neuronas derivadas de células madre suelen utilizarse para investigar enfermedades. Hasta ahora, sin embargo, los investigadores han ignorado a menudo los tipos exactos de neuronas con los que trabajan”, afirma Barbara Treutlein, catedrática del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Biosistemas de la ETH de Zúrich (Basilea). Sin embargo, éste no es el mejor enfoque para este tipo de trabajo. “Si queremos desarrollar modelos de cultivo celular para enfermedades y trastornos como el Alzheimer, el Parkinson y la depresión, tenemos que tener en cuenta el tipo específico de células nerviosas afectadas”.
Treutlein y su equipo han logrado producir más de 400 tipos diferentes de células nerviosas. Los científicos han allanado así el camino para una investigación neurológica básica más precisa con experimentos de cultivo celular. Los investigadores de la ETH lo consiguieron trabajando con un cultivo de células madre pluripotentes inducidas humanas obtenidas a partir de células sanguíneas. Mediante ingeniería genética, activaron determinados genes reguladores neuronales en estas células y las trataron con diversos morfógenos, una clase especial de moléculas de señalización. Treutlein y su equipo procedieron sistemáticamente y utilizaron siete morfógenos en distintas combinaciones y concentraciones en sus experimentos de cribado. El resultado fueron casi 200 condiciones experimentales distintas.
Los morfógenos son sustancias mensajeras conocidas por la investigación embrionaria. No se distribuyen uniformemente en el embrión, sino que aparecen en diferentes concentraciones y forman patrones espaciales. De este modo, determinan la posición de las células en el embrión, por ejemplo si una célula está situada cerca del eje corporal o en la espalda, el abdomen, la cabeza o el torso. Por tanto, los morfógenos ayudan a determinar qué crece y dónde en el embrión. Mediante diversos análisis, los investigadores pudieron demostrar que habían producido más de 400 tipos diferentes de células nerviosas en su experimento. Analizaron el ARN (y, por tanto, la actividad genética) a nivel de células individuales, así como el aspecto externo de las células y su función: por ejemplo, qué tipo de extensiones celulares tenían y en qué cantidades, y qué impulsos nerviosos eléctricos emitían.
A continuación, los investigadores compararon sus datos con la información de las bases de datos sobre neuronas del cerebro humano. Esto les permitió identificar los tipos de células nerviosas producidas, por ejemplo las que se encuentran en el sistema nervioso periférico o en las células cerebrales, así como la parte del cerebro de la que proceden, y si perciben el dolor, el frío o el movimiento, etc.
Investigación de enfermedades neurológicas graves
Treutlein subraya que aún queda mucho camino por recorrer antes de que se puedan producir in vitro todos los tipos de células nerviosas que existen. No obstante, los investigadores tienen ahora acceso a un número de tipos celulares mucho mayor que antes. Quieren utilizar las células nerviosas in vitro para desarrollar modelos de cultivo celular destinados a la investigación de enfermedades neurológicas graves como la esquizofrenia, el Alzheimer, el Parkinson, la epilepsia, los trastornos del sueño y la esclerosis múltiple. Estos modelos de cultivos celulares también son de gran interés para la investigación farmacéutica, con el fin de probar el efecto de nuevas sustancias activas en cultivos celulares sin ensayos con animales, con el objetivo de poder curar algún día estas enfermedades.
En el futuro, las células también podrían utilizarse para la terapia de reemplazo celular, en la que las células nerviosas enfermas o muertas del cerebro se sustituyen por nuevas células humanas. Sin embargo, antes de que esto sea posible, todavía hay que superar un reto: En sus experimentos, los investigadores produjeron a menudo una mezcla de varios tipos diferentes de células nerviosas. Ahora están trabajando para optimizar su método de modo que sólo se produzca un tipo específico de célula en las condiciones experimentales respectivas. Ya tienen ideas iniciales sobre cómo lograrlo.