These #stemcells are turning into bone cells – with the power of sound.
Brilliant #tissueengineering advance from @DrTinyTaps & Leslie Yeo that could one day help patients regrow bone lost to cancer or degenerative disease.
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— RMIT Research (@ResearchRMIT) February 22, 2022

Las células madre pueden derivarse incluso del tejido graso, lo que permitiría la regeneración ósea a gran escala en pacientes con enfermedades degenerativas y cancerosas, sostienen los investigadores en un reciente estudio publicado en la revista ‘Small’. Los científicos del RMIT llevan más de una década investigando la interacción de las ondas sonoras a frecuencias superiores a 10 megahercios con distintos materiales. El dispositivo generador de ondas sonoras que han desarrollado puede utilizarse para manipular con precisión células, fluidos o materiales.

Como el dispositivo es económico y fácil de usar, según los investigadores, puede ampliarse fácilmente para procesar un gran número de células al mismo tiempo, lo que es importante para una ingeniería de tejidos eficaz, capaz de reconstruir huesos y músculos aprovechando la capacidad natural del cuerpo humano para curarse a sí mismo. “Nuestro estudio descubrió que este nuevo método tiene un gran potencial para ser utilizado en el tratamiento de las células madre, antes de recubrirlas en un implante o inyectarlas directamente en el cuerpo para la ingeniería de tejidos”, explicó Gelmi. La siguiente fase de la investigación consiste en estudiar métodos para ampliar la plataforma y trabajar en el desarrollo de biorreactores prácticos que permitan una diferenciación eficiente de las células madre, asegura ‘RT’.

So this is a "cardioid"
Self-organizing heart in a dish.
Not just an organoid.
Science is cool.https://t.co/aFRkzY2KQG New @CellCellPress @oeaw @MendjanLab pic.twitter.com/L86JR0JQrh

— Eric Topol (@EricTopol) May 20, 2021

La peculiaridad del corazón cultivado por los biólogos austríacos consiste en que no tiene ninguna estructura artificial. Anteriormente, los científicos primero creaban una matriz de materiales artificiales y luego en ella se ubicaban las células que crecerían para formar el órgano. Según explica Sasha Mendjan, quien dirigió el experimento, en un comunicado de ‘Cell Press’, este método de ingeniería de tejidos “es muy útil para muchas cosas como, por ejemplo, si desea realizar mediciones de contracción”. Sin embargo, no refleja la constitución de órganos en la naturaleza. En organismos vivos, se desarrollan mediante el llamado ‘proceso de autoorganización’, cambiando su forma a medida que se produce el crecimiento.

Para simular la autoorganización del corazón, Mendjan y sus colegas activaron seis vías de señalización involucradas en el desarrollo del órgano en embriones. Tras una semana de crecimiento, las células crearon una estructura 3D con una cavidad cerrada, repitiendo la trayectoria del desarrollo del corazón en un embrión. Asimismo, detectaron contracciones rítmicas del órgano. “No es que estemos usando algo diferente a otros investigadores, sino que simplemente estamos usando todas las señales conocidas”, señala Mendjan acerca de las tecnologías involucradas en el experimento. Agrega que no se necesitan todas las vías de señalización conocidas para convertir las células madre en cardíacas, pero sí son necesarias todas para que empiece formarse la estructura del órgano.

“Este es un sistema modelo versátil que nos permite estudiar no solo el SARS-CoV-2, sino también cualquier virus respiratorio que se dirija a estas células, incluida la influenza”, dijo Tata. “Este es un gran avance para este campo porque [antes] usábamos células que no tenían cultivos purificados”, añadió Ralph Baric, coautor del artículo, un eminente profesor de epidemiología, microbiología e inmunología en la Universidad de Carolina del Norte, que colaboró en la investigación.

El estudio demostró que el coronavirus se ubica en la superficie del receptor ACE2 de las células pulmonares, lo que provoca la infección. Ante ello, los organoides emiten una respuesta inflamatoria mediada por interferones. Los investigadores también han sido testigos de la tormenta de citocinas de moléculas inmunes que los pulmones lanzan en respuesta al virus. “Se pensaba que la tormenta de citocinas se debía a la gran afluencia de células inmunitarias, pero podemos ver que también ocurre en las propias células madre pulmonares”, señaló Tata.

El laboratorio de Tata descubrió que las células producían interferones y experimentaron una muerte celular autodestructiva, tal como lo han demostrado las muestras de pacientes con covid-19. La señal del suicidio celular en ocasiones se activaba también en células pulmonares vecinas no infectadas, ya que las células luchaban por adelantarse al virus. Los investigadores también compararon los patrones de actividad genética entre los ‘minipulmones’ y las muestras de seis pacientes graves con covid-19 y observaron que ambos coincidían con una “sorprendente similitud”. “Hasta ahora esto solo habíamos podido verlo en autopsias. Actualmente tenemos una manera de descubrir cómo energizar las células para luchar contra este virus mortal”, señaló Tata.

En otro estudio, científicos de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) y varias universidades surcoreanas utilizaron para su investigación tejido donado a bancos de tejidos para extraer células alveolares tipo 2 (AT2) del pulmón humano. Al reprogramar estas células a su etapa anterior de células madre, pudieron desarrollar estructuras 3D de tipo alveolar autoorganizadas que imitan el comportamiento del tejido pulmonar clave. El equipo, liderado por el doctor Joo-Hyeon Lee, infectó los organoides con una cepa de SARS-CoV-2 tomada de un paciente de Corea del Sur que fue diagnosticado con covid-19 en enero después de viajar a Wuhan, la ciudad china donde se originó la pandemia. Usando una combinación de imágenes de fluorescencia y análisis genético de células individuales, pudieron estudiar cómo respondían las células al virus.

Cuando los modelos 3D se expusieron al SARS-CoV-2, el virus comenzó a replicarse rápidamente, alcanzando la infección celular completa solo seis horas después de la infección. Casi al mismo tiempo, las células comenzaron a producir interferones, proteínas que actúan como señales de advertencia para las células vecinas indicándoles que activen sus defensas antivirales. Después de 48 horas, los interferones desencadenaron la respuesta inmune innata, su primera línea de defensa, y las células comenzaron a luchar contra la infección. 60 horas después de la infección, un subconjunto de células alveolares comenzó a desintegrarse, provocando la muerte celular y daño al tejido pulmonar de manera mucho más rápida que en los pacientes con covid-19. El equipo señala que hay varias posibles razones que explican esta reacción, como por ejemplo, que pueden pasar varios días desde que el virus se infiltra por primera vez en el tracto respiratorio superior hasta que alcanza los alvéolos.

“Basándonos en nuestro modelo, podemos abordar muchas preguntas clave sin respuesta, como comprender la susceptibilidad genética al SARS-CoV-2, evaluar la infectividad relativa de mutantes virales y revelar los procesos de daño del virus en las células alveolares humanas”, declaró el doctor Young Seok Ju, coautor principal y profesor asociado en el ‘Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea’. “Lo más importante es que brinda la oportunidad de desarrollar y detectar posibles agentes terapéuticos contra la infección por el SARS-CoV-2”. “Esperamos utilizar nuestra técnica para hacer crecer estos modelos 3D a partir de células de pacientes que son particularmente vulnerables a las infecciones, como los ancianos o las personas con enfermedades pulmonares, y descubrir qué les sucede a sus tejidos”, añadió Lee.

Los investigadores afirman que su modelo se asemeja a un embrión de entre 18 a 21 días de edad y permite a los investigadores presenciar los procesos que dan lugar a la formación del cuerpo humano, algo que nunca antes se había observado directamente. Comprender estos procesos favorece conocer en detalle las causas de defectos congénitos y enfermedades en las personas, además de permitir tratar estos problemas a tiempo en mujeres embarazadas, señalan.

Un organismo surge a través de un proceso llamado gastrulación, durante el cual se forman tres capas distintas de células en el embrión, explican. Luego estos dan lugar a los sistemas principales del cuerpo humano: el nervioso, el musculoesquelético y el digestivo. “Nuestro modelo produce parte del esquema de un humano y es emocionante ser testigo de los procesos de desarrollo que hasta ahora han estado ocultos a la vista”, comentó el autor principal Alfonso Martínez-Arias, de acuerdo con ‘Eurekalert!’.

A Nature paper describes a new three-dimensional tissue culture model of early embryonic development in humans. The model, using human cells, may help researchers to expand their understanding of this important stage of development. https://t.co/kMZube04WS pic.twitter.com/3Ifm1qQhMI

— Nature (@nature) June 11, 2020

La gastrulación es un periodo del desarrollo que no había podio ser estudiado en laboratorio, debido a que las restricciones legales impiden que los científicos desarrollen embriones por más de 14 días. El modelo desarrollado permitirá estudiar este proceso. Los científicos resaltaron que los gastruloides no tienen el potencial de convertirse en un embrión completamente formado, debido a que no poseen células cerebrales ni ninguno de los tejidos necesarios para la implantación en el útero. Esto significa que cumple con los estándares éticos actuales al no permitir avanzar más allá de las primeras etapas de desarrollo.

Para crear los modelos tridimensionales, conocidos como gastruloides, los especialistas recolectaron cantidades definidas de células madre humanas y las trataron con productos químicos que actuaban como señales para activar ciertos genes. Con este modelo los investigadores pudieron observar a las 72 horas de desarrollo, una muestra clara de los eventos que conducen a la formación de músculos, huesos y cartílagos. “Nuestro sistema es un primer paso para modelar la aparición del esquema del cuerpo humano, y podría ser útil para estudiar lo que sucede cuando las cosas salen mal, como en los defectos de nacimiento” concluyó Naomi Moris del departamento de genética de la Universidad de Cambridge.

No es la primera vez que los científicos recurren a las células madre para reanudar la emisión de insulina en el cuerpo. El desafío fundamental siempre ha sido controlar cuántas células especializadas se obtienen por medio de su conversión y cuántas hormonas resultan capaces de producir. Los investigadores de la Escuela de Medicina de la ‘Universidad de Washington en San Luis’ desarrollaron un método que les permitió controlarlo. El equipo ajustó el protocolo para transformar las células madre humanas en células beta pancreáticas (secretoras de insulina). Las células resultantes respondían mejor a los niveles fluctuantes de glucosa en la sangre y, una vez trasplantadas a los roedores diabéticos, redujeron el azúcar hasta niveles normales en dos semanas y mantuvieron el efecto durante al menos nueve meses.

Junto a las células “terapéuticamente relevantes” se producen otras completamente diferentes, señaló el doctor Jeffrey Millman en un comunicado universitario difundido este lunes. “Se necesitan cerca de mil millones de células beta para curar a una persona con diabetes —explicó—. Pero si una cuarta parte de las células producidas son células del hígado u otras células del páncreas, en lugar de necesitar 1.000 millones se necesitan 1.250 millones. Eso hace que curar la enfermedad sea un 25% más difícil”.

Esta desventaja que complica la terapia fue superada durante el experimento, y las células productoras de insulina reaccionaron de manera más rápida y adecuada cuando se encontraron con una molécula de glucosa. Este comportamiento es el que muestran las células beta en personas sanas, que no padecen diabetes. Algunos ratones dejaron de sufrir diabetes durante más de un año, afirma el autor principal del estudio. Y eso a pesar de que su equipo tuvo que aplicarles una medicación adicional para suprimir el rechazo del tejido humano.

Millman señala dos formas posibles de probar el tratamiento en personas diabéticas, pero no se atreve a pronosticar cuán pronto será posible realizar experimentos al respecto. El estudio fue publicado el 24 de febrero en la revista ‘Nature Biotechnology’.

“No son un robot tradicional, ni una especie conocida de animales. Es una nueva clase de artefactos: un organismo vivo y programable”, afirma este científico. Estas nuevas criaturas fueron diseñadas en una supercomputadora por Bongard y su colega Sam Kriegman, en la Universidad de Vermont, y luego ensambladas y probadas por los biólogos Douglas Blackiston y Michael Levin en la Universidad de Tufts.

Los resultados de esta nueva investigación —que por primera vez “diseña máquinas completamente biológicas desde cero”— fueron publicados este 13 de enero en la revista especializada ‘PNAS’.

Estos xenobots de un milímetro de ancho, capaces de moverse hacia un objetivo y de curarse a sí mismos después de ser cortados, podrían trasladar una carga útil, como por ejemplo un fármaco que deba llevarse a un lugar específico dentro de un paciente. “Podemos imaginar para estos robots vivos muchas aplicaciones útiles que otras máquinas no pueden hacer”, afirma otro autor de la investigación, Michael Levin, jefe del Centro de Biología Regenerativa y del Desarrollo en Tufts. Entre ellas, buscar partículas contaminadas con radiación, recolectar microplástico en los océanos, viajar por las arterias y limpiarlas.

“Es un paso hacia el uso de organismos diseñados por computadora para la entrega inteligente de medicamentos”, añade Bongard. Durante meses de procesamiento en el clúster de supercomputadoras Deep Green, en la Universidad de Vermont, los informáticos utilizaron un algoritmo evolutivo para crear miles de posibles diseños para estas nuevas formas de vida. La computadora estuvo ensamblando cientos de células simuladas en innumerables formas y resultados corporales, intentando lograr la tarea asignada por los científicos: la locomoción en una dirección. Se seleccionaron los diseños más prometedores para la prueba.

Luego, el equipo de Tufts transfirió los diseños a formas vivas. Primero recolectaron células madre de los embriones de ranas africanas, de la especie ‘Xenopus laevis’ (de ahí el nombre de xenobots). Las separaron en células individuales y las dejaron incubar. Luego, usando unas pinzas y un electrodo diminutos, las células fueron cortadas y unidas bajo un microscopio, en una aproximación cercana a los diseños elaborados por la computadora. Una vez ensambladas, las células comenzaron a trabajar juntas. Se utilizaron dos tipos de células de rana: de la piel, que formaron una arquitectura más pasiva, y del músculo cardíaco, que experimentaron las contracciones. Gracias a estas últimas, se creó un movimiento ordenado hacia adelante, según lo guiado por el diseño de la computadora, que permite que los robots se muevan por sí mismos.

Se demostró que los xenobots pueden moverse de manera coherente y explorar un entorno acuoso durante días o semanas, impulsados por depósitos de energía embrionaria. Pruebas posteriores demostraron que los grupos de estas ‘máquinas vivas’ se movían en círculos, empujando los gránulos hacia una ubicación central. Algunos de los xenobots fueron construidos con un agujero en el centro para reducir la resistencia. En versiones simuladas de estos, los científicos pudieron utilizar ese agujero como ‘depósito’ para transportar con éxito una sustancia u objeto.

Durante años, la bioingeniería ha estado enfocada en el cultivo en laboratorio de organoides, es decir, versiones simplificadas de órganos humanos que resultan de gran utilidad para probar nuevos fármacos o tratamientos. En el caso de las neuronas, hasta ahora solo se habían llegado a producir tejidos artificiales, y la creación nipona supone un gran paso adelante, puesto que se ha conseguido alcanzar la categoría de organoide.

El ‘minicerebro’ fue obtenido a partir de células madre tomadas de un adulto. Los científicos saben convertir estas en distintos tejidos, y en este caso lograron transformarlas en neuronas similares a las de un humano.

Después de cultivar un grupo de células cerebrales, el equipo las dividió y las colocó por separado en una placa de Petri, donde formaron automáticamente redes neuronales entre sí. Es decir, las células se organizaron en una estructura parecida a la de la corteza cerebral.

“Una de las propiedades más interesantes de estos organoides es que resumen verdaderamente en su forma el proceso de desarrollo del cerebro”, comentó la genetista Hideya Sakaguchi, de la Universidad de Kyoto. “Su estructura en capas es muy hermosa y se parece al tejido cerebral real”.

El organoide, reconstruido desde cero, tiene las mismas arquitectura y fisiología que el cerebro humano real, sostiene el equipo investigador en un artículo científico publicado en ‘Stem Cell Reports’ el jueves pasado. En las imágenes que recoge se aprecian sus características circunvoluciones, aunque en un número menor del que normalmente existe en un cerebro humano.

Los autores aseguran que las neuronas artificiales se comportan como las auténticas, pero nunca podrán volverse autoconscientes o convertirse en un organismo íntegro.

El ‘minicerebro’ servirá como herramienta de investigación, permitiendo a los científicos comprender lo que sucede bajo la corteza cerebral. En particular, podría ayudarles a detectar las dosis mínimas de medicamentos que consiguen causar alguna alteración en la actividad neuronal normal.

El estudio, publicado en la revista científica ‘Annals of Internal Medicine’ y realizado por científicos del Instituto de Investigación del sida IrsiCaixa de Barcelona y del hospital Gregorio Marañón de Madrid, ha revelado que cinco personas con VIH y recibieron un trasplante de células madres tienen ahora el virus indetectable en sangre y en tejidos, incluso uno de ellos ni siquiera tiene anticuerpos contra el virus en la sangre.

De momento, esto no supone una evidencia de su erradicación. Como dice la coautora del artículo, María Salgado, en declaraciones citadas por ‘Infosalus’, “podría ser una prueba de que el VIH ya no está en su sangre, pero solo se puede confirmar parando el tratamiento y comprobando si el virus reaparece o no”.

El estudio incluyó a un total seis pacientes que habían sobrevivido al menos dos años tras recibir el trasplante de células madre y ya no estaban recibiendo medicación inmunosupresora pero seguían mantenido el tratamiento antirretroviral. Además, todos ellos habían experimentado rechazo hacia las células del donante, lo que se conoce como enfermedad del injerto contra huésped.

El único de los seis pacientes que conservó un reservorio de VIH detectable fue el que había recibido un trasplante de sangre de cordón umbilical, mientras que el resto recibieron trasplantes de médula ósea.

Con todos los datos recogidos, la investigación indica que la procedencia de las células madre, así como el tiempo en el que se da el reemplazo completo de las células receptoras por las células del donante y la enfermedad del injerto contra huésped serían los factores que podrían contribuir a una potencial desaparición del VIH.

Según la revista ScienceMag.org, que se hace eco del estudio, actualmente, al menos dos grupos de científicos utilizan una combinación de tres novedosas técnicas —el ADN antiguo, la edición genética CRISPR y la producción de ‘organoides’ (pseudo-órganos construidos a partir de células madre)—, para fabricar ‘minicerebros’ de neandertal. Si bien ninguna de las investigaciones ha sido publicada aún, Alysson Muotri, genetista de la Universidad de California en San Diego, presentó los avances del trabajo de su equipo en una conferencia celebrada en dicho centro este mes.

En concreto, el grupo de Muotri dotó las células madre con genes de neandertales, en vez de los de humanos modernos, para luego cultivar ‘minicerebros’ del tamaño de un guisante, que imitan la corteza cerebral.

Según los científicos, estos ‘organoides’ neandertales tienen una forma distinta de los humanos y también difieren en sus redes neuronales, incluidas algunas asociadas con la habilidad de socializar.

De hecho, varias de estas diferencias en las redes neuronales reflejan lo que Muotri encontró al estudiar el desarrollo neuronal en el cerebro de niños con autismo. “No quiero que las familias concluyan que estoy comparando niños autistas con neandertales, pero es una observación importante”, señaló el investigador.

Los pacientes fueron una mujer de 60 años y un hombre de 80 que presentaban una discapacidad visual severa conocida como degeneración macular relacionada con la edad (DMRE).

Esta enfermedad, considerada la causa más común de ceguera en personas mayores de 50 años, se traduce en una sensación de visión borrosa y adquiere dos formas: húmeda y seca.

Según la publicación, los pacientes tratados en el estudio desarrollaban rápidamente la DMRE húmeda y no podían leer en absoluto, ni siquiera con anteojos.

Phase 1 clinical study of an embryonic stem cell–derived retinal pigment epithelium patch in age-related macular degeneration https://t.co/wcrGiGEFjY #regenerativemedicine #AMD pic.twitter.com/66edEa17yz

— Nature Biotechnology (@NatureBiotech) 19 de marzo de 2018

Para llevar a cabo el experimento, un grupo de científicos londinenses pertenecientes al ‘London Project to Cure Blindness’ colocaron a los pacientes un parche en la parte posterior del ojo, valiéndose para ello de una herramienta quirúrgica especialmente diseñada para insertarlo justo debajo de la retina. La operación duró cerca de dos horas.

Tras la operación ambos pacientes fueron monitoreados durante un año, período en el que se constataron mejoras significativas.

La pareja pasó de no poder leer a ver de 60 a 80 palabras por minuto con anteojos de lectura normales.

Los científicos esperan poder incidir en el tratamiento de la DMRE seca en un futuro próximo, y anuncian que la terapia podría estar lista para generalizarse en los próximos cinco años.