Reconstrucción de la formación embrionaria de la columna vertebral humana para curar enfermedades óseas

Marina Sanaki-Matsumiya descubrió cómo cultivar somitas humanos en laboratorio a través de un proceso que refleja el desarrollo del tejido en el embrión.

Publicado originalmente por Nele Haelterman, PhD, el 5 de agosto de 2022

Marina Sanaki-Matsumiya, PhD, Postdoctoral Fellow, Laboratorio de Biología Sintética del Desarrollo, Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL), Barcelona

Desde que tiene memoria, Marina Sanaki-Matsumiya quiso entender los mecanismos que dan forma a los huesos que forman nuestros esqueletos. Nacida con una enfermedad genética en su esqueleto, esta bióloga del desarrollo estableció por primera vez un modelo in vitro para estudiar los tejidos embrionarios transitorios de ratón llamados somitas que forman su columna vertebral. ¹ Luego se unió al laboratorio de Miki Ebisuya en el campus del EMBL en Barcelona como becaria postdoctoral para continuar este trabajo con células madre humanas pluripotentes inducidas (iPSC). ² En un estudio publicado en Nature Communications, Sanaki-Matsumiya describió cómo crear organoides de somita humanos, o somitoides, que imitan el desarrollo del tejido in vivo.

¿Por qué es necesario estudiar la formación del somita humano in vitro?

La somitogénesis es un proceso de desarrollo complejo que envía ondas de cambios en la expresión génica a intervalos precisos, un proceso llamado reloj de segmentación, a través del mesodermo presomítico para hacer brotar somitas en el extremo anterior del tejido. Estudiamos la somitogénesis en organismos modelo, como ratones, polluelos y peces cebra, pero, aunque el proceso general es muy similar, existen algunas diferencias importantes. Debido a que la formación de somitas tiene lugar durante la embriogénesis, no podemos estudiar cómo se desarrolla este tejido en humanos, o cómo afectan al proceso las mutaciones que causan enfermedades óseas en humanos. Es por eso que queríamos desarrollar un modelo in vitro que imitara la formación y diferenciación de somitas en humanos.   

¿Cómo se cultivan somitoides?

Comenzamos cultivando iPSC humanas y formamos agregados en placas de pozos con fondo en U. Luego cambiamos el medio basal por un medio de inducción que activara los agregados para diferenciarse en mesodermo presomítico, y luego recubrimos los agregados de forma ovalada con Matrigel™ para apoyar su crecimiento. En este momento, los tejidos se autoorganizan y forman un eje anterior-posterior. Es también en este punto cuando se inducen los genes del reloj de segmentación, por lo que podemos ver ondas oscilatorias de expresión génica que van desde el extremo posterior hasta el extremo anterior del tejido. Cuando estas ondas alcanzan el extremo anterior, inducen a una población de células a epitelizarse, pellizcando un somita. Este proceso toma alrededor de cinco a seis horas en nuestro somitoide humano, pero solo toma de dos a tres horas en ratones, por lo que el ritmo de este proceso es bastante diferente entre especies. En promedio, cada agregado formará alrededor de 10 somitas.

Los científicos desarrollaron organoides humanos que imitan cómo y cuándo brotan los somitas del mesodermo presomita. Cortesía de Marina Sanaki-Matsumiya, EMBL-Barcelona.

¿Qué parte de este proceso te supuso un mayor reto?

La parte más difícil de este proyecto fue optimizar el protocolo. Pasamos más de dos años variando cada paso y reactivo, pero todavía no podíamos ver cómo se desarrollaban los somitas. El último reactivo que cambié fue el medio basal en el que cultivamos los organoides. Probé diferentes marcas comerciales, pero ninguna de ellas funcionó. Finalmente, volví al medio casero que utilicé durante mi doctorado para cultivar tejidos similares a somitas a partir de células madre embrionarias de ratón (ESC). A pesar de que este medio basal tiene la misma composición que su contraparte comercial, solo el que hicimos nosotros mismos apoyó la somitogénesis. Hay que ser persistente. Se necesita mucho tiempo para desarrollar el protocolo y hay muchos aspectos diferentes que pueden cambiar.

¿Cuáles son sus próximos pasos para este proyecto?

Ahora que hemos creado un modelo in vitro que recapitula la somitogénesis humana, nuestro objetivo es comprender mejor los mecanismos que regulan el reloj de segmentación y su sincronización. Para hacer esto, planeamos crear un "zoológico somitoide", utilizando el mismo protocolo para crear somitoides a partir de ratones, conejos, vacas y otros. Tenemos ESCs e iPSCs de muchas especies, obtenidos a través de colaboradores maravillosos, y queremos entender mejor los mecanismos subyacentes a la somitogénesis y cómo difiere entre diferentes organismos. Nuestro laboratorio también estudia la disostosis espondilocostal, una enfermedad esquelética que afecta la columna vertebral y las costillas. Estamos tratando de identificar los genes que causan esta enfermedad a través de la secuenciación del genoma completo y planeamos desarrollar modelos somitoides utilizando iPSCs de pacientes para comprender mejor lo que va mal durante el desarrollo esquelético.

Referencias

    M. Matsumiya et al., "Tejidos similares al mesodermo presomítico derivados de células madre embrionarias para el análisis de oscilaciones sincronizadas en el reloj de segmentación", Desarrollo, 145 (4) :d ev156836, 2018.

    M. Sanaki-Matsumiya et al., "Formación periódica de somitas epiteliales a partir de células madre pluripotentes humanas", Nat Commun, 13 (1): 2325, 2022.

Artículo original