La luz puede controlar el desarrollo de organoides

Parecen nubes de tormenta que caben en la cabeza de un alfiler: los organoides son cultivos celulares tridimensionales que desempeñan un papel clave en la investigación médica y clínica.

Esto se debe a su capacidad para reproducir estructuras tisulares y funciones orgánicas en la placa de Petri. Los científicos pueden utilizar los organoides para entender cómo se producen las enfermedades, cómo se desarrollan los órganos y cómo actúan los fármacos.

Las tecnologías unicelulares permiten a los investigadores profundizar hasta el nivel molecular de las células. Con la transcriptómica espacial, pueden observar qué genes de los organoides están activos y dónde a lo largo del tiempo.

Los órganos en miniatura suelen derivar de células madre. Se trata de células que no se han diferenciado en absoluto, o solo mínimamente. Pueden convertirse en cualquier tipo de célula, como células cardíacas o renales, células musculares o neuronas.

Para que las células madre se diferencien, los científicos las alimentan con factores de crecimiento y las introducen en una solución nutritiva. Allí, las células se agrupan en pequeños grupos y empiezan a funcionar e interactuar como si estuvieran en un tejido real.

Antes era casi imposible controlar este proceso. Pero, ahora, investigadores liderados por Nikolaus Rajewsky, director del Instituto de Biología de Sistemas Médicos del Centro Max Delbrück de Berlín (MDC-BIMSB), han publicado un artículo en Nature Methods en el que describen la tecnología que utilizaron para iniciar y controlar el proceso y observarlo en el tiempo y el espacio.

"Combinamos la transcriptómica espacial con la optogenética", explica Ivano Legnini, autor principal. "Esto nos permite tanto controlar la expresión génica en células vivas como observar su comportamiento".

Sensores para activar o bloquear genes

En optogenética, se insertan ‘sensores de luz’ naturales o artificiales en las células. Si la luz llega a los sensores, estos activan o bloquean genes en las células, dependiendo de cómo estén programadas.

Legnini instaló estos sensores de luz en células precursoras neuronales derivadas de células madre que se unirían para formar organoides neuronales. Para ello trabajó con el equipo de la Plataforma Tecnológica de Organoides, dirigido por Agnieszka Rybak-Wolf, y con el Laboratorio de Biología de Sistemas de Diferenciación de Tejidos Neurales, dirigido por Robert Patrick Zinzen. Querían averiguar cómo se desarrolla el sistema nervioso en el embrión humano.

Allí, las moléculas conocidas como morfógenos desempeñan un papel clave en el proceso, ya que señalan a los progenitores neurales si deben convertirse en neuronas que funcionen en la parte anterior del cerebro o en la parte posterior de la médula espinal, por ejemplo. La combinación de estas moléculas produce patrones típicos de expresión génica durante el desarrollo.

En el estudio se utilizó la luz para activar un morfógeno llamado Sonic Hedgehog. Sus posteriores análisis unicelulares espacialmente resueltos mostraron que las células respondían organizándose en organoides con patrones estereotipados.

La luz se generó de dos maneras: utilizando un microscopio láser o un dispositivo digital de microespejos, que el grupo de Rajewsky desarrolló en colaboración con Andrew Woehler.

El microscopio de microespejos está equipado con un chip que contiene varios cientos de miles de espejos diminutos. Estos espejos pueden programarse para que el microscopio, a diferencia de un láser, que solo incide en un punto, produzca patrones de luz complejos en una muestra.

Preciso, pero mejorable

"Nuestro método nos permite reproducir con gran precisión en una placa de Petri los procesos relacionados con la expresión génica en los tejidos", señala Legnini, quien ha empezado a crear su propio grupo de trabajo en la Human Technopole de Milán (Italia).

Sus planes para el grupo incluyen una mejora en la resolución espacial y temporal de la tecnología y hacerla utilizable para otros organoides.

Rajewsky, por su parte, también quiere perfeccionar el método: "Tengo muchas ganas de trabajar con expertos en optogenética para seguir actualizando la tecnología y aplicarla a modelos de organoides humanos clínicamente relevantes".

Referencia:

Ivano Legnini et al. "Spatiotemporal, optogenetic control of gene expression in organoids". Nature Methods (2023)

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