Investigadores han creado
tejido cerebral tridimensional funcional
con características estructurales similares a los tejidos en el cerebro
de rata y que puede mantenerse vivo en el laboratorio durante más de
dos meses, tal y como describen en un artículo que se publica esta
semana en
Proceedings of the National Academy of Sciences.
Como primera demostración de su potencial, los científicos
emplearon el tejido cerebral para estudiar los cambios químicos y
eléctricos que ocurren inmediatamente después de una lesión traumática del cerebro
y, en un experimento separado, las modificaciones que suceden en
respuesta a un fármaco. El tejido puede ser un modelo superior para el
análisis de la función cerebral normal, así como de lesiones y
enfermedades, y ayudar en el desarrollo de nuevos tratamientos para la
disfunción cerebral.
El tejido cerebral se desarrolló en el
Centro de Ingeniería de Tejido en la
Universidad de Tufts,
en Boston, Estados Unidos, financiado por el Instituto Nacional de
Imágenes Biomédicas y Bioingeniería (NIBIB, por sus siglas en inglés)
para establecer biomateriales innovadores y modelos de ingeniería de
tejidos.
Actualmente, los científicos cultivan neuronas en placas de
petri para estudiar su comportamiento en un entorno controlable, pero
al ser en dos dimensiones son incapaces de replicar la compleja
organización estructural del tejido cerebral, que consiste en regiones
separadas de materia gris y blanca. En el cerebro, la materia gris está
compuesta principalmente por cuerpos celulares de neuronas, mientras que la blanca está formada por haces de axones, que son las prolongaciones de las neuronas que conducen el impulso nervioso para conectarse unas con otras.
Debido a que las lesiones cerebrales y las enfermedades
suelen afectar a estas áreas de manera diferente, se necesitan modelos
que exhiban la compartimentación de la materia gris y blanca.
Recientemente, ingenieros de tejidos han intentado cultivar neuronas en
entornos de gel en 3-D, donde pueden establecer libremente conexiones en
todas las direcciones, pero estos modelos de tejidos a base de gel no
viven mucho tiempo y dejan de producir la función a nivel de tejido
robusto.
Esto es porque el ambiente extracelular es una matriz
compleja en la que las señales locales establecen diferentes entornos
que estimulan distinto crecimiento celular y/o desarrollo y función, de
forma que no es suficiente proporcionar simplemente el espacio para que
las neuronas crezcan en tres dimensiones. Ahora, un grupo de
bioingenieros informa que han creado con éxito tejido cerebral funcional en 3-D que presenta compartimentación de materia blanca y gris y puede sobrevivir en el laboratorio durante más de dos meses.
Imitar la función del cerebro
«Este trabajo es un logro excepcional --afirma Rosemarie Hunziker,
directora del programa de Ingeniería de Tejidos en NIBIB--. Combina una
profunda comprensión de la fisiología del cerebro con un conjunto
grande y creciente de herramientas de bioingeniería para crear un
ambiente que es a la vez necesario y suficiente para imitar la función del cerebro».
La clave para generar tejido similar al cerebral fue la
creación de una nueva estructura compuesta que consiste en dos
biomateriales con propiedades físicas diferentes: un andamio esponjoso hecho de proteína de seda y un gel a base de colágeno más
suave. El andamio sirve como una estructura en la que las neuronas
pueden anclarse y el gel alienta a los axones a crecer a través de él.
Para lograr esa división en materia gris y blanca, estos expertos cortaron el andamio esponjoso en forma de donut y lo poblaron con neuronas de rata,
llenando así el centro de la rosquilla con el gel a base de colágeno,
que posteriormente impregnó el andamio. En pocos días, las neuronas
formaron redes funcionales alrededor de los poros del andamio y enviaron
largas proyecciones del axón a través del centro del gel para conectar
con las neuronas en el lado opuesto de la rosquilla.
El resultado fue una región distinta de materia blanca, que
contiene en su mayoría proyecciones celulares, los axones, formados en
el centro de la rosquilla que estaba separada de la materia gris
circundante, donde se concentraron los cuerpos celulares. Durante un
periodo de varias semanas, los expertos llevaron a cabo experimentos
para determinar la salud y la función de las neuronas que
crecen en el tejido cerebral en 3-D y para compararlas con las
cultivadas sólo en un entorno de gel colágeno o en un plato en 2-D.
Entonces, encontraron que las neuronas en los tejidos del cerebro fabricados en 3-D tuvieron mayor expresión de genes implicados en el crecimiento y la función de las neuronas.
Además, las neuronas cultivadas en el tejido cerebral 3-D mantienen la
actividad metabólica estable durante hasta cinco semanas, mientras que
la salud de las neuronas cultivadas en el medio ambiente de gel
comienzan a deteriorarse a las 24 horas.
Lesión cerebral traumática
En lo que respecta a la función, las neuronas en el tejido cerebral 3-D exhibieron actividad eléctrica y capacidad de respuesta al
imitar las señales observadas en el cerebro intacto, incluyendo un
patrón de respuesta electrofisiológico típico de una neurotoxina. Como
el tejido cerebral 3-D muestra propiedades físicas similares al tejido
cerebral de roedores, los expertos trataron de determinar si pueden
usarlo para estudiar la lesión cerebral traumática.
Para simular una lesión cerebral traumática, se deja caer
un peso sobre el tejido cerebral en 3-D desde distintas alturas y luego
se miden los cambios en la actividad eléctrica y química de las
neuronas, provocando efectos similares a los observados habitualmente en
estudios de lesión cerebral traumática en animales. «Con este sistema,
se puede hacer un seguimiento de la respuesta de los tejidos a la lesión
cerebral traumática en tiempo real --apunta David Kaplan,
profesor de Ingeniería de la Universidad de Tufts--. También es posible
seguir la reparación y lo que ocurre en periodos más largos de tiempo».
Kaplan destacó la importancia de la longevidad de los tejidos del cerebro diseñados en 3-D para
la investigación de otros trastornos cerebrales. «El hecho de que
podamos mantener este tejido durante meses en el laboratorio significa
que podemos empezar a mirar las enfermedades neurológicas en formas que
de otra manera no es posible porque se necesitan plazos largos para
estudiar algunas de las enfermedades cerebrales clave», afirma.
Tratamientos para la disfunción cerebral
«Los buenos modelos permiten hipótesis sólidas que pueden
ser probadas a fondo. La esperanza es que el uso de este modelo pueda
conducir a una aceleración de los tratamientos para la disfunción cerebral, así como ofrecer una mejor manera de estudiar la fisiología normal del cerebro», agrega Hunziker.
En este trabajo, estos científicos demostraron que pueden
modificar su andamio de rosquilla porque se compone de seis anillos
concéntricos, cada uno capaz de ser poblado con diferentes tipos de
neuronas. Ese tipo de disposición imita las seis capas de la corteza
cerebral humana en la que existen diferentes tipos de neuronas.