Un equipo de investigación dirigido por el profesor Jacob Hanna del Instituto Weizmann de Ciencias, ha creado modelos completos de embriones humanos a partir de células madre cultivadas en el laboratorio y logró cultivarlos fuera del útero hasta el día 14.
(Comunicado de la portavoz del Instituto Weizmann de Ciencias)
Como fuera informado hoy en Nature, estos modelos de embriones sintéticos tenían todas las estructuras y compartimentos característicos de esta etapa, incluida la placenta, el saco vitelino, el saco coriónico y otros tejidos externos que aseguran la dinámica y el crecimiento adecuado de los modelos.
Los agregados celulares derivados de células madre humanas en estudios previos no pudieron ser considerados modelos de embriones humanos genuinamente precisos, porque carecían de prácticamente todas las características distintivas de un embrión posterior a la implantación. En particular, no pudieron contener diversos tipos de células que son fundamentales para el desarrollo del embrión, como aquellas que forman la placenta y el saco coriónico. Además, no tenían la organización estructural característica de los embriones y no revelaron una capacidad dinámica a fin de avanzar a la siguiente fase de desarrollo.
Dada su auténtica complejidad, los modelos de embrión humano obtenidos por el grupo de Hanna pueden proporcionar una oportunidad inédita para arrojar una nueva luz sobre el misterioso comienzo de los embriones. Es poco lo que se conoce acerca de la primera etapa del embrión ya que es muy difícil de estudiar, tanto por razones éticas como técnicas, no obstante, sus fases iniciales son vitales para su futuro desarrollo. Durante estas etapas, el grupo de células que se implanta en el útero en el séptimo día de su existencia se convierte, en tres o cuatro semanas, en un embrión bien estructurado que ya contiene todos los órganos del cuerpo.
“El drama tiene lugar en el primer mes, los otros ocho meses del embarazo, son principalmente de mucho crecimiento”, señala Hanna. “Pero este primer mes es todavía una gran caja negra. Nuestro modelo de embrión humano derivado de células madre brinda una vía ética y accesible para asomar a esa caja. Imita fielmente el desarrollo de un embrión humano real, particularmente, el surgimiento de su arquitectura exquisitamente fina”.
Permitir que el modelo embrionario diga “¡Adelante!”
El equipo de Hanna se basó en su experiencia previa en la creación de modelos sintéticos de embriones de ratón basados en células madre. Al igual que en esa investigación, los científicos no hicieron uso de óvulos fecundados ni un útero. Más bien, comenzaron con células humanas conocidas como células madre pluripotentes, que tienen el potencial de diferenciarse, en muchos, aunque no en todos los tipos de células. Algunas de ellas derivaban de células cutáneas adultas a las que se había devuelto a su “estado madre”. Otras eran la progenie de las células madre humanas que habían sido cultivadas durante años en el laboratorio.
.Luego, los investigadores utilizaron el método recientemente desarrollado por Hanna para reprogramar las células madre pluripotentes, a fin de hacer retroceder el reloj: revertir estas células a un estado incluso anterior, conocido como estado ingenuo, en el cual son capaces de convertirse en cualquier cosa, es decir, especializarse en todo tipo de célula. Esta fase corresponde al día 7 del embrión humano natural, alrededor del momento en el cual se implanta en el útero. En realidad, el equipo de Hanna fue el primero en comenzar a describir métodos para generar células madre humanas ingenuas, en el 2013; continuaron mejorando estos métodos, que se hallan en el núcleo del proyecto actual, a lo largo de los años.
Los científicos dividieron las células en tres grupos. Las células destinadas a desarrollarse en el embrión, fueron dejadas tal cual son. Las células en cada uno de e los otros grupos fueron tratadas solamente con químicos, sin ninguna necesidad de modificación genética, a fin de activar ciertos genes, lo que pretendía lograr que estas células se diferenciaran hacia uno de los tres tipos de tejidos necesarios para sostener el embrión: la placenta, el saco vitelino o la membrana mesodérmica extraembrionaria que finalmente crea el saco coriónico.
Poco después de mezclarlas en condiciones optimizadas y específicamente desarrolladas, las células formaron grupos, alrededor del 1 por ciento de los cuales se autoorganizaron en estructuras embrionarias completas. “Un embrión es autónomo por definición; no necesitamos decirle qué hacer, solo debemos liberar su potencial codificado internamente”, afirma Hanna. “En el inicio, es vital mezclar con el tipo de células adecuadas, que sólo pueden ser derivadas de las células madre ingenuas que no tienen restricciones de desarrollo. Una vez realizado esto, el propio modelo embrionario, dice: “Adelante”.
Las estructuras similares a embriones basadas en células madre (denominadas SEM), se desarrollaron normalmente fuera del útero durante 8 días, logrando una fase de desarrollo equivalente a 14 días del desarrollo embrionario humano. Ese es el punto en el cual el embrión natural adquiere las estructuras internas que les permiten avanzar a la próxima fase: desarrollar los progenitores de los órganos del cuerpo.
Los modelos completos de embriones humanos coinciden con los diagramas clásicos en términos de estructura e identidad celular
Cuando los investigadores compararon la organización interna de sus modelos de embriones de células madre con ilustraciones y secciones de anatomía microscópicas en atlas de embriología clásica de la década de 1960, descubrieron un extraño parecido cultural entre los modelos y los embriones humanos naturales en la etapa correspondiente. Cada compartimento y estructura de apoyo no sólo estaba allí, sino en el lugar, tamaño y forma correctos. Incluso las células que elaboran la hormona utilizada en las pruebas de embarazo estaban allí y activas. Cuando los científicos aplicaron secreciones de estas células a una prueba de embarazo comercial, resultó positiva.
Esto implicó que sus modelos emulaban fielmente el proceso por el cual un embrión temprano adquiere todas las estructuras que necesita a fin de comenzar su transformación en feto. “Muchas fallas de embrazo ocurren en las primeras semanas, generalmente, incluso antes de que la mujer sepa que está embarazada”, dice Hanna. “También es entonces cuando se originan los defectos congénitos, aunque suelen descubrirse mucho más tarde. Nuestros modelos pueden ser utilizados para revelar las señales bioquímicas y mecánicas que garantizan un desarrollo apropiado en esta fase temprana, y las formas en que ese desarrollo puede fallar”.
En realidad, el estudio ya ha producido un hallazgo que puede abrir un nuevo rumbo de investigación sobre el fracaso temprano del embarazo. Los investigadores descubrieron que si el embrión no es envuelto por las células que forman la placenta del modo correcto en el día 3 del protocolo (correspondiente al día 10 en el desarrollo embrionario natural), sus estructuras internas, como el saco vitelino, no se desarrollan adecuadamente.
“Un embrión no es estático. Debe tener las células correctas en la organización adecuada, y debe tener la capacidad de avanzar, se trata de ser y convertirse”, dice Hanna. “Nuestros modelos completos de embriones ayudarán a los investigadores a abordar las preguntas más básicas acerca de lo que determina su crecimiento adecuado”.
Este enfoque ético para desentrañar los misterios de las primeras etapas de desarrollo embrionario podría abrir numerosas vías de investigación. Podría ayudar a revelar las causas de muchos defectos congénitos y tipos de infertilidad. También podría conducir a nuevas tecnologías para el cultivo de tejidos y órganos para trasplantes. Y podría brindar una vía alrededor de experimentos que no pueden ser realizados en embriones vivos, por ejemplo, determinar los efectos de la exposición a medicamentos o a otras sustancias en el desarrollo fetal.