El revolucionario sistema nervioso central en un chip: cómo funciona esta increíble innovación científica
Este pequeño chip tiene el potencial de cambiar radicalmente nuestra comprensión del sistema nervioso y ofrecer soluciones innovadoras a problemas médicos que antes parecían insuperables.
Investigadores de renombre mundial han dado un paso gigantesco en la comprensión del desarrollo embrionario al recrear en laboratorio una versión en miniatura y tridimensional del sistema nervioso central, desde el cerebro hasta la médula espinal. Este avance, liderado por equipos del Instituto Weizmann de Ciencias de Israel y la Universidad de Michigan, utiliza un chip microfluídico capaz de simular el desarrollo del sistema nervioso humano en etapas cruciales de formación.
El desarrollo no solo abre nuevas puertas para estudiar el crecimiento embrionario saludable, sino también para comprender enfermedades genéticas y daños en tejidos. Este enfoque representa una nueva era en la biología del desarrollo y la ingeniería de organoides.
¿Qué es el chip microfluídico y cómo funciona?
El chip microfluídico es una plataforma que permite replicar el comportamiento de los morfógenos, moléculas esenciales en el desarrollo embrionario. Estas moléculas actúan como un mapa que guía a las células madre hacia su diferenciación en órganos específicos.
Desarrollo del sistema nervioso en un chip: la biología del futuro
A diferencia de los métodos tradicionales en placas de Petri, donde las concentraciones de morfógenos eran uniformes y limitaban la formación de órganos completos, este chip imita la dispersión natural de estas moléculas, creando condiciones que simulan el desarrollo real del embrión humano.
Cómo se utiliza el chip:
- Preparación inicial: Las células madre se colocan en superficies adhesivas del chip de unos 4 mm de largo, simulando el tamaño de un sistema nervioso central embrionario de un mes.
- Creación del entorno: Estas superficies se cubren con un gel que emula el entorno extracelular del embrión, permitiendo que las células se desarrollen en tres dimensiones.
- Adición de morfógenos: A partir del tercer día, los morfógenos se añaden en un extremo del chip y se difunden lentamente a través del tejido en desarrollo.
- Diferenciación celular: Las células madre responden a las concentraciones variables de los morfógenos, organizándose en un tubo hueco que se convierte en una réplica del sistema nervioso central, con una disposición celular que refleja el desarrollo real.
Los organoides y su papel en el avance científico
Los organoides son versiones en miniatura de órganos creadas en laboratorio. Han revolucionado el estudio de la biología del desarrollo en la última década, permitiendo a los científicos observar cómo los órganos se forman y responden a enfermedades.
En este caso, el chip microfluídico ha permitido la creación de un organoide completo del sistema nervioso central, desde el cerebro hasta la médula espinal. Este avance supera las limitaciones previas, donde solo era posible crear pequeñas secciones del sistema nervioso.
Descubrimientos clave con el chip:
- Las concentraciones más altas de morfógenos dieron lugar a células destinadas a formar la médula espinal.
- Las concentraciones medias generaron el rombencéfalo y el mesencéfalo.
- Las concentraciones más bajas dieron lugar al prosencéfalo, replicando la organización exacta del sistema nervioso en un embrión de cuatro semanas.
Innovación en la creación de tipos celulares
El desarrollo del prosencéfalo fue otro hito alcanzado con este chip. Normalmente, las neuronas excitatorias e inhibidoras, esenciales para el funcionamiento del cerebro adulto, deben cultivarse por separado y luego combinarse, un proceso complicado y poco eficiente.
Gracias a esta tecnología, los investigadores lograron generar ambos tipos celulares en el mismo tejido. Esto se logró mediante la adición de morfógenos en puntos específicos del prosencéfalo dentro del tubo longitudinal, replicando el desarrollo natural.
Resultado:
- Las neuronas inhibidoras aparecieron en el interior del tubo.
- Las neuronas excitatorias se formaron en la parte exterior del tubo, tal como ocurre en el embrión humano.
Impacto en el estudio de enfermedades
Este avance no solo tiene implicaciones para el estudio del desarrollo normal, sino también para investigar enfermedades que afectan al sistema nervioso.
Aplicaciones del chip:
- Comprensión de enfermedades genéticas: El chip permite analizar cómo mutaciones genéticas específicas impactan el desarrollo del sistema nervioso.
- Investigación de trastornos neurológicos: Se pueden estudiar condiciones como la espina bífida o trastornos neurodegenerativos en etapas iniciales.
- Modelado de lesiones: Los científicos pueden replicar daños en el tejido nervioso y probar posibles tratamientos de manera más precisa.
El futuro de los estudios embrionarios
Aunque el chip no emula las primeras etapas del desarrollo embrionario, es capaz de avanzar las células madre a un estado equivalente al de un embrión humano de cuatro semanas. Este enfoque es crucial para estudiar procesos celulares que antes no se comprendían del todo, como la diferenciación de poblaciones celulares en la médula espinal.
Además, su capacidad para replicar la formación tridimensional de tejidos abre la puerta a nuevas investigaciones en ingeniería de tejidos y medicina regenerativa.
Los actores detrás del descubrimiento
Este avance fue posible gracias a la colaboración internacional de destacados investigadores:
- Instituto Weizmann de Ciencias: Orly Reiner y Alfredo-Isaac Ponce-Arias del Departamento de Genética Molecular.
- Universidad de Michigan: Jianping Fu y Xufeng Xue, junto con su equipo.
- Universidad de Pensilvania: Hongjun Song y Guo-Li Ming.
- Universidad de Cambridge: Azim Surani y Frederick CK Wong.
Un vistazo al impacto futuro
El chip microfluídico ya está ayudando a resolver preguntas clave sobre el desarrollo del sistema nervioso. Equipos de investigación en todo el mundo están adoptando esta tecnología para ampliar el conocimiento sobre enfermedades genéticas, trastornos neurológicos y potenciales tratamientos.