Investigadores de la Universidad de Cambridge han creado a partir de células madre de ratón embriones con un cerebro, un corazón que late y las bases para todos los demás órganos de un cuerpo. El experimento, que publica este jueves la revista Nature, supone una nueva vía para recrear las primeras etapas de la vida, según el equipo dirigido por la profesora Magdalena Zernicka-Goetz.
Los científicos desarrollaron el modelo de embrión sin utilizar óvulos ni espermatozoides. En su lugar emplearon células madre (que tienen la potencialidad de convertirse en casi cualquier tipo de célula del cuerpo).
Lo hicieron imitando en el laboratorio los procesos naturales de los tres tipos de células madre que se encuentran en el desarrollo temprano de los mamíferos. Al inducir la expresión de un conjunto concreto de genes y establecer un entorno único para sus interacciones, los investigadores consiguieron que las células madre “hablaran” entre sí, señala la Universidad de Cambridge en una nota de prensa.
Las células madre se autoorganizaron en estructuras que progresaron a través de las sucesivas etapas de desarrollo hasta tener corazones que latían y las bases del cerebro, así como el saco vitelino donde el embrión se desarrolla y obtiene los nutrientes en sus primeras semanas. A diferencia de otros embriones sintéticos, los modelos desarrollados por Cambridge llegaron al punto en que todo el cerebro comenzó a desarrollarse. Ningún otro modelo derivado de células madre había llegado tan lejos, afirman los investigadores.
“Este trabajo es una adición importante al publicado por el grupo de Jacob Hanna en Cell hace unos días. Los dos representan un avance importante, pues prueban la necesidad de interacción entre células embrionarias y extraembrionarias en la formación de un mamífero. Más aún, demuestran que es posible iniciar el desarrollo de un mamífero fuera del útero. Pero es más una ‘prueba de concepto’ que un logro absoluto. Como en el caso del trabajo de Hanna, el número de embriones sintéticos que se obtienen con el método es pequeño (del orden de 1 % de los cultivos iniciales) y su desarrollo colapsa prematuramente después de pocos días en cultivo”, afirma Alfonso Martínez Arias, profesor de investigación ICREA e investigador en Sistemas de Bioingeniería-MELIS de la Universidad Pompeu Fabra, en declaraciones a SMC España.
Las estructuras obtenidas, aunque contienen los elementos de un embrión, tienen carencias importantes y la mayor parte de esas estructuras están dañadas o incompletas
“También es importante constatar que las estructuras obtenidas, aunque contienen los elementos de un embrión, tienen carencias importantes y la mayor parte de esas estructuras están dañadas o incompletas. Tampoco está claro qué, exactamente, es lo que se quiere obtener de estas estructuras que, uno tiene la impresión, surgen del cultivo casi por arte de magia”, matiza Martínez Arias.
El equipo afirma sin embargo que sus resultados, fruto de más de una década de investigación que condujo progresivamente a estructuras embrionarias cada vez más complejas, podrían ayudar a los investigadores a entender por qué algunos embriones fracasan mientras que otros llegan a convertirse en un embarazo sano. Además, los resultados podrían utilizarse para guiar la reparación y el desarrollo de órganos humanos sintéticos para trasplantes.
“Nuestro modelo de embrión de ratón no sólo desarrolla un cerebro, sino también un corazón que late, y todos los componentes que conforman el cuerpo”, afirma Zernicka-Goetz, que es catedrática de Desarrollo de Mamíferos y Biología de Células Madre del Departamento de Fisiología, Desarrollo y Neurociencia de Cambridge. “Es increíble que hayamos llegado tan lejos. Este ha sido el sueño de nuestra comunidad durante años, y el principal objetivo de nuestro trabajo durante una década, y por fin lo hemos conseguido”.
“Diálogo” entre tejidos
Para que un embrión humano se desarrolle con éxito, es necesario que haya un “diálogo” entre los tejidos que se convertirán en el embrión y los que lo conectarán con la madre. En la primera semana tras la fecundación se desarrollan tres tipos de células madre: uno acabará convirtiéndose en los tejidos del cuerpo, y los otros dos apoyan el desarrollo del embrión.
Uno de estos tipos de células madre extraembrionarias se convertirá en la placenta, que conecta al feto con la madre y le proporciona oxígeno y nutrientes; y el segundo es el saco vitelino, donde crece el embrión y de donde obtiene sus nutrientes en las primeras etapas del desarrollo.
Muchos embarazos fracasan en el momento en que los tres tipos de células madre comienzan a enviar señales mecánicas y químicas entre sí, que indican al embrión cómo desarrollarse correctamente. “Muchos embarazos fracasan en este momento, antes de que la mayoría de las mujeres se den cuenta de que están embarazadas”, afirma Zernicka-Goetz, que también es profesora de Biología e Ingeniería Biológica en Caltech. “Este periodo es la base de todo lo que sigue en el embarazo. Si va mal, el embarazo fracasará”.
Para guiar el desarrollo de su embrión sintético, los investigadores juntaron células madre cultivadas que representaban cada uno de los tres tipos de tejido en las proporciones y el entorno adecuados para promover su crecimiento y comunicación entre sí, para finalmente autoensamblarse en un embrión.
Los investigadores descubrieron que las células extraembrionarias envían señales químicas a las células embrionarias, pero también mecánicas, o a través del tacto, guiando el desarrollo del embrión.
Este periodo de la vida humana es muy misterioso, por lo que poder ver cómo se desarrolla en una placa –tener acceso a estas células madre individuales, entender por qué fracasan tantos embarazos y cómo podríamos evitarlo– es muy especial
“Este periodo de la vida humana es muy misterioso, por lo que poder ver cómo se desarrolla en una placa –tener acceso a estas células madre individuales, entender por qué fracasan tantos embarazos y cómo podríamos evitarlo– es muy especial”, afirma Zernicka-Goetz. “Hemos estudiado el diálogo que tiene que producirse entre los distintos tipos de células madre en ese momento; hemos demostrado cómo se produce y cómo puede ir mal”.
Aunque la investigación actual se llevó a cabo en modelos de ratón, los investigadores están desarrollando modelos humanos similares con el potencial de dirigirse a la generación de tipos de órganos específicos para comprender los mecanismos que subyacen a procesos cruciales que, de otro modo, serían imposibles de estudiar en embriones reales. En la actualidad, la legislación británica sólo permite estudiar embriones humanos en el laboratorio hasta el 14º día de desarrollo.
Si los métodos desarrollados por el equipo de Zernicka-Goetz demuestran ser exitosos con células madre humanas en el futuro, afirman en la nota de prensa, también podrían utilizarse para guiar el desarrollo de órganos sintéticos para pacientes que esperan trasplantes. “Hay muchas personas en todo el mundo que esperan durante años un trasplante de órganos”, dijo Zernicka-Goetz. “Lo que hace que nuestro trabajo sea tan emocionante es que los conocimientos que surjan de él podrían utilizarse para cultivar órganos humanos sintéticos correctos para salvar vidas que actualmente se pierden. También debería ser posible afectar y curar órganos adultos utilizando los conocimientos que tenemos sobre cómo se fabrican”.
Aspectos éticos e impacto social
Más cauto se muestra Martínez Arias, quien cree importante hacer hincapié “en los defectos y el bajo rendimiento del experimento”: “La idea de que se ha obtenido un embrión de ratón en el cultivo dará lugar a la noción de que pronto se hará lo mismo con células humanas y que se conseguirá un embrión humano. Es muy probable que esto ocurra en el futuro y un valor que tiene este experimento es alertarnos ante esta posibilidad para que consideremos los aspectos éticos de estos experimentos y el impacto social que pueden tener”.
Desde luego, los dos trabajos son importantes, pero están en unos estadios muy tempranos y habrá que esperar a ver cómo se desarrollan. Mucho más importante será ver qué aplicaciones tiene el sistema. Para dar ese paso, la eficiencia y la precisión tendrán que aumentar. Por el momento, las hembras de ratón hacen embriones perfectos con más eficiencia“, añade Martínez Arias.
Lluís Montoliu, investigador del Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC) y del CIBERER-ISCIII, también valora el avance en declaraciones al SMC España: “Sin duda estamos ante una nueva revolución tecnológica, todavía muy ineficiente (es muy difícil conseguir que las células madre generen espontáneamente un embrión sintético), pero con un enorme potencial. Recuerda a avances científicos tan espectaculares como el nacimiento de la oveja Dolly, que conocimos en 1997, reconstruyendo un embrión con el núcleo de una célula somática, o las células embrionarias pluripotentes inducibles, las iPS, descritas por Yamanaka en 2006, que lo llevaron a obtener el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2012, compartido con John Gurdon, pionero de la clonación animal en anfibios. Una revolución que naturalmente también suscita nuevos dilemas éticos, si alguna vez pensamos trasladar estos experimentos a la especie humana para la generación de embriones sintéticos humanos, quizás con el fin de usarlos para obtener nuevos tejidos u órganos para reparar o substituir los que estén dañados, como ya se ha propuesto explorar Hanna, a través de una empresa creada por él ad hoc”.