A pesar de los grandes avances científicos de la actualidad aún no se entiendecon gran precisión todos los mecanismos bioquímicos involucrados en el desarrollo de un organismo tan complejo como los mamíferos, a partir de un solo embrión unicelular, del cual se generan más de 200 diferentes tipos de células organizadas de forma compleja y armoniosa que dan origen a un ser vivo completo.
Los modelos animales que habitualmente usan los investigadores en el campo de la biología del desarrollo se basan en el análisis del pez cebra, la mosca de la fruta y algunos anfibios, pero para entender la complejidad del desarrollo de los mamíferos, entre los que se encuentran los seres humanos, los modelos experimentales son limitados ya que se tiene que implantar en un útero o implica la manipulación de organismos vivos.
Por ello, diversos grupos de investigadores de países avanzados desde hace años han buscado el desarrollo de modelos de experimentación con embriones que les permitan estudiar los mecanismos de las primeras etapas de formación durante las cuales las células madre comienzan a enviar señales que indican al embrión cómo desarrollarse correctamente.
Este periodo del desarrollo embrionario es la base de todo lo que sigue durante un embarazo. Conocer estos mecanismos bioquímicos permitirá entender las razones por las cuales muchos embarazos fracasan y otros tienen éxito. Esta semana dos equipos de científicos el primero de ellos encabezado por Magdalena Zernicka Goetz, de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, y el segundo por Jacob H. Hanna, del Instituto Weizmann de Ciencias, Israel, publicaron dos artículos científicos en las reconocidas revistas Nature y Cell, donde demuestran la obtención de embriones sintéticos de ratón a partir de tres
diferentes tipos de células madre embrionarias y la manera de cultivarlos in vitro, en un laboratorio.
Los dos equipos de científicos, entre los que se encuentra el mexicano Alejandro Aguilera Castrejón, lograron que los embriones sintéticos, que los científicos llamaron “embrioides”, se desarrollaran hasta los 8.5 días, prácticamente la mitad de tiempo de gestación de un ratón (20 días), pero en una probeta, es decir, sin estar en el útero de una madre sino en un sistema de cultivo de laboratorio inventado por los investigadores del Instituto Weizmann.
Los dos equipos de científicos realizaron gran parte de sus investigaciones por separado y luego llevaron a cabo experimentos de manera conjunta.
Embrioides ETiX
El equipo de la Universidad de Cambridge obtuvo sus embrioides que llamaron ETiX a partir de células madre de ratón y los cultivaron hasta que se formaron un cerebro, un corazón que late, un tubo intestinal y las bases de todos los demás órganos del cuerpo, sin necesidad de óvulos ni espermatozoides.
Utilizaron tres tipos de células madre que al cultivarse comenzaron a enviar señales mecánicas y químicas entre sí, que indicaron al embrión cómo desarrollarse correctamente. Observaron que las células establecen un “diálogo” entre los tejidos de lo que se convertirá en el embrión y los que lo conectarán con la madre.
“El modelo de embrión de células madre nos da accesibilidad a la estructura en desarrollo en una etapa que normalmente se nos oculta debido a la implantación del diminuto embrión en el útero de la madre”, señala Zernicka Goetz. “Esto nos permite manipular los genes para comprender sus funciones de desarrollo en un sistema experimental modelo”.
Durante la última década, el equipo de Cambridge ha estudiado estas primeras etapas del embarazo, para entender por qué algunos embarazos fracasan y otros tienen éxito. Los investigadores utilizaron células madre cultivadas de los tres tipos
de células que se encuentran en los embriones naturales. Al unirlos en un cultivo especial observaron que entre ellas se lleva a cabo una comunicación bioquímica, pero también mecánica, a través del contacto, y esta comunicación guía el
desarrollo del embrioide.
Los investigadores obtuvieron embrioides que casi llegaron a la mitad del tiempo de gestación de un ratón, nunca antes se habían obtenido embriones sintéticos de ratón con este grado de desarrollo. demás, para probar los mecanismos genéticos que se disparan durante el desarrollo embrionario, los investigadores eliminaron un gen llamado Pax6 que interviene en el desarrollo de los ojos y otros órganos sensoriales, y observaron que en el embrioide se produjeron efectos similares a los observados en
embriones naturales de ratón que carecen de este gen.
Embriones sin células germinales
En los mamíferos, durante la primera semana después de la fecundación de un óvulo por un espermatozoide se desarrolla un embrión con tres tipos de células madre llamadas epiblasto, hipoblasto y tropoblasto. Una se convertirá en los tejidos del cuerpo; otro se convertirá en la placenta, que conecta al feto con la madre y le proporciona oxígeno y nutrientes; y el tercero, formará el “saco vitelino” donde crecerá el embrión y se nutrirá durante las primeras etapas de desarrollo.
Las células madre embrionarias son las células maestras del organismo clasificadas como “totipotenciales” porque pueden convertirse o diferenciarse en casi cualquier tipo de célula del cuerpo, que para el caso del ser humano son 206 diferentes tipos de células como neuronas, cardiacas, epiteliales, glóbulos rojos, células fotorreceptoras, del tejido óseo, etc.
El británico John Gurdon y el japonés Shinya Yamanaka recibieron el Premio Nobel de Medicina 2012, por sus investigaciones que permitieron entender el desarrollo y especialización de las células madre, así como los mecanismos que permiten reprogramar estas células en cualquier tipo de célula y tejido del organismo.
Los investigadores del Instituto Weizmann encabezados por Jacob H. Hanna desarrollaron estas células madre embrionarias, pero en el sentido inverso que Gurdon y Yamanaka: Hicieron que células especializadas de piel de ratón se reprogramaran para convertirse nuevamente en células madre “ingenuas”, es decir, que regresaran a su etapa más temprana, con el potencial para convertirse en diferentes tipos de células.
Este logro sin precedentes, les permitió producir células madre embrionarias “sintéticas” que llamaron sEmbryos, sin necesidad de las células germinales: los óvulos y espermatozoides. Además, en 2021, luego de 7 años de experimentación, reportaron el desarrollo de un método para cultivar embriones fuera de un útero. Se trata de un sistema de laboratorio que mantiene a los
embriones en condiciones nutritivas y ambientales adecuados para permitir su desarrollo.
Este sistema mantiene a los embriones bañados en una solución nutritiva dentro de vasos de precipitados que se mueven continuamente, simulando la forma en que los nutrientes son suministrados por el flujo sanguíneo a la placenta, y
controla de manera precisa el intercambio de oxígeno, humedad y la presión atmosférica.
Los investigadores probaron este método de cultivo con embriones de ratón naturales y tuvieron éxito, consiguieron que se formaran hasta los 11 días, es decir, a más de la mitad de su gestación. El siguiente paso para el equipo liderado por Hanna era probar este sistema con un modelo de embrión sintético obtenido únicamente a partir de células madre de ratón, para lo cual establecieron la colaboración con el equipo de Cambridge.
“Nuestro próximo desafío es entender cómo las células madre saben qué hacer, cómo se autoensamblan en órganos y encuentran el camino a sus lugares asignados dentro de un embrión”, señaló Hanna en un comunicado del Instituto Weizmann. “Y debido a que nuestro sistema, a diferencia de un útero, es transparente, puede resultar útil para modelar defectos de nacimiento e implantación de embriones humanos”.
Con este modelo se reduce el uso de animales en la investigación y se puede contar con miles de células madre para la experimentación. Los investigadores consideran que en un futuro, quizá en pocas décadas, se puedan desarrollar métodos basados en modelos de embriones sintéticos para desarrollar células, tejidos y órganos para trasplantes. Aunque todavía es muy
pronto para esta posible aplicación, estos son algunos de los primeros pasos.
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