¿Cómo se desarrollan los órganos humanos y qué les ocurre cuando enferman? Para responder a estas preguntas, los investigadores se centran cada vez más en los llamados organoides. Estos miniórganos, de apenas unos milímetros de tamaño, están formados por grupos de células cultivadas en el laboratorio que pueden formar estructuras similares a órganos.
por Stefan Zorn, Medizinische Hochschule Hannover
De manera similar al desarrollo embrionario, los organoides permiten investigar la interacción de las células en el espacio tridimensional, por ejemplo, en procesos metabólicos o mecanismos de enfermedades.
La producción de organoides es complicada; los nutrientes, factores de crecimiento y moléculas de señalización necesarios deben agregarse en un orden específico y en momentos específicos de acuerdo con un cronograma preciso.
En 2021, el equipo de investigación dirigido por el Dr. Robert Zweigerdt, biólogo celular del Laboratorio de Investigación Leibniz de Biotecnología y Órganos Artificiales (LEBAO) de la Facultad de Medicina de Hannover (MHH), logró por primera vez producir un organoide formador de corazón (HFO) y reproducir todo el camino hasta la etapa temprana de un corazón humano en un cultivo celular.
Un problema no resuelto en la ciencia hasta la fecha ha sido el desarrollo de un modelo que simule el desarrollo del corazón y la hematopoyesis en conjunto. La hematopoyesis comienza en el embrión humano después de la cuarta semana en la aorta, cerca en tiempo y lugar del esbozo cardíaco.
Basándose en su modelo de organoide cardíaco, los investigadores agregaron gradualmente factores especiales y así crearon un nuevo organoide cardíaco generador de sangre (HFO generador de sangre, BG-HFO). Este éxito de investigación se publicó recientemente en Nature Cell Biology .
Desarrollo de tejidos como en un embrión.
Los minicorazones se crean a partir de células madre pluripotentes humanas (hPSC). Se trata de células con propiedades especiales: pueden reproducirse indefinidamente en cultivos y formar cualquier tipo celular. Con la ayuda de señales biológicas o químicas incrustadas en una matriz de hidrogel, las hPSC pueden controlarse de tal manera que agregados celulares tridimensionales se conviertan en organoides cardíacos en 10 a 14 días. No se trata de cúmulos de células musculares cardíacas, sino de estructuras complejas que constan de al menos siete tipos de células y tejidos diferentes y claramente estructurados.
Al igual que en el desarrollo embrionario natural , el minicorazón artificial consta de tres capas en forma de copa y comprende el anágen del corazón, los precursores del hígado y los pulmones y los vasos sanguíneos.
«Ahora hemos adaptado nuestro protocolo de diferenciación, es decir, nuestras instrucciones experimentales especiales, y hemos añadido una densa capa endotelial al organoide del corazón, que recubre los vasos sanguíneos y de la que surgen las células formadoras de sangre y las células progenitoras «, explica la Dra. Miriana Dardano, primera autora del estudio. «Se trata del primer modelo de órgano humano de este tipo que combina todos los tejidos según el desarrollo en el embrión», afirma la bióloga de células madre.
Tan flexible como un kit de construcción
«Nuestro estudio permite ahora a otros investigadores investigar en cultivos celulares cómo se produce la interacción entre tejidos en la hematopoyesis», destaca la doctora Lika Drakhlis, codirectora del trabajo de investigación. Sin embargo, los nuevos hallazgos no sólo son de interés científico para el esclarecimiento del desarrollo sano de los órganos y la hematopoyesis.
El organoide cardíaco hematopoyético expandido también podría servir como modelo para enfermedades como la COVID-19, que ataca el corazón y los vasos sanguíneos , además de los pulmones. También podrían investigarse en la placa de cultivo celular infecciones con otros virus o bacterias, cáncer o malformaciones causadas por defectos genéticos para comprender y tratar mejor las enfermedades cardiovasculares. Los organoides también son adecuados para probar agentes farmacológicos.
«En algunos casos, esto funciona incluso mejor que en los modelos animales, por ejemplo, porque éstos están sujetos a otras influencias biológicas y los resultados sólo pueden transferirse a los humanos de forma limitada», afirma el científico.
Y como su principio de producción de organoides es tan flexible como un kit de construcción, los investigadores de LEBAO no se limitan a los componentes del corazón y la sangre, sino que ya están trabajando en un nuevo protocolo de diferenciación que convierte las células madre hPSC en células de otros órganos, de modo que en el futuro se disponga de más modelos de organoides multitejidos para la investigación médica.
Más información: Miriana Dardano et al, Blood-generating heart-forming organoids recapitulate co-development of the human haematopoietic system and the embryonic heart, Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01526-4
