La inducción neuronal impulsada por morfógenos temporales estimula el crecimiento de organoides cerebrales expandidos con una mayor formación de neuroepitelio

En un estudio reciente publicado en Comunicaciones de la naturaleza, Los investigadores examinan los efectos del gradiente de morfógeno temporal durante la inducción neuronal (NI) en la formación de organoides cerebrales.

Estudiar: La inducción neuronal impulsada por gradiente de morfógeno temporal da forma a organoides cerebrales de neuroepitelio expandidos únicos 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 difícil de estudiar debido a la falta de sistemas modelo adecuados. Sin embargo, in vitro Los modelos de cerebro humano, incluidos esferoides u organoides, se han convertido en herramientas poderosas para estudiar el desarrollo del cerebro.

Los organoides cerebrales han sido fundamentales para revelar aspectos esenciales del desarrollo del cerebro; sin embargo, algunas características biológicas pueden recapitularse de forma limitada. Una característica morfológica distintiva dentro de cada organoide cerebral es el desarrollo espontáneo e incontrolado de rosetas, que representan unidades de neuroepitelio independientes que conducen a una heterogeneidad entre y dentro de los organoides.

Hallazgos del estudio

Después de la disociación del ser humano. células madre embrionarias y reagregación en cuerpos embrioides en medio de células madre, se empleó inhibición dual SMAD para NI cortical y se cambió a un medio NI de forma repentina o gradual.

En el protocolo gradual y por pasos, las células se expusieron a un gradiente prolongado y decreciente del medio de células madre y, al mismo tiempo, el medio NI se aumentó paso a paso. Organoides corticales (CO) de forma esférica se formaron con numerosas rosetas bajo NI repentina. Por el contrario, en la NI escalonada se hizo evidente una forma complicada que se hizo más pronunciada con el tiempo.

El día 14 fue visible un borde más claro con pliegues y crestas en el ápice, que se prolongó y se hizo más prominente hacia el día 24, lo que sugiere estructuras de neuroepitelio expandidas con NI escalonada.

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

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

Por el contrario, los organoides generados bajo NI gradual formaron un NCAD continuo, alargado, organizado radialmente y plegado.⁺ neuroepitelio que se asemejaba a una estructura similar a una zona ventricular (VZ). Los organoides formados con gradiente de NI se denominaron organoides de neuroepitelio expandido (ENO).

El factor de crecimiento transformante (TGF)-β y el factor de crecimiento de fibroblastos 2 (FGF2) fueron los principales morfógenos en el medio de células madre. Comparativamente, el medio NI contenía inhibidores de TGF-β (SB-431542) y proteína morfogenética ósea (BMP) (dorsomorfina).

Luego, los investigadores evaluaron si el gradiente controlado de TGF-β de niveles decrecientes de TGF-β y niveles crecientes de SB-431542 era responsable del fenotipo ENO. Para este fin, se generaron organoides bajo diferentes niveles de modulación de señalización de TGF-β durante la NI.

Los organoides generados al reducir 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 por SB-431542, los organoides eran morfológicamente más similares a los CO. Experimentos adicionales sugirieron 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, la homeocaja 2 de los espiráculos vacíos (EMX2) y la caja pareada 6 (PAX6), los ENO exhibieron una mayor proporción de PAX6.⁺ células en la VZ en diferentes momentos. Además, la expresión de PAX2 fue homogénea y estuvo presente en áreas germinales del neuroepitelio expandido en ENO. Comparativamente, PAX2⁺ Las células estaban dispersas en estructuras de roseta en CO.

Estos datos sugirieron una especificación cortical mejorada de los ENO. El neuroepitelio era significativamente más grueso en ENO que en rosetas de CO. El perímetro apical de las estructuras de 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 la transición retrasada a la glía radial neurogénica, una característica del desarrollo del cerebro humano. Las células progenitoras apicales en ENO exhibieron procesos apicales-basales más largos y núcleos densamente empaquetados con una forma alargada en la VZ que los núcleos de CO.

Conclusiones

Los hallazgos del estudio resaltan que una NI impulsada por un gradiente de morfógeno temporal podría influir en el desarrollo de organoides. Específicamente, el gradiente temporal durante la NI determina la formación de organoides compuestos por un neuroepitelio apical expandido, en lugar de la aparición incontrolada de rosetas.

En los ENO se observaron un mayor grosor de la VZ, núcleos y formas celulares alargados y una superficie celular apical más grande, todas las cuales son características de un 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 un cerebro humano en desarrollo.