news

La reprogramació cel·lular permet generar xarxes neuronals que reprodueixen característiques úniques de les cèl·lules humanes

news image

UB papers 2022/12/23

Els estudis sobre malalties que afecten el cervell humà solen estar basats en models animals que no són capaços de reproduir la complexitat de les neuropaties humanes. Per això, aquestes metodologies acostumen a fracassar quan s’apliquen en un entorn clínic amb pacients. En aquest context, el descobriment de les tècniques de reprogramació cel·lular per generar cultius de neurones humanes a partir de cèl·lules de la pell ha revolucionat l’estudi i el desenvolupament de teràpies innovadores en l’àmbit de les neurociències.

Un estudi publicat a la revista Stem Cells Reports revela que aquesta tècnica de reprogramació cel·lular permet generar xarxes neuronals que reprodueixen característiques úniques de les cèl·lules humanes —diferents de les que s’obtenen a partir de cèl·lules de rosegador— amb unes dinàmiques temporals que recorden el desenvolupament del cervell humà. Per aquesta raó, els models cel·lulars basats en cèl·lules humanes reprogramades podrien impulsar el desenvolupament de noves teràpies eficaces en la lluita contra les neuropaties i, alhora, reduir l’ús d’animals d’experimentació al laboratori.

L’estudi està dirigit per l’investigador Daniel Tornero Prieto, de la Facultat de Medicina i Ciències de la Salut, l’Institut de Neurociències de la Universitat de Barcelona (UBNeuro) i l’IDIBAPS. També hi participen els investigadors Jordi Soriano Fradera i Estefania Estévez Priego, de la Facultat de Física i l’Institut de Sistemes Complexos de la UB (UBICS) i Zaal Kokaia, de la Universitat de Lund (Suècia), entre d’altres.

Reprogramació cel·lular per superar els límits dels models animals

Tot i compartir gran part del nostre genoma amb la majoria dels mamífers, «hi ha diferències considerables entre les nostres cèl·lules i les d’altres espècies com els rosegadors, que es fan servir com a model animal per a la majoria de les patologies», detalla Daniel Tornero, del Departament de Biomedicina de la UB.

«En concret —afegeix—, hi ha unes diferències molt significatives al cervell, sobretot pel que fa a l’organització i la connectivitat. Això fa que les nostres capacitats cognitives siguin tan diferents i també explica per què els defectes que causen les patologies que afecten el nostre cervell no es reprodueixen de la mateixa manera als cervells d’aquests animals».

Els límits que presenten els estudis amb models animals podrien superar-se mitjançant la tecnologia de reprogramació cel·lular, basada en la inducció de cèl·lules mare pluripotents humanes (hiPSC), un mètode desenvolupat per Shinya Yamanaka el 2007. La reprogramació cel·lular és capaç de generar cultius de qualsevol tipus cel·lular a partir de cèl·lules d’una persona adulta —de manera relativament senzilla i eficient, i sense consideracions ètiques rellevants— amb un gran potencial d’aplicació clínica en teràpia cel·lular i medicina regenerativa.

En el marc de l’estudi, l’equip ha aplicat la tècnica de registres dels nivells de calci intracel·lulars per comparar les propietats dels cultius neuronals generats mitjançant la reprogramació cel·lular a partir de cèl·lules humanes amb els que s’han obtingut de cervells de rosegadors i humans. Aquesta tècnica ofereix una mesura indirecta de l’activitat neuronal: durant l’impuls nerviós, que es transmet d’una neurona a la següent, els nivells de calci augmenten de manera característica i es poden registrar per mitjà dels sensors de calci intracel·lulars.

Aquest sistema d’estudi permet fer un seguiment dinàmic i amb una gran resolució de l’activitat neuronal durant tota la vida del cultiu. L’estratègia experimental es completa amb l’ús d’unes plaques especials que permeten monitorar el mateix grup de cèl·lules mitjançant unes marques que s’incorporen a la superfície del cultiu, una tècnica que minimitza les variables i genera resultats més fiables i valuosos per a l’estudi de xarxes neuronals.

Diferències entre els diferents circuits neuronals

L’equip ha pogut estudiar i diferenciar per primer cop les característiques pròpies dels diferents circuits neuronals generats, unes estructures biològiques que a primera vista podrien semblar idèntiques.

Els resultats mostren que les neurones d’origen humà es comporten de manera diferent a l’hora de crear circuits neuronals des del punt de vista funcional. Aquestes característiques explicarien en part els problemes associats als models animals usats per estudiar les patologies del cervell humà.

«En primer lloc, el que més ens crida l’atenció és l’escala temporal que determina la generació i la maduració de la xarxa neuronal. Els cultius derivats de cèl·lules humanes mostren un comportament dinàmic ric i alhora gradual, amb la qual cosa s’observa clarament el procés de maduració de la xarxa neuronal generada des dels 20 dies de cultiu fins als 45», detalla Daniel Tornero. «Durant aquest període, i gràcies als diferents descriptors que hem desenvolupat, s’ha pogut analitzar com amb el temps la xarxa neuronal va guanyant complexitat, a mesura que les neurones humanes es van connectant cada vegada més entre si», explica l’investigador.

A més, les neurones humanes aconsegueixen fer connexions molt més llargues dins del cultiu, una propietat que vindria determinada per la seva biologia, ja que el cervell de l’humà és molt més gran que el dels rosegadors.

«Tanmateix, els circuits neuronals generats a partir de cèl·lules de rosegador mostren un comportament monòton des de temps molt curts, gairebé sense canvis al llarg de la seva evolució», apunta Tornero.

Protocols segurs i bancs de cèl·lules compatibles

Els models cel·lulars basats en cèl·lules humanes reprogramades es perfilen com un pas intermedi rellevant entre els estudis animals i l’aplicació clínica. La generació d’aquests models cel·lulars per a l’estudi de malalties basats en cèl·lules humanes reprogramades es troba força establerta en els estudis preclínics (en cultius 2D o en sistemes d’òrgans en xips) i, més recentment, en l’obtenció de sistemes 3D basats en l’ús de biomaterials, organoides o bioimpressió.

En medicina regenerativa, l’aplicació d’aquesta tecnologia en estratègies de teràpia cel·lular revela un gran potencial i hi ha molts assajos clínics sobre diverses patologies, com poden ser la diabetis de tipus 1, l’infart de miocardi, la lesió medul·lar, la degeneració macular o la malaltia de Parkinson. Establir protocols segurs i fiables i generar bancs de cèl·lules compatibles amb els diferents grups al·logènics presents en la població són alguns dels reptes més ambiciosos que es plantegen en aquest àmbit d’estudi.

«Aquestes noves aproximacions poden ser molt valuoses per validar diferents teràpies en l’etapa preclínica, sobretot quan s’estudien patologies que afecten processos complexos basats en l’organització dels circuits neuronals, com poden ser les malalties del neurodesenvolupament, el trastorn de l’espectre autista o les patologies neurodegeneratives, entre d’altres», apunta Daniel Tornero.

«A més, la reprogramació cel·lular basada en la inducció de cèl·lules mare pluripotents humanes permetria construir models específics de cada pacient i, mitjançant les eines d’edició genètica (com la tècnica CRISPR/Cas9), seria possible obtenir cèl·lules control en què la mutació que origina la patologia estigui corregida», conclou l’investigador.

 

https://www.cell.com/stem-cell-reports/fulltext/S2213-6711(22)00547-1