Los organoides como nuevos modelos para la investigación biomédica

Beatriz Martinez Delgado. Investigadora Científica. Unidad de Genética Molecular.
Instituto de Investigación de Enfermedades Raras (IIER). Instituto de Salud Carlos III (ISCIII).

Durante los últimos diez años ha tenido lugar una explosión en el campo de la modelización de enfermedades in vitro, en particular con el desarrollo de los llamados organoides. Estos constituyen estructuras celulares tridimensionales (3D) derivados de células madre que se autoorganizan y se desarrollan de acuerdo con programas de desarrollo intrínsecos, y en los que la morfología resultante recapitula la arquitectura del órgano con una gran fidelidad. Por ello, los organoides representan una herramienta única para investigar los mecanismos implicados en el desarrollo de órganos, en su mantenimiento fisiológico normal y en los procesos de enfermedad.

Los organoides pueden derivarse a partir de diferentes tipos de células madre pluripotentes, como son por ejemplo las células madre embrionarias (ESC), capaces de diferenciarse a células especializadas procedentes de cualquier capa embrionaria; pero también células madre residentes en tejidos adultos (AdSC), que pueden generar células maduras y funcionales del tejido en cuestión; o por otro lado también a partir de células madre pluripotentes inducidas (iPSC), células adultas diferenciadas que son reprogramadas genéticamente para pasar a un estado similar al de las células madre embrionarias. Los organoides derivados de todas estas células pluripotentes tienen la capacidad de expandirse a largo plazo en cultivo, manteniendo su estabilidad genética, asemejándose a su contraparte in vivo y recapitulando al menos algunas funciones del órgano.

Se han desarrollado organoides de prácticamente todos los tejidos derivados tanto del ectodermo, endodermo o mesodermo. De los de origen ectodérmico se han desarrollado organoides de retina, pituitaria, oído interno, así como organoides cerebrales; del endodermo, como los de intestino delgado, tiroides, hígado, estómago, páncreas y pulmón; y del mesodermo como los de riñón, corazón, cartílago, hueso, órganos reproductivos y músculos.

Uno de los objetivos principales de los organoides humanos es su uso como modelos de enfermedades humanas con el fin de investigar mecanismos moleculares que intervienen en su desarrollo, identificar nuevos fármacos eficaces, establecer relaciones genotipo-fenotipo e incluso establecer biobancos para facilitar el estudio enfermedades específicas.

Aunque el modelado de enfermedades no ha hecho más que empezar, ya ha habido varios ejemplos de uso de cultivos de organoides para estudiar enfermedades humanas congénitas o adquiridas. La primera condición humana que se modeló mediante organoides intestinales fue la fibrosis quística (FQ) causada por mutaciones en un canal de cloruro (CFTR). Organoides intestinales derivados de pacientes con FQ adquirían características de la enfermedad, y no eran capaces de importar liquido tras la activación de cAMP, recapitulando la enfermedad in vitro. Esto demostró que los organoides intestinales eran ideales para la identificación de los pacientes respondedores al tratamiento con moduladores de CFTR, y se ha convertido en una prueba de tratamiento personalizado para pacientes con FQ.

Por otro lado, los organoides hepáticos derivados a partir de biopsias de pacientes con enfermedades genéticas, como la Deficiencia de Alfa-1 Antitripsina (DAAT) causada por mutaciones en el gen SERPINA1, recapitularon las características de la enfermedad. Estos organoides deficientes en AAT muestran polímeros aberrantes de la proteína AAT mutada que se acumulan en los hepatocitos y muestran un déficit de secreción de proteína al medio. Por otro lado, organoides hepáticos de pacientes con Síndrome de Alagille causado por mutaciones en el gen JAG1, muestran la falta de desarrollo de células biliares maduras observada en los pacientes. Los organoides hepáticos están siendo además muy útiles para testar nuevos tratamientos, y en un futuro podrán servir de base para la medicina regenerativa.

Los organoides han sido especialmente interesantes para el estudio de órganos particularmente inaccesibles, como el cerebro. A partir de ESCs o de iPSCs se han podido desarrollar diferentes tipos de organoides cerebrales, en estrategias no guiadas o guiadas hacia alguna parte concreta del cerebro. En particular, el trabajo pionero de Lancaster et al. (2013) utilizó una estrategia de diferenciación mínimamente guiada para generar cultivos de organoides cerebrales que recapitularon muchas regiones cerebrales distintas, incluida la corteza cerebral dorsal, las eminencias ganglionares, el mesencéfalo y el cerebro posterior, dentro de un solo organoide. En estos organoides cerebrales aparecen diferentes tipos celulares, neuronas, astrocitos corticales, oligodendrocitos y microglia, que se organizan en patrones laminares que se asemejan a las capas corticales. Además, hay múltiples evidencias de que los organoides cerebrales contienen neuronas que desarrollan sinapsis funcionales que exhiben excitabilidad intrínseca y responden a los bloqueadores sinápticos. Por otro lado, se han desarrollado también organoides mediante diferenciaciones dirigidas a otras regiones cerebrales, como el estriado, el hipocampo, hipotálamo, glándula pituitaria, tálamo, mesencéfalo, o cerebelo.

En los últimos años ha sido posible desarrollar organoides de un número creciente de enfermedades neurológicas ya que el desarrollo de iPSC de pacientes han permitido estudiar el efecto de mutaciones vinculadas a enfermedades neurológicas. Asi, por ejemplo, los organoides ofrecen la posibilidad de comprender el efecto de mutaciones genéticas causantes de microcefalia primaria, caracterizada por un tamaño reducido del cerebro. Los organoides cerebrales desarrollados utilizando iPSCs derivadas de pacientes con microcefalia primaria con mutaciones en el gen CDK5RAP2 eran significativamente más pequeños que los controles, y tenían una alteración en las divisiones de los progenitores neurales, causante del fenotipo.

Los organoides de mesencéfalo en concreto son útiles para estudiar el impacto de los defectos genéticos en esta región específica del cerebro asociada a determinadas enfermedades. Por ejemplo, la enfermedad de Parkinson (PD) es un trastorno neurodegenerativo caracterizado por la pérdida de neuronas dopaminérgicas en el mesencéfalo. El cultivo de organoides de mesencéfalo genera neuronas dopaminérgicas implicadas en la enfermedad, y los organoides formados a partir de iPSC derivadas de pacientes con Parkinson muestran una reducción del número y complejidad de las neuronas dopaminérgicas.

Aunque los organoides han demostrado ser unos sistemas muy potentes para la investigación de enfermedades, tienen también limitaciones. Debido a su naturaleza 3D, el tamaño de todos los organoides está limitado por el suministro de nutrientes. Debido a que los organoides carecen de vasos sanguíneos, su desarrollo y crecimiento dependen del medio circundante. Por otro lado, en los organoides no se representan muchas interacciones que ocurren entre diferentes tipos de células, por ejemplo, con el sistema inmune. Por ello ya se han iniciado, y se seguirán desarrollando más en el futuro, co-cultivos de distintos organoides, formando los llamados asembloides (organoides ensamblados), lo que permitirá el modelado funcional de procesos más complejos como las interacciones neuroinmunitarias entre muchas otras.