En los «mini-cerebros», obstaculizar la enzima secreto en diferentes cantidades tiene existencias de crecimiento opuestos – ScienceDaily

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Como muchos en todo el mundo, el laboratorio de la profesora Mriganka Sur en el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria del MIT ha adoptado la tecnología de organoides cerebrales jóvenes, o «minibrains», para estudiar el desarrollo del cerebro humano en la salud y en la enfermedad. Al hacer un descubrimiento sorprendente sobre una práctica común en el proceso de cultivo de cultivos de tejidos complejos, el laboratorio ha producido nuevas pautas que pueden mejorar la tecnología y nuevos conocimientos sobre las funciones importantes que desempeña una enzima predominante en el desarrollo natural del cerebro.

Para producir organoides, los científicos toman células de la piel de un donante, las inducen a convertirse en células madre y luego las cultivan en un biorreactor, guiando su desarrollo mediante la adición de factores de crecimiento y otras sustancias químicas. En el transcurso de las semanas, las células madre se convierten en células progenitoras que se multiplican y luego se convierten o se «diferencian» en neuronas u otros tipos de células cerebrales. A lo largo del camino, las células también migran dentro de la masa en crecimiento para tomar su lugar formando estructuras y circuitos cerebrales básicos.

Una belleza de los organoides, entonces, es que a medida que las células en cultivo crecen y se desarrollan juntas, simulan muchos de los procesos básicos que ocurren cuando los cerebros reales toman forma. Cuando los donantes de células tienen genes que causan enfermedades, el organoide desarrollado a partir de sus células reproducirá las características de la enfermedad subyacente. El laboratorio de Sur utiliza organoides para estudiar el desarrollo cerebral anormal en el síndrome de Rett, una condición devastadora similar al autismo con una base genética.

Una práctica común entre los laboratorios que cultivan organoides es mejorar la viabilidad celular agregando una pequeña molécula química llamada CHIR 99021 para inhibir la actividad de una enzima natural ubicua llamada GSK3-beta. En el nuevo estudio de MÁS UNO el equipo dirigido por la becaria de Picower Chloé Delépine, confirmó que si bien diferentes dosis de CHIR 99021 pueden mantener vivas las células, tienen efectos opuestos sobre el crecimiento de organoides: las dosis bajas promueven el crecimiento, pero las dosis altas lo limitan y las dosis muy altas lo detienen por completo. Esta información por sí sola tiene implicaciones obvias para los laboratorios que utilizan diferentes dosis de CHIR 99021, pero a medida que el equipo de Delépine investigó cómo ocurren estos efectos de crecimiento, también ayuda a aclarar qué afecta la actividad de GSK3-beta durante el desarrollo del cerebro.

Esta es una pregunta importante. Otros grupos de investigación, por ejemplo, han demostrado que las perturbaciones en una vía de señalización que involucra a GSK3-beta en el cerebro están asociadas con la esquizofrenia y el autismo. Los nuevos hallazgos dan forma a cómo los diferentes niveles de inhibición pueden afectar el desarrollo.

«No solo está aumentando la vitalidad de las células, sino también cambiando otros procesos celulares como la división, la diferenciación y la migración», dijo Delépine. «Nuestra idea era probar los efectos de diferentes dosis y comprender mejor estos mecanismos que observamos».

Se muestran ocho organoides en tres columnas. Aparecen como manchas blancas de forma irregular. Un indicador de escala sugiere que miden aproximadamente 3 mm de ancho.

Los organoides mostraron diversos grados de crecimiento según la dosis de CHIR 99021. Los controles están a la izquierda. Los del centro recibieron una dosis baja. Los de la derecha recibieron una dosis alta.

Diferentes dosis, efectos opuestos.

Para realizar el estudio, el equipo de Delépine cultivó organoides y, desde el día 15 al 35 de su desarrollo, los trató con dosis de un control inerte o 1, 10 o 50 micromolar de CHIR 99021. Luego monitorearon varias propiedades de las células. para diferentes marcadores moleculares de estas propiedades.

Inmediatamente, notó grandes diferencias en el tamaño de los organoides en función de la dosis recibida. Los organoides de dosis baja (1 micromolar) fueron 1,6 veces más grandes que los controles, pero los organoides de dosis alta (10 micromolar) fueron 1,8 veces más pequeños y los organoides de dosis muy alta (50 micromolar) simplemente dejaron de crecer al inicio del tratamiento.

Las diferencias de crecimiento no se debieron a la muerte celular. Como se esperaba, dado que los laboratorios utilizan CHIR 99021 para mejorar la supervivencia celular, la adición de CHIR 99021 mejoró la viabilidad celular y el efecto fue más fuerte para los tratamientos de dosis alta que para los de dosis baja. Pero cuando el laboratorio se tiñó con marcadores de proliferación o división celular, encontraron que los organoides de dosis alta mostraron menos, mientras que los organoides de dosis baja mostraron más que los controles.

Cuando el equipo observó otra actividad celular que podría afectar el crecimiento, encontraron un patrón similar. En los organoides de dosis alta, se necesitan menos células diferenciadas en células progenitoras neurales para producir nuevas neuronas, mientras que en los organoides de dosis baja aumenta la proliferación. Como resultado, los organoides de dosis alta tenían menos neuronas.

Además, la dosis baja de CHIR 99021 resultó en una mayor migración de neuronas neonatales a los sitios requeridos para el desarrollo organoide estructural en comparación con el tratamiento de control, lo que sugiere que una ligera inhibición de GSK3 beta contribuye a una mayor migración.

Delépine señaló que los efectos promotores del crecimiento de las dosis bajas o los efectos limitantes del crecimiento de las dosis altas no son «buenos» ni «malos». Son solo niveles de control cultural. El nuevo estudio proporciona más información sobre cómo utilizar CHIR 99021 para lograr el resultado deseado.

«Realmente depende del objetivo de la investigación de organoides que esté haciendo», dijo. «Dependiendo de lo que desee, diferentes dosis de esta molécula pueden ayudarlo a obtener un fenotipo diferente».

Y en los cerebros naturales, sugiere el estudio, GSK3-beta probablemente juega un papel clave en la proliferación de células progenitoras, su diferenciación en células cerebrales maduras y la propensión de esas células a migrar.

Además de Delépine y Sur, los otros autores del periódico son Vincent Pham y Hayley Tsang.

Los Institutos Nacionales de Salud, la Iniciativa de Investigación del Autismo de la Fundación Simons y la Fundación JPB apoyaron la investigación.

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