Bioingenieros crean tejido cerebral funcional en 3D

 

Un grupo de bioingenieros han creado un tejido cerebral tridimensional que funciona y tiene características estructurales similares a los tejidos en el cerebro de la rata. El tejido pudo mantenerse vivo en el laboratorio durante más de dos meses.

Neuronas 3D

Como primera demostración de su potencial, los investigadores utilizaron el tejido cerebral para estudiar los cambios químicos y eléctricos que ocurren inmediatamente después de una lesión traumática del cerebro y, en un experimento por separado, los cambios que se producen en respuesta a un fármaco. El tejido podría proporcionar un modelo superior tanto para el estudio de la función cerebral normal, como de las lesiones y enfermedades neuronales y podría ayudar en el desarrollo de nuevos tratamientos para la disfunción cerebral.

El tejido cerebral se desarrolló en el Centro de Recursos de Tejido de Ingeniería en la Universidad de Tufts, (Boston, USA) y fue financiado por el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería (NIBIB) para establecer biomateriales innovadores y modelos para la ingeniería de tejidos.

Actualmente, los científicos crecen las neuronas en placas de petri para estudiar su comportamiento en un entorno controlable. Sin embargo, las neuronas cultivadas en dos dimensiones son incapaces de replicar la compleja organización estructural del tejido cerebral, que consiste en regiones separadas de las materias gris y blanca. Debido a las lesiones cerebrales y las enfermedades que suelen afectar a estas áreas de manera diferente, se necesitan modelos que exhiban compartimentos de ambas materias.

Recientemente, los ingenieros de tejidos han intentado cultivar las neuronas en entornos de geles tridimensionales donde pueden establecer libremente las conexiones en todas las direcciones. Sin embargo, estos modelos de tejidos en base de gel no viven mucho tiempo y dejan de producir  la función neuronal. Esto es debido principalmente a que el ambiente extracelular es una matriz compleja en la que las señales locales establecen diferentes zonas que estimulan el crecimiento celular y/ o el desarrollo de  distinta  manera. Sin embargo el espacio para que las neuronas crezcan en las tres dimensiones no es suficiente.

En la edición temprana en línea del 11 de agosto de la revista Proceedings de la Academia Nacional de Ciencias , un grupo de bioingenieros han desarrollado con éxito un tejido cerebral funcional en 3D que presenta compartimentación de la materia blanca y gris  y que pudo sobrevivir en el laboratorio durante más de dos meses.

La clave para generar el tejido cerebral fue la creación de una nueva estructura compuesta por dos biomateriales con propiedades físicas diferentes: un andamio esponjoso hecho de proteína de seda y un gel a base de colágeno más suave. El andamio sirve como una estructura en la que las neuronas podrían anclarse, y el gel permitió el crecimiento axonal a través de él.

Durante un período de varias semanas, los investigadores llevaron a cabo experimentos para determinar la salud y la función de las neuronas que crecieron en el tejido cerebral en 3D y compararlas con las neuronas cultivadas en un entorno-gel con sólo colágeno o en un plato 2D.

Los investigadores encontraron que las neuronas de los tejidos del cerebro en 3D tuvieron una mayor expresión de genes implicados en el crecimiento y la función de las neuronas. Además, las neuronas cultivadas en el tejido cerebral 3D mantienen la actividad metabólica estable durante cinco semanas, mientras que la salud de las neuronas cultivadas en el medio gel comenzaron a deteriorarse dentro de las 24 horas. En lo que respecta a la función, las neuronas en el tejido cerebral en 3D también exhibieron una mayor actividad eléctrica y capacidad de respuesta que imitan las señales observadas en el cerebro intacto, incluyendo un patrón de respuesta electrofisiológico típico de una neurotoxina.

Con el sistema que desarrollaron es posible un seguimiento de la respuesta de los tejidos a la lesión cerebral traumática en tiempo real. Lo más importante es que también permitirá realizar un seguimiento de la reparación y lo que ocurre en períodos más largos de tiempo.

Referencia

Min D. Tang-Schomer, James D. White, Lee W. Tien, L. Ian Schmitt, Thomas M. Valentin, Daniel J. Graziano, Amy M. Hopkins, Fiorenzo G. Omenetto, Philip G. Haydon, and David L. Kaplan. Bioengineered functional brain-like cortical tissuePNAS, August 11, 2014 DOI: 10.1073/pnas.1324214111

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Francisco P. Chávez Profesor Asistente, Laboratorio de Microbiología Molecular y Biotecnología Departamento de Biología Facultad de Ciencias Universidad de Chile

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Francisco P. Chávez Ph.D
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