La tercera dimensión: uso de minicerebros para comprender los cambios en el desarrollo cerebral en la EH

Una nueva publicación utilizó pequeños modelos cerebrales 3D creados a partir de células humanas para demostrar que la mutación que causa la EH podría provocar cambios tempranos en el desarrollo cerebral. Sin embargo, está claro que los pacientes con EH pueden desarrollar, y de hecho desarrollan, células cerebrales completamente maduras que mantienen la función normal, en la mayoría de los casos, durante décadas. Así que pongamos estos hallazgos en contexto y profundicemos en lo que estos cambios en el desarrollo que se han descubierto utilizando células humanas en una placa de Petri podrían significar para los pacientes con EH.

Obtención de células cerebrales humanas sin necesidad de recoger muestras cerebrales

Aunque la EH es exclusiva de los humanos, la mayoría de los organismos tienen una versión del gen que muta para causar la EH: la huntingtina, o Htt para abreviar. Se puede utilizar una variedad de organismos para estudiar la EH y cada modelo puede informar sobre diferentes aspectos de cómo funciona la enfermedad. Por ejemplo, si un científico quiere saber si un tratamiento experimental podría beneficiar a la EH, podría utilizar moscas de la fruta o incluso gusanos para obtener esas respuestas.

Si bien las moscas y los gusanos son bastante diferentes de los humanos, tienen una vida útil muy corta (unos 14 días para las moscas de la fruta), por lo que los científicos pueden obtener sus respuestas rápidamente. Si quieren saber qué ocurrirá en un cerebro más complejo, los científicos suelen elegir ratones. Pero para comprender los efectos que tendrá su trabajo en los humanos, los científicos necesitan probar sus ideas en humanos, o al menos en células humanas.

En 2006, dos científicos distintos demostraron que se puede invertir la línea temporal biológica de una célula de la piel, preparándola para convertirse en cualquier otro tipo de célula del cuerpo. Más recientemente, incluso se han utilizado células sanguíneas. Estas células preparadas se denominan «células madre pluripotentes inducidas», o iPSC.

Si los científicos están interesados en estudiar una enfermedad cerebral como la EH, pueden convertir esas iPSC en los tipos de células de interés, como las neuronas. Y aún mejor, si las células de la piel o de la sangre proceden de un paciente con EH, los científicos tienen todo lo que necesitan para estudiar las neuronas de ese paciente sin tener que tomar una muestra cerebral. No solo es ciencia súper genial, ¡sino también una gran noticia para los pacientes con EH, que querrían conservar sus cerebros!

Normalmente, las células se cultivan en la superficie plana de una placa de Petri, pero recientemente los investigadores han ideado una forma de inducir a las iPSC a crecer en bolas tridimensionales de células, que se asemejan a un pequeño cerebro en una fase temprana de desarrollo. Estas estructuras 3D se denominan organoides cerebrales y son similares a un pequeño modelo de cerebro.

El cultivo de estas células en 3D permite a los investigadores estudiar la forma en que se organizan a medida que crece el organoide, lo que informa sobre los acontecimientos muy tempranos del desarrollo dentro del cerebro. Pero aunque estas diminutas estructuras similares al cerebro parecen tener patrones de desarrollo temprano similares a los de un cerebro humano, no son una réplica funcional y no poseen la capacidad de función cognitiva.

Eres un copo de nieve hermoso y único

En un estudio reciente, estos organoides cerebrales se utilizaron para investigar el impacto que tiene la mutación que causa la EH en su desarrollo. Lo hicieron utilizando 4 líneas celulares diferentes que son idénticas en todos los aspectos, excepto en uno: el gen de la EH. Pero, espera. ¿Cómo pueden ser idénticas y diferentes 4 líneas celulares?

Se puede pensar en las personas como en copos de nieve: todos somos únicos a nuestra manera, no solo con diferencias físicas obvias, como el color del pelo o la forma de los ojos, sino también a nivel genético. Cada persona tiene una composición ligeramente única en el código de su ADN que la hace diferente. Así que, aunque 2 personas puedan tener el código genético necesario para las manos, una puede tener los dedos muy largos y otra puede tener los dedos cortos.

Si los investigadores toman células de 2 personas, una con EH y otra sin ella, sus células no solo contendrán las diferentes longitudes de CAG del gen HTT de esa persona, sino que también contendrán todas las demás diferencias genéticas que las hacen únicas. Sin embargo, esto puede confundir un poco los resultados, porque los investigadores no sabrán si los cambios que miden se deben a las diferencias en su gen de la EH o a alguna otra alteración única en el ADN de esa persona.

Así que volviendo a esas células idénticamente diferentes: para evitar cualquier confusión en su estudio sobre si los resultados proceden de diferentes longitudes de CAG en el gen de la EH o de algún otro código de ADN único que tenga una persona, los investigadores utilizaron una serie de líneas celulares procedentes de una única línea celular que ha sido alterada genéticamente solo dentro del gen HTT, de modo que contiene repeticiones CAG de diferentes tamaños.

En este caso, el tramo de repetición CAG se incrementó de 30 (para representar a alguien sin riesgo de EH) a 45, 65 u 81 (que representan la EH de inicio en la edad adulta, la adolescencia o la juventud, respectivamente), mientras que todos los demás genes de estas células permanecieron idénticos. Así que ahora los investigadores pueden estar seguros de que cualquier diferencia que observen entre estas líneas celulares se debe explícitamente a los cambios que indujeron en el gen de la EH. ¡Muy inteligente!

La EH juvenil de inicio temprano puede no ser un trastorno puramente degenerativo

Al utilizar las 4 líneas celulares para crear organoides, lo primero que notaron los investigadores fue que, aunque los organoides de las 4 líneas tenían el mismo tamaño, los organoides de la EH desarrollaron estructuras internas más pequeñas que conducen al desarrollo de importantes células cerebrales llamadas neuronas, lo que sugiere que el desarrollo cerebral se ve afectado. Sin embargo, esto solo se observó en organoides que corresponden a la EH de inicio en la adolescencia (CAG de 65) y en la juventud (CAG de 81), mientras que los organoides que representan la EH de inicio en la edad adulta (CAG de 45) fueron similares a los organoides que representan a alguien sin EH.

¿Qué significa esto? Los autores interpretaron sus hallazgos en el sentido de que la mutación que causa la EH, particularmente en los casos de inicio juvenil, atrofia el desarrollo cerebral. Sin embargo, una idea alternativa es que la mutación que causa la EH puede simplemente retrasar el desarrollo.

Para probar esto, los autores examinaron organoides más antiguos: midieron la diferencia entre los organoides que tienen 30 y 81 CAG y encontraron que todavía tenían estructuras internas más pequeñas, incluso en este punto temporal posterior. Así que parece que, al menos para los casos de EH de inicio juvenil, el desarrollo cerebral en estos organoides no solo se retrasa, sino que se estanca. Sin embargo, los organoides de inicio en la adolescencia y en la edad adulta no se incluyeron en este experimento específico.

Otro hallazgo clave de este estudio sugiere que los organoides de inicio juvenil se convierten en neuronas más rápidamente que los organoides sin la mutación de la EH. Pero si te has mantenido al día con la literatura sobre organoides de la EH, puede que esto te resulte un poco confuso porque un artículo que salió hace aproximadamente un año encontró exactamente lo contrario: que los organoides de la EH derivados de iPSC se convierten en neuronas más lentamente que los organoides sin EH.

¿Significa esto que un estudio tiene razón y el otro está equivocado? No. Aunque los 2 estudios encontraron efectos opuestos en la velocidad del neurodesarrollo de los organoides de la EH, cada estudio se realizó de forma ligeramente diferente, utilizando diferentes líneas celulares y midiendo los efectos en diferentes momentos.

En lo que ambos estudios están de acuerdo es en que la mutación que causa la EH conduce a cambios tempranos en el neurodesarrollo. Pero, solo porque los resultados sugieran cambios tempranos en el desarrollo no significa que estos cambios no puedan ser compensados. De hecho, ¡los autores del estudio más reciente identificaron un fármaco con la capacidad de restaurar parcialmente las mediciones más bajas que observaron en los organoides de la EH de inicio juvenil!

¿Pero qué pasa con los organoides que representan la EH de inicio en la adolescencia y en la edad adulta? Si eres un maniático de los detalles, puede que hayas notado que la mayoría de los hallazgos de este estudio se centran solo en los organoides que representan la EH de inicio juvenil, que representan aproximadamente el 5-10% de la población de pacientes con EH. Esto significa que estos experimentos están evaluando una forma rara de una enfermedad ya de por sí rara. Sin embargo, los autores de este estudio son diligentes a la hora de interpretar sus hallazgos en el contexto de lo que representan sus datos, diciendo: “En general, estos hallazgos sugieren que la EH, al menos en sus formas juveniles de inicio temprano, puede no ser un trastorno puramente neurodegenerativo y que el neurodesarrollo anormal puede ser un componente de su fisiopatología”.

Recién salido de la imprenta

Una cosa a tener en cuenta sobre este estudio es que actualmente se publica en un repositorio llamado BioRxiv (pronunciado “bio archive”). BioRxiv es un recurso fenomenal porque publica datos antes de su impresión y está disponible para todo el mundo. Si bien esto hace que los datos lleguen antes a las masas, también significa que no se ha sometido al proceso científico de “revisión por pares”, que es una evaluación imparcial del trabajo por parte de otros científicos del campo que no están relacionados con el proyecto.

La revisión por pares es fundamental para mantener el rigor de los estudios científicos y proporciona a los autores del trabajo una perspectiva externa reflexiva de otros expertos en su campo. Debido a que este estudio aún no se ha sometido a la revisión por pares, los revisores podrían solicitar trabajo adicional antes de la publicación para aclarar algunos de los resultados o incluso solicitar un examen más a fondo de los organoides que representan la EH de inicio en la adolescencia y en la edad adulta. Así que puedes pensar en este estudio como en un libro inacabado por el momento: tendremos que volver a sintonizar después de su publicación final para obtener la historia completa.

¿Alguna vez se normalizan estos cambios en el desarrollo?

Si bien los organoides son muy interesantes porque pueden informarnos sobre los cambios relacionados con la EH a nivel celular que se producen al principio del desarrollo utilizando células humanas, realmente necesitamos datos de pacientes para interpretar el efecto que cualquier cambio pueda tener o no en un ser humano completamente desarrollado.

Otro estudio hizo precisamente eso y examinó los tamaños de diferentes estructuras cerebrales de niños y adolescentes (de 6 a 18 años) con y sin la forma de inicio en la edad adulta de la mutación de la EH utilizando la resonancia magnética. Se trata de niños sin síntomas de EH, cuyos padres han accedido a que participen en la investigación para comprender mejor los primeros cambios causados por la mutación de la EH.

Este estudio informó de un estriado más grande (una de las principales regiones cerebrales afectadas por la mutación que causa la EH) en los niños portadores de la mutación de la EH al principio, de los 6 a los 11 años, mientras que los niños con gen negativo para la EH tienen un estriado más grande más tarde, de los 11 a los 18 años. Por lo tanto, parece que los niños con gen positivo tienen un neurodesarrollo más rápido, al menos del estriado, pero que los niños con gen negativo acaban poniéndose al día y terminan teniendo un estriado más grande a las edades examinadas en este estudio. Sin embargo, esta diferencia parece ser bastante modesta, con solo un cambio de aproximadamente 1 ml, aproximadamente ¼ de una gominola para ponerlo en perspectiva.

Estudios como estos, que utilizan métodos no invasivos capaces de detectar cambios muy pequeños, son exactamente lo que se necesita para evaluar la contribución que tiene la EH en el desarrollo cerebral. Ayudarán a interpretar los hallazgos de estudios que representan el desarrollo muy temprano, como el estudio de organoides en una placa de Petri, en el contexto de los pacientes humanos.

En última instancia, la investigación que demuestra los cambios en el desarrollo cerebral resultantes de la EH es nueva y, aunque es biológicamente interesante, los investigadores aún no saben lo que significa todo esto en el contexto de la enfermedad. Sin embargo, es importante recordar que los investigadores también están trabajando en el descubrimiento de mecanismos que pueden compensar cualquier cambio en el desarrollo cerebral que informen.

Saber más

• Las repeticiones CAG expandidas de huntingtina alteran el equilibrio entre la expansión y la diferenciación de los progenitores neuronales en organoides cerebrales humanos (acceso abierto)
• La determinación neuronal defectuosa y la polarización celular se revierten modulando los fenotipos tempranos de la EH (el artículo completo requiere pago o suscripción)
• Desarrollo cerebral anormal en niños y adolescentes portadores de huntingtina mutante (el artículo completo requiere pago o suscripción)