Un equipo de ingenieros y neurocientíficos de la Universidad de California (Estados Unidos) ha demostrado por primera vez que organoides de cerebro humano implantados en ratones han establecido conectividad funcional con el córtex de los animales y respondido a estímulos sensoriales externos, lo que abre la puerta a investigar su uso como prótesis neuronales para restaurar la función de regiones cerebrales perdidas, degeneradas o dañadas.
Los organoides implantados reaccionaron a estímulos visuales del mismo modo que los tejidos circundantes, una observación que los investigadores pudieron realizar en tiempo real durante varios meses gracias a un innovador montaje experimental que combina matrices de microelectrodos de grafeno transparente e imágenes de dos fotones.
El equipo, dirigido por Duygu Kuzum, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de California en San Diego, detalla sus hallazgos en la revista 'Nature Communications'.
Los organoides corticales humanos se derivan de células madre pluripotentes inducidas humanas, que suelen derivarse a su vez de células de la piel. Estos organoides cerebrales han surgido recientemente como modelos prometedores para estudiar el desarrollo del cerebro humano, así como una serie de afecciones neurológicas.
Pero hasta ahora, ningún equipo de investigación había podido demostrar que los organoides cerebrales humanos implantados en la corteza del ratón fueran capaces de compartir las mismas propiedades funcionales y reaccionar a los estímulos de la misma manera. Esto se debe a que las tecnologías empleadas para registrar la función cerebral son limitadas y, por lo general, incapaces de registrar la actividad que dura apenas unos milisegundos.
El equipo dirigido por la UC San Diego pudo resolver este problema desarrollando experimentos que combinan matrices de microelectrodos fabricadas con grafeno transparente e imágenes de dos fotones, una técnica de microscopía que puede obtener imágenes de tejidos vivos de hasta un milímetro de grosor.
"Ningún otro estudio ha sido capaz de registrar óptica y eléctricamente al mismo tiempo", afirma Madison Wilson, primera autora del artículo. "Nuestros experimentos revelan que los estímulos visuales evocan respuestas electrofisiológicas en los organoides, que coinciden con las respuestas de la corteza circundante", abunda.
Los investigadores esperan que esta combinación de tecnologías innovadoras de registro neuronal para estudiar organoides sirva de plataforma única para evaluar exhaustivamente los organoides como modelos de desarrollo y enfermedad cerebral, e investigar su uso como prótesis neuronales para restaurar la función de regiones cerebrales perdidas, degeneradas o dañadas.
Investigar las disfunciones de las redes neuronales
"Esta configuración experimental abre oportunidades sin precedentes para investigar las disfunciones de las redes neuronales humanas que subyacen a las enfermedades cerebrales del desarrollo", afirma Kuzum.
El laboratorio de Kuzum desarrolló por primera vez los electrodos de grafeno transparente en 2014 y, desde entonces, ha ido perfeccionando la tecnología. Los investigadores utilizaron nanopartículas de platino para reducir 100 veces la impedancia de los electrodos de grafeno y mantener su transparencia. Los electrodos de grafeno de baja impedancia son capaces de registrar y obtener imágenes de la actividad neuronal tanto a macroescala como a nivel unicelular.
Colocando una matriz de estos electrodos sobre los organoides trasplantados, los investigadores pudieron registrar eléctricamente en tiempo real la actividad neuronal tanto del organoide implantado como de la corteza anfitriona circundante. Mediante imágenes de dos fotones, también observaron que los vasos sanguíneos del ratón crecían en el organoide y proporcionaban los nutrientes y el oxígeno necesarios al implante.
Los investigadores aplicaron un estímulo visual --un LED óptico de luz blanca-- a los ratones con organoides implantados, mientras estos se encontraban bajo microscopía de dos fotones. Observaron actividad eléctrica en los canales de electrodos situados sobre los organoides, lo que demostraba que estos reaccionaban al estímulo del mismo modo que el tejido circundante.
La actividad eléctrica se propagaba desde la zona más cercana a la corteza visual de la zona de organoides implantados a través de conexiones funcionales. Además, su tecnología de electrodos de grafeno transparente de bajo ruido permitió el registro eléctrico de la actividad en espiga del organoide y la corteza circundante del ratón.
Las grafenografías mostraron un aumento de la potencia de las oscilaciones gamma y una sincronización de fase entre los picos de los organoides y las oscilaciones lentas de la corteza visual del ratón. Estos resultados sugieren que los organoides habían establecido conexiones sinápticas con el tejido de la corteza circundante tres semanas después de su implantación y recibían información funcional del cerebro del ratón. Los investigadores continuaron estos experimentos multimodales crónicos durante once semanas y demostraron la integración funcional y morfológica de los organoides cerebrales humanos implantados con la corteza de los ratones anfitriones.
Los próximos pasos incluyen experimentos más prolongados con modelos de enfermedades neurológicas, así como la incorporación de imágenes de calcio al montaje experimental para visualizar la actividad de los picos en las neuronas de los organoides. También podrían emplearse otros métodos para rastrear las proyecciones axonales entre los organoides y la corteza del ratón.
"Prevemos que, más adelante, esta combinación de células madre y tecnologías de neurorregistro se utilizará para modelar enfermedades en condiciones fisiológicas, examinar posibles tratamientos en organoides específicos de pacientes y evaluar el potencial de los organoides para restaurar regiones cerebrales específicas perdidas, degeneradas o dañadas", afirma Kuzum.