Recuperación de embriones tempranos con células madre

En un esfuerzo por comprender las primeras etapas de la vida y cómo pueden salir mal, los científicos enfrentan problemas éticos relacionados con el uso de embriones humanos. El uso de embriones de animales también está sujeto a restricciones basadas en consideraciones éticas. Para superar estas limitaciones, los científicos han intentado recrear embriones tempranos utilizando células madre.

Uno de los desafíos en la creación de estos embriones sintéticos es crear todos los tipos de células que normalmente se encuentran en un embrión joven antes de que se implante en la pared del útero. Algunas de estas células eventualmente conducen a la placenta. Otros se convierten en el saco amniótico en el que crece el feto. Tanto la placenta como el saco amniótico son fundamentales para la supervivencia del feto, y los defectos en estos componentes del embrión son las principales causas de la pérdida temprana del embarazo.

Un grupo de científicos de los Institutos Gladstone, el Centro de Investigación y Aplicación de Células iPS (CiRA) de la Universidad de Kyoto y el Centro RIKEN para la Investigación de la Dinámica del Biosistema en Kobe, Japón, ahora han demostrado la presencia de precursores de la placenta y el amniótico sac en los sintéticos Desarrollaron embriones a partir de células madre de ratón.

“Nuestros resultados proporcionan una fuerte evidencia de que nuestro sistema es un buen modelo para estudiar las etapas previas a la implantación del desarrollo embrionario”, dice el Dr. Kiichiro Tomoda, investigador del recientemente inaugurado iPS Cell Research Center en Gladstone y autor principal del estudio publicado en la revista. Informes de células madre. “Con este modelo, podemos analizar los eventos moleculares que tienen lugar en estas primeras etapas y las señales que las diversas células embrionarias se envían entre sí”.

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En última instancia, este conocimiento podría ayudar a los científicos a diseñar estrategias para reducir la infertilidad debido a un desarrollo embrionario temprano fallido.

Los nuevos hallazgos también podrían arrojar luz sobre una propiedad definitoria de las primeras células embrionarias que era difícil de evaluar en el laboratorio: su capacidad para producir todos los tipos de células que se encuentran en el embrión y, en última instancia, en todo el cuerpo. Los científicos se refieren a esta propiedad como “totipotencia”.

“La totipotencia es una propiedad muy única y de corta duración de las células embrionarias tempranas”, dice el Dr. Cody Kime, investigador del RIKEN Center for Biosystem Dynamics Research y autor principal del estudio.

“Fue mucho más difícil usar la pluripotencia en el laboratorio”, agrega, refiriéndose a la capacidad de algunas células para producir múltiples tipos de células, pero no todos. “Una perspectiva muy interesante de nuestro trabajo es la capacidad de comprender cómo podemos reprogramar células en el laboratorio para lograr la totipotencia”.

Crecimiento de los componentes básicos de los embriones tempranos en el laboratorio

Para crear embriones sintéticos, los científicos utilizaron células madre pluripotentes de ratón, que normalmente solo producen el feto, no la placenta ni el saco amniótico. Puede cultivar estas células, llamadas células madre del epiblasto, y multiplicarlas en el laboratorio durante un período de tiempo indefinido.

En un trabajo anterior, el equipo había descubierto una combinación de nutrientes y productos químicos que pueden hacer que las células madre del epiblasto se ensamblen en estructuras de células pequeñas que son muy similares a los embriones preimplantados. De hecho, si se transfirieran a ratones hembras, las estructuras podrían incluso llegar a la etapa de implantación, aunque poco después degeneraron.

Esto significó que pudimos reprogramar con éxito las células del epiblasto para volver a una etapa anterior cuando las células embrionarias eran totipotentes, y proporcionó una indicación de cómo podríamos crear tanto el feto como los tejidos que sostienen su implantación. “

Kiichiro Tomoda, profesor de programa específico en CiRA

Para aprovechar este trabajo y comprender mejor el proceso de reprogramación, los científicos necesitaban una resolución molecular. En su nuevo estudio, recurrieron a la secuenciación de ARN unicelular, una técnica que permite a los científicos examinar células individuales en función de los genes que activan o desactivan.

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Después de analizar miles de células individuales reprogramadas a partir de células madre del epiblasto y filtrar los datos mediante un análisis computarizado, confirmaron que después de 5 días de reprogramación, algunas células eran muy similares a los tres precursores del feto, la placenta y el saco amniótico.

Además, dado que los tres tipos de células se cultivaron en el laboratorio durante unos días más, mostraron perfiles moleculares más claros con un parecido notable con las células modelo embrionarias reales. Esto es lo mismo que se esperaría durante el crecimiento de un embrión normal si los tres tejidos tuvieran diferentes propiedades físicas y funciones biológicas.

“Nuestro análisis de secuenciación de ARN de una sola célula confirma la génesis de los tipos de células en nuestro sistema de embriones sintéticos que conducen a los tres componentes básicos de un embrión de mamífero temprano”, dice Kime. “También revela con asombroso detalle los genes y las vías biológicas involucradas en el desarrollo de estos precursores y su maduración en tejidos específicos”.

Este conocimiento proporciona una base integral para comprender los mecanismos del desarrollo embrionario temprano y las posibles causas de su falla.

Actualmente, los científicos están planeando desarrollar formas de aumentar la eficiencia de su proceso de reprogramación con el fin de producir de manera confiable grandes cantidades de embriones sintéticos similares a la preimplantación para estudios adicionales. Esto les permitiría realizar experimentos antes impensables, como: B. Estudios a gran escala de mutaciones genéticas que alteran los primeros embriones. Y puede arrojar luz sobre las causas de la pérdida del embarazo debido a la insuficiencia embrionaria temprana.

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También desea comprender mejor los pasos moleculares involucrados en la reprogramación. En particular, planean estudiar el proceso de reprogramación antes de los 5 días con la esperanza de localizar células verdaderamente totipotentes en el origen de sus embriones sintéticos.

“El descubrimiento de que podíamos reprogramar células para asumir estados más tempranos y pluripotentes, revolucionó la biología del desarrollo hace 15 años”, dice Tomoda sobre el descubrimiento de células madre pluripotentes inducidas por su mentor y el de Kimes, el premio Nobel Shinya Yamanaka.

“En los últimos años, el campo de la embriología sintética que utiliza células madre ha experimentado una verdadera explosión”, dice. “Nuestro método para crear embriones sintéticos es más simple que otros y muy eficiente. Creemos que será un gran recurso para muchos laboratorios”.

Fuente:

Referencia de la revista:

Tomoda, K., et al. (2021) Reprogramación de células madre de epiblasto en células similares a células de blastocisto antes de la implantación. Informes de células madre. doi.org/10.1016/j.stemcr.2021.03.016.

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