Una nueva técnica, llamada DNA Programmed Assembly of Cells, permite a los investigadores crear matrices de miles de organoides diseñados a medida, como modelos de glándulas mamarias humanas que contienen varios cientos de células cada uno, que pueden construirse en cuestión de horas.
Un equipo liderado por UCSF ha desarrollado una técnica para construir pequeños modelos de tejidos humanos, llamados organoides, de forma más precisa que nunca antes, utilizando un proceso que convierte las células humanas en un equivalente biológico de los ladrillos LEGO.
Estos mini-tejidos en un plato se pueden usar para estudiar cómo las características estructurales particulares del tejido afectan el crecimiento normal o si se tuercen en el cáncer. Podrían ser utilizados para la detección de drogas terapéuticas y para ayudar a enseñar a los investigadores cómo cultivar órganos humanos completos.
La nueva técnica, llamada DNA Programmed Assembly of Cells (DPAC) e informada en la revista Nature Methods el 31 de agosto de 2015, permite a los investigadores crear conjuntos de miles de organoides diseñados a medida, como modelos de glándulas mamarias humanas que contienen varios cientos de células cada una, que se pueden construir en cuestión de horas.
Hay pocos límites para los tejidos que esta tecnología puede imitar, dijo Zev Gartner, PhD, autor principal del artículo y profesor asociado de química farmacéutica en UCSF. «Podemos tomar cualquier tipo de célula que deseemos y programar exactamente donde va. Podemos controlar con precisión quién está hablando con quién y quién toca a quién en las primeras etapas. Las células luego siguen estas señales espaciales inicialmente programadas para interactuar, moverse y desarrollar en los tejidos con el tiempo «.
«Una posible aplicación», dijo Gartner, «sería que en los próximos años, podríamos tomar muestras de diferentes componentes de la glándula mamaria de un paciente con cáncer y construir un modelo de su tejido para usar como una plataforma personalizada de detección de medicamentos». Otra es usar las reglas del crecimiento de los tejidos que aprendemos con estos modelos para un día desarrollar órganos completos «.
Nuestros cuerpos están hechos de más de 10 billones de células de cientos de diferentes tipos, cada uno de los cuales juega su papel único para mantenernos vivos y saludables. La forma en que estas células se organizan estructuralmente en diferentes sistemas de órganos las ayuda a coordinar sus comportamientos y funciones increíblemente diversos, manteniendo la máquina biológica completa funcionando sin problemas. Pero en enfermedades como el cáncer de mama, el colapso de este orden se ha asociado con el rápido crecimiento y la diseminación de los tumores.
«Las células no son autómatas solitarios», dijo Gartner. «Se comunican a través de redes para tomar decisiones grupales. Como en cualquier organización compleja, es necesario que la estructura del grupo tenga éxito, como muchas corporaciones fallidas han descubierto. En el contexto de los tejidos humanos, cuando la organización falla, establece el etapa para el cáncer «.
Pero estudiar cómo las células de los tejidos complejos como la glándula mamaria se autoorganizan, tomar decisiones en grupos, y descomponerse en la enfermedad ha sido un desafío para los investigadores. El organismo vivo a menudo es demasiado complejo para identificar las causas específicas de un comportamiento celular particular. Por otro lado, las células en un plato carecen del elemento crítico de una estructura 3-D realista.
«Esta técnica nos permite producir componentes simples de tejido en un plato que podemos estudiar y manipular fácilmente», dijo Michael Todhunter, PhD, quien dirigió el nuevo estudio con Noel Jee, PhD, cuando ambos eran estudiantes de posgrado en el grupo de investigación Gartner. «Nos permite hacer preguntas sobre tejidos humanos complejos sin necesidad de hacer experimentos en humanos».
Para especificar la estructura 3-D de sus organoides, el equipo de Gartner hace uso de una molécula familiar: el ADN. Los investigadores incuban las células con diminutos fragmentos de ADN monocatenario diseñados para deslizarse dentro de las membranas externas de las células, cubriendo cada célula como los pelos de una pelota de tenis. Estas cadenas de ADN actúan como una especie de Velcro molecular y como un código de barras que especifica dónde cada célula pertenece dentro del organoide. Cuando dos células incubadas con cadenas de ADN complementarias entran en contacto, se adhieren rápidamente. Si las secuencias de ADN no coinciden, las células flotan. Las células se pueden incubar con varios conjuntos de códigos de barras de ADN para especificar múltiples socios permitidos.
Para convertir estos LEGO celulares en matrices de organoides que pueden usarse para investigación, el equipo de Gartner establece las células en capas, con múltiples conjuntos de células diseñadas para adherirse a socios particulares. Esto no solo les permite desarrollar componentes de tejidos complejos como la glándula mamaria, sino también experimentar con la adición específica de una sola célula con una mutación conocida de cáncer a diferentes partes del órganoide para observar sus efectos.
Para demostrar la precisión de la técnica y su capacidad para generalizar a diferentes tipos de tejidos humanos, el equipo de investigación creó varias matrices de organoides de prueba de principio que imitan tejidos humanos como la vasculatura de ramificación y las glándulas mamarias.
En un experimento, los investigadores crearon matrices de células epiteliales mamarias y preguntaron cómo la adición de una o más células que expresaban niveles bajos del gen cancerígeno RasG12V afectaba las células que las rodeaban. Descubrieron que las células normales crecen más rápido cuando están en un organoide con células que expresan RasG12V a niveles bajos, pero requieren más de una célula mutante para impulsar este crecimiento anormal. También descubrieron que colocar células con baja expresión de RasG12V al final de un tubo de células normales permitió que las células mutantes se ramificaran y crecieran, atrayendo células normales detrás de ellas como un botón en la punta de una rama de árbol en crecimiento.
El grupo de Gartner planea usar la técnica para investigar qué cambios celulares o estructurales en las glándulas mamarias pueden llevar a la descomposición de la arquitectura tisular asociada a tumores que metastatizan, invaden otras partes del cuerpo y amenazan la vida del paciente. También esperan usar lo que aprenden de modelos simples de diferentes tipos de tejidos para finalmente construir tejidos humanos funcionales, como pulmón y riñón, y circuitos neuronales usando técnicas de mayor escala.
«Construir modelos funcionales de redes celulares complejas como las que se encuentran en el cerebro es probablemente uno de los mayores desafíos a los que se puede aspirar», dijo Todhunter. «DPAC ahora hace que un objetivo tan elevado como ese parezca alcanzable».
Los financiadores del trabajo incluyen el Programa de Investigación del Cáncer de Seno del Departamento de Defensa, los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Sidney Kimmel y el Programa de UCSF en Investigación Biomédica Avanzada.
Fuente principal:
Universidad de California, San Francisco (UCSF).
