Asombroso proceso de desarrollo en poco menos de una semana
Un equipo de investigación del Centro de Estudios Organismales (COS) de la Universidad de Heidelberg ha demostrado que se puede cultivar tejido retiniano complejo en una placa de Petri a partir de células madre embrionarias de peces óseos. Hasta ahora, las células madre de mamíferos, incluidos los humanos, se han utilizado en la investigación de organoides.
Por primera vez, los investigadores dirigidos por el Prof. Dr. Joachim Wittbrodt han demostrado que las células madre de medaka (Oryzias latipes) y pez cebra (Danio rerio) también pueden formar estructuras neuronales altamente organizadas en condiciones de laboratorio controladas. Entre otras cosas, los investigadores esperan obtener nuevos conocimientos sobre los mecanismos básicos del desarrollo de la retina.
Los organoides son fragmentos de tejido que se cultivan a partir de células madre y se parecen a los órganos reales. Se utilizan en la investigación básica para obtener nueva información sobre la organización celular y el desarrollo de órganos, para investigar el origen de la enfermedad y para desarrollar y probar nuevos medicamentos.
"La principal ventaja de los organoides de peces es que son altamente reproducibles, a diferencia de los organoides de las células madre de los mamíferos. Se desarrollan de forma fiable y muy rápida y permiten una comparación directa con los embriones vivos que en los peces crecen fuera del útero", explica el profesor Wittbrodt, que dirige el grupo de investigación de Fisiología Animal y Biología del Desarrollo en el COS. "Por lo tanto, somos capaces de manipular los mecanismos genéticos y moleculares de la formación de la retina, al igual que los ingenieros".
Estudios anteriores que utilizaron células madre de pez cebra ya habían sugerido que atraviesan etapas específicas de desarrollo embrionario cuando se cultivan adecuadamente. Sin embargo, hasta ahora, ninguno de los investigadores de Heidelberg conocía un experimento en el que cultivos de células de peces se organizaran con éxito en estructuras neuronales altamente complejas como la retina.
"Nuestro estudio ha cerrado esta brecha en la investigación de organoides", subraya la Dra. Lucie Zilova, investigadora postdoctoral en el grupo de Joachim Wittbrodt. "Logramos cultivar las células madre de peces óseos de tal manera que se sometieron a un asombroso proceso de desarrollo en poco menos de una semana. Al final, teníamos una estructura retiniana compleja".
Imagen: Comparación lado a lado de la retina emergente en el embrión de pez y en el organoide retiniano cultivado en una placa de Petri. Diferentes colores marcan la vesícula óptica con células progenitoras retinianas (magenta - imagen izquierda, rojo - imagen central), progenitoras del epitelio pigmentado retiniano y prosencéfalo (cian - imagen central) y tipos de células retinianas emergentes (verde - imagen derecha). Crédito: Adapted from Zilova, Weinhardt, et al., eLife 2021, 10:e66998, CC BY 4.0
Con este fin, el equipo de Heidelberg utilizó células madre pluripotentes de embriones de pez cebra y medaka. Estas células aún no se han diferenciado y pueden potencialmente convertirse en muchos tipos de células diferentes. Según la Dra. Zilova, todas las células tomadas de un solo embrión se agregaron en 24 horas de forma independiente en una gran retina. En cuestión de unos días, formó capas de diferentes tipos de células que también se encuentran en el ojo de pez, incluidas las células fotorreceptoras, las células bipolares, las células amacrinas y las células ganglionares.
"El proceso de crecimiento demostró ser increíblemente eficiente", afirma la investigadora. Se pudieron generar cientos de pequeños organoides de retina en un día. El alto rendimiento permitió a los investigadores aislar con precisión las condiciones en las que se forman estructuras que se asemejan a una cabeza con dos ojos, incluidos el cerebro y la retina.
"Sin embargo, el hecho de que una estructura organoide se parezca a una retina no significa que las células se comporten y crezcan como lo harían en un embrión vivo", añade la Dra. Venera Weinhardt, otra postdoctoral de COS. Para explorar esta pregunta, los investigadores utilizaron microscopía de fluorescencia de lámina de luz, un proceso de imágenes que admite observaciones en tiempo real, para comparar el comportamiento de las células en el cultivo con el de las células en el embrión.
"El análisis mostró claramente que no había diferencias. Tanto en el cultivo como en el embrión, las células se movieron a lo largo de rutas específicas hacia la periferia exterior del botón ocular y se combinaron en la llamada vesícula óptica", continúa el Dr. Weinhardt.
Los investigadores de Heidelberg también notaron que los organoides de medaka y pez cebra evolutivamente diferentes son bastante similares. Eso les lleva a creer que los mecanismos moleculares y genéticos del desarrollo temprano del ojo se han conservado a lo largo de la evolución en diferentes especies e independientemente de las influencias ambientales a las que están expuestas las células embrionarias durante su desarrollo. Sigue siendo una pregunta abierta si las células madre embrionarias en un cultivo pueden formar otras estructuras organoides además de la retina.
La investigación se ha publicado en la revista eLife: Fish primary embryonic pluripotent cells assemble into retinal tissue mirroring in vivo early eye development
