Un grupo de investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison (UW-Madison) ha logrado un nuevo hito para la ciencia: la impresión 3D con éxito de un tejido cerebral que crece y funciona como un cerebro humano típico. Dicho de otra forma, han conseguido crear un órgano lo más parecido posible al real, tanto, que sus células se convirtieron en neuronas funcionales que se comunicaban entre sí en cuestión de semanas.

Lo conseguido abre las puertas a un abanico de posibilidades hasta hace poco impensables. Para empezar, podría usarse para estudiar cerebros sanos y no saludables, para la exploración de patologías de enfermedades, para probar medicamentos o simplemente para observar cómo se desarrolla el cerebro.

Un hito, como decíamos, ya que han resuelto uno de los mayores desafíos, como el hecho de que las neuronas cultivadas en el laboratorio pudieran formar conexiones funcionales, o que el tejido cerebral soporte una arquitectura tan compleja. 

Según Su-Chun Zhang, autor principal del estudio:

Este podría ser un modelo enormemente poderoso para ayudarnos a comprender cómo se comunican las células cerebrales y partes del cerebro 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

De alguna forma, el estudio se enlaza con otro logro conseguido hace unas semanas, cuando un grupo de investigadores consiguieron conectar un organoide cerebral a una computadora con aprendizaje automático. Al poco tiempo, había activado al organoide y empezaba a tener habilidades matemáticas o incluso reconocía voces.

En el nuevo estudio, los investigadores partieron de una idea: construir tejido neural en capas en el que las células progenitoras neurales (NPC) maduren y formen conexiones (sinapsis) dentro y entre capas manteniendo la estructura. Para ello, eligieron un hidrogel de fibrina compuesto principalmente de fibrinógeno y trombina haciendo las veces de “biotinta”, biomaterial utilizado para la impresión de tejidos, ya que es biocompatible con las células neuronales. Además, tanto el fibrinógeno como la trombina desempeñan un papel en la coagulación de la sangre.

Cuentan los investigadores que “la alta viscosidad” del gel de fibrina dificultaba la impresión, por lo que lo mezclaron con un hidrogel de ácido hialurónico. Así se dieron cuenta de que una gran cantidad de NPC colocados en la mezcla sobrevivían y maduraban. Luego, al agregar otro hidrógeno consiguieron que su biotinta fuera más suave que las utilizadas anteriormente.

También variaron el enfoque tradicional de impresión 3D, apilando capas verticalmente. En este caso, el equipo optó por hacerlo horizontalmente. Situaron células cerebrales, neuronas cultivadas a partir de células madre pluripotentes inducidas, en un gel de “tinta biológica” más suave que el que se había utilizado en intentos anteriores. 

¿Qué ocurrió? Que aunque las células impresas permanecieron dentro de sus capas designadas, las neuronas formaron conexiones sinápticas funcionales dentro y entre las capas entre dos y cinco semanas después de la impresión. Según Zhang:

El tejido todavía tiene suficiente estructura para mantenerse unido, pero es lo suficientemente suave como para permitir que las neuronas crezcan unas en otras y comiencen a comunicarse entre sí. Las celdas están colocadas una al lado de la otra como lápices colocados uno al lado del otro sobre una mesa. Nuestro tejido se mantiene relativamente delgado y esto facilita que las neuronas obtengan suficiente oxígeno y suficientes nutrientes del medio de crecimiento.

Imprimimos la corteza cerebral y el cuerpo estriado, y lo que encontramos fue bastante sorprendente. Incluso cuando imprimimos diferentes células pertenecientes a diferentes partes del cerebro, aún podían comunicarse entre sí de una manera muy especial y específica.

Alucinante, ya que hablamos de una técnica de impresión 3D que ha logrado que las células impresas puedan comunicarse entre ellas atravesando el medio para formar conexiones dentro de cada capa impresa, así como entre capas, formando redes comparables a los cerebros humanos. Un proceso que permitía que las neuronas se comunicaran, o enviaran señales, interactuando entre sí a través de neurotransmisores e incluso formando redes adecuadas con células de soporte que se agregaron al tejido impreso.

El enfoque logrado también ofrece una precisión sobre los tipos y disposiciones de las células que los organoides y otros métodos de impresión no ofrecen:

Nuestro laboratorio es muy especial porque podemos producir prácticamente cualquier tipo de neuronas en cualquier momento. Entonces podemos ensamblarlos casi en cualquier momento y como queramos. Como podemos imprimir el tejido por diseño, podemos tener un sistema definido para observar cómo funciona nuestra red cerebral humana. Podemos observar de manera muy específica cómo las células nerviosas se comunican entre sí bajo ciertas condiciones porque podemos imprimir exactamente lo que queremos.

Pensemos que todos los métodos de impresión han limitado el éxito de intentos anteriores de imprimir tejido cerebral. Un logro con implicaciones importantes para estudiar el cerebro y trabajar en tratamientos para una amplia gama de trastornos neurológicos y del desarrollo neurológico, como por ejemplo las enfermedades de Alzheimer y Parkinson.

Una técnica que, además, debería ser accesible para muchos laboratorios. No requiere equipos especiales de bioimpresión ni métodos de cultivo para mantener el tejido sano y encima puede estudiarse en profundidad con microscopios, técnicas de imagen estándar y electrodos que ya son comunes en este campo.