Los científicos construyen el primer modelo funcional de tejido cerebral 3D
Lograr una mayor comprensión del cerebro humano es algo que los investigadores han estado luchando durante mucho tiempo pero que han encontrado difícil, dada la complejidad del órgano y los desafíos en el estudio de su fisiología en un cuerpo vivo. Ahora, los investigadores de la Universidad Tufts en Medford, MA, han creado un modelo de tejido 3D que puede imitar las funciones cerebrales.
Esta imagen del microscopio muestra las neuronas (amarillas) unidas al andamio de seda (azul).
Crédito de la imagen: Tufts University
El equipo de investigación, incluido el autor principal David Kaplan, PhD, profesor de la familia Stern y presidente de ingeniería biomédica de la Escuela de Ingeniería Tufts, dice que el modelo allana el camino para nuevos estudios sobre el funcionamiento cerebral, lesiones y enfermedades, y el tratamiento.
Recientemente publicaron sus hallazgos en Las actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).
Para estudiar la función de las neuronas cerebrales, los investigadores las cultivan actualmente en placas de Petri. Pero la complicada estructura del tejido cerebral, que está compuesta por áreas segregadas de materia gris y blanca, no se puede duplicar con estas neuronas 2D.
La materia gris se compone principalmente de cuerpos celulares neuronales, y la materia blanca consiste en haces de fibras nerviosas o axones. Estos axones son responsables de transmitir señales entre las neuronas.
Cuando el cerebro está sujeto a daño o enfermedad, la sustancia gris y blanca se ve afectada de diferentes maneras, lo que significa que hay una necesidad de modelos de tejido cerebral que permitan que cada una de estas áreas se estudie por separado.
"Hay pocas opciones buenas para estudiar la fisiología del cerebro vivo, sin embargo, esta es quizás una de las áreas más importantes de necesidad clínica no satisfecha cuando se considera la necesidad de nuevas opciones para comprender y tratar una amplia gama de trastornos neurológicos asociados con el cerebro ", dice Kaplan.
Recientemente, los científicos han intentado crear tejido cerebral funcional cultivando neuronas en entornos de gel de colágeno 3D, pero sin éxito. Dichos modelos han muerto rápidamente y no han logrado producir una función de nivel de tejido lo suficientemente fuerte.
Pero el equipo de Tufts ha encontrado una forma de crear un tejido 3D funcional similar al cerebro que no solo incorpora regiones segregadas de materia gris y blanca, sino que también puede vivir durante más de 9 semanas.
¿Cómo se creó el tejido 3D cerebral?
En primer lugar, Kaplan y sus colegas combinaron dos biomateriales: una proteína de seda y un gel a base de colágeno. La proteína de seda actuaba como un andamio esponjoso al que se unían las neuronas, mientras que el gel estimulaba el crecimiento de la fibra nerviosa.
Este diagrama muestra la rosquilla del andamio y las diferentes áreas de materia gris y blanca.
Crédito de la imagen: Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería
Luego, los investigadores cortaron el andamio esponjoso en forma de una rosquilla y lo colonizaron con neuronas de rata, antes de llenar el centro de la rosquilla con el gel a base de colágeno, que se infiltró en todo el andamio.
El equipo descubrió que las neuronas creaban redes funcionales alrededor de las salidas del andamio en solo unos pocos días, y las fibras nerviosas pasaban a través del gel en el centro de la rosquilla para conectarse con las neuronas del otro lado. Esto creó regiones separadas de materia gris y blanca.
Luego, los investigadores realizaron una serie de experimentos en el tejido 3D similar al cerebro con el fin de evaluar la salud y la función de sus neuronas, y compararlas con las neuronas cultivadas utilizando el método 2D existente o en un entorno de solo gel.
Kaplan y sus colegas encontraron una mayor expresión de los genes implicados en el crecimiento y la función de las neuronas en el tejido 3D similar al cerebro.
Las neuronas que crecieron en el tejido cerebral similar a 3D demostraron una actividad metabólica estable durante casi 5 semanas, mientras que dicha actividad en las neuronas que crecían en un entorno de solo gel comenzó a desvanecerse en 24 horas. Además, la actividad eléctrica y la capacidad de respuesta similar a la que se encuentra en el cerebro intacto se observó en las neuronas de los tejidos similares al cerebro 3D.
Al comentar sobre esta creación, Rosemarie Hunziker, PhD, directora del programa de ingeniería de tejidos en el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería, que financió el estudio, dice:
"Este trabajo es una hazaña excepcional. Combina una comprensión profunda de la fisiología del cerebro con un conjunto grande y creciente de herramientas de bioingeniería para crear un entorno que es necesario y suficiente para imitar la función cerebral".
El modelo podría mejorar los estudios de la función cerebral, las lesiones y las enfermedades
A medida que el tejido 3D parecido al cerebro parecía funcional, el equipo quería ver si su modelo podría ser útil para estudiar la lesión cerebral traumática (TBI).
Simularon una LCT al dejar caer pesos en el modelo desde diferentes alturas. Descubrieron que la actividad química y eléctrica en las neuronas del tejido cambió después de TBI, que según los investigadores es similar a las observaciones reportadas en estudios con animales de TBI.
Según Kaplan, este hallazgo muestra que el modelo de tejido 3D similar al cerebro podría proporcionar una forma más efectiva de estudiar la lesión cerebral.
"Con el sistema que tenemos, puede realizar un seguimiento de la respuesta tisular a la lesión cerebral traumática en tiempo real", explica. "Lo más importante es que también puede comenzar a rastrear la reparación y lo que sucede durante períodos de tiempo más largos".
Pero las ventajas de este modelo no se detienen allí. Kaplan señala que el tejido similar al cerebro sobrevivió durante más de 2 meses, lo que significa que podría permitir a los investigadores obtener una mejor visión de una serie de trastornos cerebrales:
"El hecho de que podamos mantener este tejido durante meses en el laboratorio significa que podemos empezar a ver las enfermedades neurológicas de una manera que no se puede hacer de otra manera porque se necesitan largos períodos de tiempo para estudiar algunas de las enfermedades cerebrales clave".
"Los buenos modelos permiten hipótesis sólidas que pueden ser probadas a fondo.La esperanza es que el uso de este modelo podría conducir a una aceleración de las terapias para la disfunción cerebral, así como ofrecer una mejor manera de estudiar la fisiología cerebral normal ", agrega Hunziker.
Los investigadores dicen que ahora planean ajustar el modelo para hacerlo aún más similar al cerebro. Ya han descubierto que pueden ajustar el andamio de rosquilla para incorporar seis anillos, cada uno de los cuales puede colonizarse con diferentes neuronas. Esto, dice el equipo, simularía las seis capas de la corteza cerebral humana.
El año pasado, Noticias médicas hoy informó sobre un estudio publicado en la revista Naturaleza, revelando cómo los científicos lograron desarrollar "mini-cerebros" a partir de células madre.
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