Científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison han impreso en 3D tejido cerebral que crece y funciona como el tejido cerebral humano. Las neuronas impresas se comunican entre ellas como si estuvieran en un tejido biológico. Este desarrollo perfecciona la técnica de los organoides cerebrales.
Un equipo de científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison ha desarrollado tejidos neuronales humanos funcionales ensamblados mediante bioimpresión 3D.
El tejido está compuesto por neuronas humanas cultivadas en laboratorio a partir de células madre pluripotentes. Esas células nerviosas fueron situadas en un gel que actúa como bio tinta y así se pudo imprimir el tejido cerebral, capa a capa, tal como se desarrolla el tejido biológico.
El resultado de esta mezcla es que las neuronas así dispuestas atraviesan el medio gelatinoso para formar conexiones dentro de cada capa impresa, así como entre capas, formando redes neuronales comparables a las de los cerebros humanos.
Igual que en un cerebro vivo
Eso quiere decir que las neuronas impresas pueden hablar entre ellas, de la misma forma que lo hacen en un tejido biológico: se extienden a través del medio para formar conexiones y de esta forma se comunican, envían señales, interactúan entre sí mediante neurotransmisores y forman redes adecuadas con células de apoyo que se añadieron al tejido impreso.
Incluso cuando los investigadores imprimieron diferentes células pertenecientes a diferentes partes del cerebro, las neuronas fueron capaces de hablar entre sí de una manera muy especial y específica, enfatizan los investigadores.
Entre otras cosas, eso significa que las neuronas tienen vida propia y que no necesitan un tejido cerebral biológico para desarrollar su actividad, al menos hasta determinados niveles de complejidad. Forman un fragmento de cerebro artificial que funciona como si fuera un cerebro biológico.
Mejor que los organoides cerebrales
Este avance supone un gran paso para el conocimiento del cerebro y sus enfermedades, ya que ofrece un modelo más fiel y preciso que los organoides cerebrales, esas estructuras tridimensionales generadas a partir de células madre que imitan algunas características del cerebro, pero sin un control sobre los tipos y la disposición de las células.
Los organoides cerebrales se han utilizado para estudiar el desarrollo cerebral, la neurogénesis, la plasticidad y la patología de diversas enfermedades, pero presentan limitaciones como la falta de vascularización, la heterogeneidad, la variabilidad y la dificultad de escalado.
El tejido cerebral impreso en 3D podría superar estas limitaciones y ofrecer un modelo más reproducible, escalable y personalizable para la investigación cerebral, enfatizan los investigadores.
Innovación tecnológica
Este desarrollo aporta algunas innovaciones tecnológicas, ya que ha superado algunas limitaciones que han impedido en el pasado replicar el cerebro en 3D para estudiarlo mejor, más allá de los sofisticados modelos informáticos que ya permiten profundizar en la complejidad neuronal.
Para conseguirlo, los investigadores han cambiado algunas de las prácticas de la impresión 3D. En primer lugar, el gel empleado para hacer la mezcla con neuronas y la formación de las capas de tejido es más blando que el utilizado en experimentos anteriores para la impresión en 3D.
En segundo lugar, en vez de de utilizar el enfoque tradicional de impresión 3D, apilando capas verticalmente, los investigadores las colocaron horizontalmente: las neuronas se situaron unas al lado de las otras, como lápices colocados unos al lado de otros sobre una mesa.
Suficiente oxígeno
Gracias a estos cambios, el tejido cerebral impreso en 3D tiene suficiente estructura para mantenerse unido, pero es lo suficientemente blando como para permitir que las neuronas crezcan y empiecen a hablar entre sí», explica Su-Chun Zhang, profesor de neurociencia y neurología en el Centro Waisman de la UW-Madison.
«Nuestro tejido se mantiene relativamente delgado y esto facilita que las neuronas obtengan suficiente oxígeno y suficientes nutrientes del medio de cultivo», añade Yuanwei Yan, un científico del laboratorio de Zhang.
Importantes aplicaciones
Se trata de un logro con importantes implicaciones para los científicos que estudian el cerebro y trabajan en tratamientos para una amplia gama de trastornos neurológicos y neurodegenerativos, como el Alzheimer y el Parkinson, según los investigadores.
«Este podría ser un modelo muy poderoso para ayudarnos a entender cómo las células cerebrales y las partes del cerebro se comunican en los humanos. Podría cambiar la forma en que vemos la biología de las células madre, la neurociencia y la patogénesis de muchos trastornos neurológicos y psiquiátricos», explica Yan.
Modelar enfermedades
Los investigadores esperan que el tejido cerebral impreso en 3D pueda utilizarse para modelar enfermedades humanas, probar fármacos y explorar el desarrollo y el envejecimiento del cerebro.
También planean imprimir otras partes del cerebro, como el hipocampo y el cerebelo, y combinarlas para crear un cerebro completo en miniatura.
Referencia
3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity. Yuanwei Yan et al. Cell Stem Cell, volume 31, issue 2, p260-274.e7, February 01, 2024. DOI:https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.12.009
