Crean tejido cerebral en 3D que se mantiene vivo más de dos meses

Investigadores han creado tejido cerebral tridimensional funcional con características estructurales similares a los tejidos en el cerebro de rata y que puede mantenerse vivo en el laboratorio durante más de dos meses, tal y como describen en un artículo que se publica esta semana en 'Proceedings of the National Academy of Sciences'.

Como primera demostración de su potencial, los científicos emplearon el tejido cerebral para estudiar los cambios químicos y eléctricos que ocurren inmediatamente después de una lesión traumática del cerebro y, en un experimento separado, las modificaciones que suceden en respuesta a un fármaco. El tejido puede ser un modelo superior para el análisis de la función cerebral normal, así como lesiones y enfermedad, y ayudar en el desarrollo de nuevos tratamientos para la disfunción cerebral.

El tejido cerebral se desarrolló en el Centro de Ingeniería de Tejido en la Universidad de Tufts, en Boston, Estados Unidos, financiado por el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería (NIBIB, por sus siglas en inglés) para establecer biomateriales innovadores y modelos de ingeniería de tejidos.

Actualmente, los científicos cultivan neuronas en placas de petri para estudiar su comportamiento en un entorno controlable, pero al ser en dos dimensiones son incapaces de replicar la compleja organización estructural del tejido cerebral, que consiste en regiones separadas de materia gris y blanca. En el cerebro, la materia gris está compuesta principalmente por cuerpos celulares de neuronas, mientras que la blanca está formada por haces de axones, que son las prolongaciones de las neuronas que conducen el impulso nervioso para conectarse unas con otras.

Debido a que las lesiones cerebrales y las enfermedades suelen afectar a estas áreas de manera diferente, se necesitan modelos que exhiban la compartimentación de la materia gris y blanca. Recientemente, ingenieros de tejidos han intentado cultivar neuronas en entornos de gel en 3-D, donde pueden establecer libremente conexiones en todas las direcciones, pero estos modelos de tejidos a base de gel no viven mucho tiempo y dejan de producir la función a nivel de tejido robusto.

Esto es porque el ambiente extracelular es una matriz compleja en la que las señales locales establecen diferentes entornos que estimulan distinto crecimiento celular y/o desarrollo y función, de forma que no es suficiente proporcionar simplemente el espacio para que las neuronas crezcan en tres dimensiones. Ahora, un grupo de bioingenieros informa que han creado con éxito tejido cerebral funcional en 3-D que presenta compartimentación de materia blanca y gris y puede sobrevivir en el laboratorio durante más de dos meses.

"Este trabajo es un logro excepcional --afirma Rosemarie Hunziker, directora del programa de Ingeniería de Tejidos en NIBIB--. Combina una profunda comprensión de la fisiología del cerebro con un conjunto grande y creciente de herramientas de bioingeniería para crear un ambiente que es a la vez necesario y suficiente para imitar la función del cerebro".

La clave para generar tejido similar al cerebral fue la creación de una nueva estructura compuesta que consiste en dos biomateriales con propiedades físicas diferentes: un andamio esponjoso hecho de proteína de seda y un gel a base de colágeno más suave. El andamio sirve como una estructura en la que las neuronas pueden anclarse y el gel alienta a los axones a crecer a través de él.

Para lograr esa división en materia gris y blanca, estos expertos cortaron el andamio esponjoso en forma de donut y lo poblaron con neuronas de rata, llenando así el centro de la rosquilla con el gel a base de colágeno, que posteriormente impregnó el andamio. En pocos días, las neuronas formaron redes funcionales alrededor de los poros del andamio y enviaron largas proyecciones del axón a través del centro del gel para conectar con las neuronas en el lado opuesto de la rosquilla.

El resultado fue una región distinta de materia blanca, que contiene en su mayoría proyecciones celulares, los axones, formados en el centro de la rosquilla que estaba separada de la materia gris circundante, donde se concentraron los cuerpos celulares. Durante un periodo de varias semanas, los expertos llevaron a cabo experimentos para determinar la salud y la función de las neuronas que crecen en el tejido cerebral en 3-D y para compararlas con las cultivadas sólo en un entorno de gel colágeno o en un plato en 2-D.

Entonces, encontraron que las neuronas en los tejidos del cerebro fabricados en 3-D tuvieron mayor expresión de genes implicados en el crecimiento y la función de las neuronas. Además, las neuronas cultivadas en el tejido cerebral 3-D mantienen la actividad metabólica estable durante hasta cinco semanas, mientras que la salud de las neuronas cultivadas en el medio ambiente de gel comienzan a deteriorarse a las 24 horas.

En lo que respecta a la función, las neuronas en el tejido cerebral 3-D exhibieron actividad eléctrica y capacidad de respuesta al imitar las señales observadas en el cerebro intacto, incluyendo un patrón de respuesta electrofisiológico típico de una neurotoxina. Como el tejido cerebral 3-D muestra propiedades físicas similares al tejido cerebral de roedores, los expertos trataron de determinar si pueden usarlo para estudiar la lesión cerebral traumática.

Para simular una lesión cerebral traumática, se deja caer un peso sobre el tejido cerebral en 3-D desde distintas alturas y luego se miden los cambios en la actividad eléctrica y química de las neuronas, provocando efectos similares a los observados habitualmente en estudios de lesión cerebral traumática en animales. "Con este sistema, se puede hacer un seguimiento de la respuesta de los tejidos a la lesión cerebral traumática en tiempo real --apunta David Kaplan, profesor de Ingeniería de la Universidad de Tufts--. También es posible seguir la reparación y lo que ocurre en periodos más largos de tiempo".

Kaplan destacó la importancia de la longevidad de los tejidos del cerebro diseñados en 3-D para la investigación de otros trastornos cerebrales. "El hecho de que podamos mantener este tejido durante meses en el laboratorio significa que podemos empezar a mirar las enfermedades neurológicas en formas que de otra manera no es posible porque se necesitan plazos largos para estudiar algunas de las enfermedades cerebrales clave", afirma.

"Los buenos modelos permiten hipótesis sólidas que pueden ser probadas a fondo. La esperanza es que el uso de este modelo pueda conducir a una aceleración de los tratamientos para la disfunción cerebral, así como ofrecer una mejor manera de estudiar la fisiología normal del cerebro", agrega Hunziker.

En este trabajo, estos científicos demostraron que pueden modificar su andamio de rosquilla porque se compone de seis anillos concéntricos, cada uno capaz de ser poblado con diferentes tipos de neuronas. Ese tipo de disposición imita las seis capas de la corteza cerebral humana en la que existen diferentes tipos de neuronas.