En un estudio reciente publicado en Comunicaciones de la naturaleza, Los investigadores están estudiando los efectos de un gradiente morfogenético temporal durante la inducción neuronal (NI) en la organogénesis cerebral.

Estancia: La neuroinducción morfogénica temporal impulsada por gradiente forma organoides cerebrales neuroepiteliales agrandados con identidad cortical mejorada. Haber de imagen: sdecoret/Shutterstock.com

¿Cómo se estudia el desarrollo del cerebro?

El desarrollo del cerebro humano es único en comparación con el de otros mamíferos y es difícil de estudiar debido a la falta de sistemas modelo adecuados. sin embargo, en el laboratorio Los modelos del cerebro humano, incluidos los esferoides u organoides, se han convertido en herramientas poderosas para estudiar el desarrollo del cerebro.

Los organoides cerebrales han sido cruciales a la hora de revelar aspectos fundamentales del desarrollo del cerebro; Sin embargo, algunas características biológicas se pueden resumir de forma limitada. Una característica morfológica distintiva dentro de cada organoide cerebral es el desarrollo espontáneo e incontrolado de rosetas, que representan unidades neuroepiteliales independientes que dan lugar a heterogeneidad inter e intraorganoide.

Resultados

Después de la disociación y reensamblaje de células madre embrionarias humanas en cuerpos embrionarios en el medio de células madre, se aplicó una inhibición dual de SMAD a la NI cortical y se cambió al medio NI de forma repentina o gradual.

En el protocolo paso a paso, las células se expusieron a un gradiente decreciente y a largo plazo de medio de células madre y, al mismo tiempo, se aumentó gradualmente el medio NI. Los organoides de crustáceos (CO) esféricos se forman con numerosas rosetas bajo una NI repentina. Por el contrario, bajo la IN progresiva se hizo evidente una forma torcida que se hizo más pronunciada con el tiempo.

Los bordes claros característicos con pliegues y crestas en el ápice fueron visibles el día 14, que se expandieron y se hicieron más prominentes hacia el día 24, lo que indica estructuras neuroepiteliales expandidas con NI progresiva.

La circulación se redujo sorprendentemente bajo NI progresiva y las áreas de organoides aumentaron significativamente en los días 20 y 25. Los organoides generados mediante un protocolo comercial también mostraron una morfología esférica.

La organización celular se analizó mediante inmunotinción con N-cadherina (NCAD). CO contenidos NCAD⁺ Las células son una colección de rosetas nerviosas de diferentes formas y tamaños en los días 16 y 24.

Por el contrario, los materiales orgánicos generados bajo NI progresiva formaron NCAD continuo, alargado, organizado radialmente y plegado.⁺ Neuroepitelio cuya estructura se asemeja a la zona ventricular (VZ). Los organoides formados a partir del gradiente NI se han denominado organoides neuroepiteliales expandidos (ENO).

El factor de crecimiento transformante (TGF) -β y el factor de crecimiento de fibroblastos 2 (FGF2) fueron factores morfológicos importantes en el entorno de las células madre. Comparativamente, el medio NI contiene TGF-β (SB-431542) e inhibidores de la proteína morfogenética ósea (BMP) (dorsomorfina).

A continuación, los investigadores evaluaron si un gradiente controlado por TGF-β de niveles disminuidos de TGF-β y niveles aumentados de SB-431542 era responsable del fenotipo ENO. Para este fin, se generaron organoides bajo diferentes niveles de modulación de la señalización de TGF-β durante la NI.

Los organoides generados reduciendo gradualmente los niveles de TGF-β sin contrarrestarlos con SB-431542 eran fenotípicamente idénticos a los ENO. Cuando el TGF-β del medio se eliminó repentinamente y se reemplazó con SB-431542, la materia orgánica era morfológicamente más similar al CO2. Experimentos adicionales indicaron que los ENO experimentaron diferenciación neuronal después de una fase prolongada de expansión de células madre.

Aunque tanto los CO como los ENO fueron positivos para los marcadores progenitores corticales, homeótico vacío 2 (EMX2) y caja emparejada 6 (PAX6), los ENO mostraron una mayor proporción de PAX6.⁺ Células en la VZ en diferentes momentos temporales. Además, la expresión de PAX2 fue homogénea y se ubicó en las regiones germinales del neuroepitelio expandido en los ENO. Comparativamente, PAX2⁺ Las celdas estaban esparcidas en estructuras rosas en las oficinas en los países.

Estos datos sugirieron una especificación cortical mejorada de los ENO. El neuroepitelio era significativamente más grueso en las ENO que en las rosetas de CO. La circunferencia apical de las estructuras en roseta disminuyó entre los días 16 y 24, mientras que los ENO no mostraron esta disminución.

Las células a lo largo del lado apical de las estructuras tipo VZ en ENO tenían una superficie apical significativamente mayor que las células en las estructuras en roseta. En particular, un área de superficie apical celular ampliada se ha relacionado con un retraso en la transición a la glía radial neuronal, una característica del desarrollo del cerebro humano. Las células progenitoras apicales en ENO mostraron procesos apicales-basales más largos y núcleos densamente empaquetados con una forma alargada en la VZ en comparación con los núcleos de CO.

Conclusiones

Los resultados del estudio resaltan que la NI morfogénica temporal impulsada por gradientes puede influir en el desarrollo de organoides. Específicamente, el gradiente temporal durante la NI determina la formación de organoides compuestos de neuroepitelio apical expandido, en lugar de la apariencia desordenada de rosetas.

En los ENO se observaron un aumento del grosor de la VZ, el alargamiento de los núcleos y la forma de las células, y superficies celulares apicales más grandes, todos los cuales son característicos del cerebro humano en desarrollo. En general, los ENO representan una plataforma para estudiar el desarrollo temprano del cerebro cortical humano y la compleja relación entre los estados celulares y la arquitectura de los tejidos en el cerebro humano en desarrollo.