La microglía es un tipo especializado de célula inmunitaria que representa aproximadamente el 10 % de todas las células del cerebro y la médula espinal. Su función consiste en eliminar microbios infecciosos, células muertas y proteínas agregadas, así como antígenos solubles que pueden poner en peligro el cerebro y, durante el desarrollo, también contribuyen a la formación de circuitos neuronales que posibilitan funciones cerebrales específicas.
Cuando la microglía no funciona correctamente, puede desencadenar neuroinflamación y no eliminar las células dañadas ni los agregados proteicos dañinos, como los ovillos neurofibrilares y las placas amiloides que se observan en la enfermedad de Alzheimer. Esto contribuye a numerosas enfermedades neurodegenerativas, como el Alzheimer, el Parkinson y la enfermedad de Huntington, así como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), la esclerosis múltiple y otros trastornos. De hecho, la neuroinflamación puede ocurrir incluso antes de que las proteínas comiencen a formar agregados patógenos y, a su vez, acelera la agregación proteica.
Los investigadores y desarrolladores de fármacos que buscan comprender mejor y abordar las funciones de la microglía en el cerebro se enfrentan al reto de que la microglía humana solo puede obtenerse mediante biopsias, y la microglía de los roedores difiere de la de los humanos en muchas características críticas. Este problema de suministro los impulsó a trabajar en métodos para crear microglía en placas de cultivo utilizando células madre como punto de partida. Sin embargo, hasta la fecha, este proceso ha sido ineficiente y requiere semanas para completarse, con costos considerables.
Ahora, un equipo de investigación del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard y la Facultad de Medicina de Harvard (HMS), dirigido por el miembro fundador del cuerpo docente de Wyss, George Church, Ph.D., ha ideado una solución para crear microglía con fuertes similitudes funcionales con la microglía humana a partir de células madre pluripotentes inducidas (iPSC) en cuatro días, en comparación con los 35 días que se necesitan para obtener células similares, aunque menos afinadas, en un proceso de diferenciación convencional.
Su enfoque se basa en una tecnología previamente desarrollada, conocida como TFome ™ , que permite impulsar múltiples procesos de diferenciación celular en la placa de cultivo con mayor eficiencia que otros métodos. En la tecnología TFome ™ , proteínas instructivas esenciales, conocidas como factores de transcripción (FT), que orquestan programas completos de expresión génica, se expresan en iPSC para especificar su destino hacia tipos celulares funcionales diferenciados.
En su nuevo estudio, el equipo diseñó bibliotecas de TF específicas para la microglía y, posteriormente, realizó rondas iterativas de cribado de distintas combinaciones de TF para determinar su capacidad de convertir iPSC en células similares a la microglía. Para investigar las células resultantes individualmente, utilizaron la tecnología de secuenciación de ARN de una sola célula (scRNA-seq) para determinar la similitud de su expresión génica con la de la microglía real.
Mediante este proceso, identificaron un potente cóctel de seis TF que permite la producción ultrarrápida de células similares a la microglía. Sus hallazgos se publicaron en Nature Communications .
«Aquí, en un paradigma de biología sintética, impulsamos las bibliotecas de factores de transcripción como plataforma tecnológica. Al integrarlas con el análisis basado en datos de ARN de células individuales y rondas iterativas de optimización, logramos crear células de microglía humana muy solicitadas en placa», afirmó Church.
Este enfoque de diferenciación celular puede abrir muchas vías de investigación centrada en enfermedades cerebrales y nuevas perspectivas terapéuticas. Igualmente relevante, puede aplicarse a la generación de otros tipos celulares difíciles de obtener y terapéuticamente relevantes que requieren escenarios transcripcionales complejos. Church también es profesor de Genética en la HMS y profesor de Ciencias de la Salud y Tecnología en Harvard y el MIT.
Comienzos de los organoides
En 2021, los coautores Alex Ng, Ph.D., y Parastoo Khoshakhlagh, Ph.D., crearon una biblioteca completa de 1732 TF humanos y sus variantes, una pieza vital de la tecnología de la plataforma TFome TM , e identificaron TF individuales con la capacidad de generar tipos de células específicos para su posible uso en la fabricación acelerada de terapias celulares de próxima generación.
Ng y Khoshakhlagh, junto con Church y el exinvestigador de la HMS, el Dr. Cory Smith, fundaron la startup GC Therapeutics para comercializar aún más su tecnología de ingeniería celular y crear productos de terapia celular de última generación. En este nuevo estudio, el equipo de Church en Wyss y la HMS amplió aún más la utilidad de su plataforma TFome ™ .
En el grupo de Church en Wyss y HMS, el interés en la microglía surgió inicialmente a partir de estudios anteriores sobre microtejidos cultivados en laboratorio que recapitulaban características funcionales y organizativas del cerebro, también conocidos como organoides cerebrales.
«En nuestro esfuerzo por desarrollar organoides cerebrales humanos con características de pacientes que padecen trastornos cerebrales específicos, logramos crear estructuras tisulares que contienen células neuronales derivadas de iPSC, oligodendrocitos, células estromales y vasculares, utilizando la tecnología TFome ™ . Sin embargo, para capturar aspectos de la neuroinflamación en nuestros estudios, también necesitábamos incorporar microglía», afirmó la coautora Jenny Tam, Ph.D., directora de la plataforma de Biología Sintética de Wyss, dirigida por Church.
Church y Tam, junto con la coautora Katharina Meyer, Ph.D., y otros investigadores de Wyss, están aprovechando la tecnología de organoides cerebrales y TFome ™ en su plataforma de descubrimiento de fármacos CircaVent para afecciones de salud mental como el trastorno bipolar. «Sin embargo, sabíamos que generar microglía probablemente requeriría una combinación compleja de TF», afirmó Tam.
«Para crear células de microglía humana in vitro, utilizando el proceso TFome ™ , nos dimos cuenta de que no tenemos que examinar toda la biblioteca, sino que, con base en un amplio conjunto de estudios previos sobre el desarrollo y las enfermedades, podríamos empezar por tomar una decisión inteligente», dijo el primer autor, el Dr. Songlei Liu, quien fue estudiante de posgrado en el grupo de Church.
Así, creamos una colección de 40 TF cuyos perfiles de expresión génica inducida eran típicos de la microglía humana primaria y diseñamos una estrategia para expresar combinaciones aleatorias de cinco a siete de ellos en iPSC individuales. Liu fue el impulsor del proyecto de microglía en el grupo de Church y ahora es científico de tecnología de plataformas en nChroma Bio.
Para determinar qué combinaciones de TF inducían con mayor eficacia la expresión génica de la microglía diferenciadora, los investigadores colaboraron con la Dra. Soumya Raychaudhuri, profesora de Medicina en el Brigham and Women’s Hospital y de Informática Biomédica en el HMS, y coautora correspondiente. Raychaudhuri, junto con su antiguo becario postdoctoral, el Dr. Fan Zhang, y el Dr. Li Li, becario postdoctoral del grupo de Church, aplicaron métodos estadísticos y computacionales que permitieron al equipo extraer cambios en la expresión génica similares a los de la microglía a partir de datos de scRNA-seq obtenidos de miles de células individuales tras tan solo unos días de cultivo, y posteriormente clasificar las combinaciones de TF correspondientes. Zhang, quien actualmente es profesora adjunta en la Universidad de Colorado, y Li son coautoras principales de la publicación.
El resultado de esta primera ronda de detección fueron tres TF (SPI1, CEBPA y FLI1) que, juntos, activaron un programa de diferenciación específico de microglía en iPSC.
La siguiente ronda es en la plataforma.
Aunque las células exhibieron cambios morfológicos y transcripcionales similares a los de la microglía deseados, el equipo se dio cuenta de que aún no habían alcanzado la madurez funcional de la microglía humana primaria real.
«Argumentamos que podríamos pasar por rondas iterativas de este ciclo de diseño-selección-validación, lo que significa que agregar nuevos TF en rondas consecutivas podría mejorar los resultados y conducir a combinaciones de TF más superiores», dijo Liu.
Al buscar TF adicionales que aún se expresaban a niveles más bajos en iPSC diferenciadoras que recibieron la combinación de tres TF, en comparación con la microglía humana primaria, y mediante diferentes predicciones computacionales, los investigadores compilaron un segundo conjunto de 42 TF adicionales. Su análisis computacional y de secuenciación de ARN sc identificaron otros tres (MEF2C, CEBPB e IRF8) que, en una combinación ampliada de seis TF, impulsaron aún más la diferenciación de la microglía.
Liu y su equipo analizaron si las células resultantes, al igual que la microglía, podían activarse mediante estímulos típicos de infecciones cerebrales y enfermedades neurodegenerativas. Descubrieron que la citocina interferón gamma (IFNg), que aumenta en presencia de patógenos infecciosos, inducía un patrón de expresión génica específico de la microglía en las células diferenciadas.
Además, la proteína TDP-43, que forma agregados en pacientes con ELA, provocó cambios en la expresión génica similares a los de la microglía humana. «A partir de este estudio de prueba de concepto, creemos que al identificar más TF, desarrollar métodos para ajustar con mayor precisión la intensidad de expresión de cada TF y el orden de aparición en una escala de cuatro días, podemos perfeccionar las identidades específicas de la microglía e incluso crear subtipos de microglía con funciones específicas en el cerebro», afirmó Liu.
Los autores adicionales del estudio son Mariana García-Corral, Patrick Fortuna, Björn van Sambeek, Evan Appleton, Yuancheng Ryan Lu, James Cameron, Ricardo Ramírez, Yuting Chen, Chun-Ting Wu, Jeremy Huang, Yuqi Tan, George Chao, John Aach y Elaine Lim.
Más información: Songlei Liu et al., El cribado iterativo de factores de transcripción permite la rápida generación de células similares a la microglía a partir de células iPS humanas, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-59596-3
