Comprender cómo un organismo complejo se desarrolla a partir de una única célula es uno de los desafíos fundamentales en la biología. Este proceso implica la aparición de centenares de tipos celulares diferentes a lo largo del desarrollo embrionario, a partir de un embrión unicelular resultante de la fecundación.
Para abordar estas cuestiones en mamíferos, el laboratorio de Magdalena Zernicka-Goetz ha logrado reproducir las fases iniciales del desarrollo de un embrión de ratón en el laboratorio, sin la necesidad de un útero materno o la fecundación tradicional. En su lugar, han utilizado diferentes tipos de células troncales embrionarias (células madre) que, al mezclarse adecuadamente, dan lugar a una estructura biológica que se asemeja a un embrión natural.
Desarrollo de Embriones Sintéticos de Ratón
El desarrollo extrauterino de estos embriones sintéticos se lleva a cabo en un incubador artificial diseñado para simular las condiciones fisiológicas del útero materno. Estos embriones sintéticos alcanzan una fase equivalente a la de los embriones naturales con 8-9 días de gestación, lo que representa casi la mitad del período de embarazo en ratones (19-20 días).
El equipo de la profesora Zernicka-Goetz en la Universidad de Cambridge ha conseguido un avance significativo al desarrollar un modelo de embrión sin óvulos ni espermatozoides, a partir de células madre. Los investigadores imitaron los procesos naturales guiando tres tipos de células madre presentes en las primeras etapas del desarrollo de mamíferos para que interactuaran entre sí. Al inducir la expresión de un conjunto concreto de genes y crear un entorno único, lograron que las células madre se autoorganizaran en estructuras que progresaron a través de las sucesivas etapas de desarrollo.
Los embrioides obtenidos, sin señales externas, adquieren la organización espacial de los embriones normales y progresan hacia las primeras fases del desarrollo, estableciendo las diferentes regiones cerebrales, una estructura latente similar al corazón y un tubo digestivo primitivo. “Nuestro modelo de embrión de ratón no solo desarrolla un cerebro sino también un corazón que late, todos los componentes que se necesitan para formar el cuerpo”, indica Magdalena Zernicka-Goetz, catedrática de Biología de Células Madre y Desarrollo de Mamíferos en la Universidad de Cambridge y directora del estudio.
Aplicaciones y Potencial de los Embriones Sintéticos
Dado que estos embriones sintéticos derivan de células embrionarias troncales en cultivo, pueden generarse también a partir de células que contengan alguna mutación en algún gen, permitiendo investigar directamente el efecto de esa mutación en las fases iniciales del desarrollo. Esta capacidad ofrece un privilegio que los investigadores no tenían antes con los embriones de mamífero.
Los modelos de embriones sintéticos ofrecen un modelo de interés para estudiar el desarrollo temprano del cerebro. A diferencia de los modelos previos basados en células madre embrionarias derivadas del epiblasto, que no capturaban en detalle la formación del tubo neural y otros procesos del neurodesarrollo, el trabajo de Zernicka-Goetz muestra que los embriones sintéticos progresan en la neurulación y desarrollo nervioso de forma similar a los embriones normales, tanto en morfología como en expresión génica. Esto abre nuevas posibilidades para estudiar los mecanismos del neurodesarrollo en un modelo experimental.
Además, el equipo de Zernicka-Goetz ha demostrado que, en ausencia del gen PAX6, los embriones sintéticos presentan los mismos defectos conocidos en el desarrollo cerebral que se observan en animales con la mutación.
Crean el primer embrión artificial de ratón con células madre
Limitaciones y Consideraciones Éticas
A pesar de su potencial, esta tecnología aún es muy ineficiente, con una baja proporción de cultivos que derivan en embriones sintéticos. Además, estos embriones sintéticos no se desarrollan más allá del día 8, por razones aún no claras. Alfonso Martínez Arias, profesor e investigador senior en la Universidad Pompeu Fabra, señala que aún no está claro cómo este sistema sustituirá a los sistemas animales que proporcionan embriones de forma más eficiente y robusta.
La perspectiva de utilizar modelos humanos similares para la generación de órganos específicos o para comprender procesos embrionarios que no se pueden estudiar en embriones reales plantea importantes cuestiones legales y éticas, similares a las surgidas con la clonación o la edición del genoma. La legislación actual, como la británica, solo permite el estudio de embriones humanos en el laboratorio hasta el día 14 de desarrollo.
Métodos de Cultivo y Análisis de Embriones de Ratón
Cultivo de Embriones de Ratón
El cultivo de embriones de ratón in vitro es un método fundamental en la biología del desarrollo de mamíferos y en la investigación de defectos congénitos. El medio EmbryoMax® Advanced KSOM Medium es una solución "todo en uno" para la recolección y el cultivo de embriones de ratón, reemplazando los sistemas tradicionales de dos pasos que requieren formulaciones separadas. Este medio avanzado facilita la creación de ratones transgénicos knockout.
Etapas del Desarrollo Embrionario del Ratón
- Día 0: Fecundación
- Día 1: Cigoto
- Día 1-2: Segmentación inicial
- Día 2: Mórula
- Día 2-3: Blastocisto temprano
- Día 3-4: Blastocisto avanzado (eclosión de la zona pelúcida)
Evaluación de Ovocitos y Embriones mediante Inteligencia Artificial y Microscopía Hiperespectral
En un estudio, Albert Parra y colaboradores han utilizado métodos de inteligencia artificial (IA) combinados con microscopía hiperespectral para evaluar la calidad metabólica de ovocitos y embriones de ratón sin causarles daño. El modelo, denominado METAPHOR, analiza cientos de imágenes que contienen información sobre numerosos metabolitos de los embriones y ovocitos en pocos minutos.
Aunque los experimentos se realizaron con un número limitado de muestras en un modelo animal, este estudio proporciona una validación inicial interesante del uso de la microscopía hiperespectral, un método para evaluar el nivel de moléculas autofluorescentes en células vivas, para determinar la viabilidad en ovocitos y embriones. Esta tecnología puede diferenciar correctamente entre embriones con distintos perfiles metabólicos, lo que podría ayudar a identificar aquellos con mayores posibilidades de implantarse y dar lugar a un embarazo viable.
La microscopía hiperespectral, gracias a su capacidad para leer varias señales al mismo tiempo e interpolarlas en un complejo retrato metabólico del embrión, puede proporcionar una mayor granularidad analítica y el nivel de precisión y sensibilidad necesarios para demostrar su utilidad clínica. Esto es crucial, ya que intentos previos con tecnologías afines como FLIM, aunque tuvieron éxito parcial, no alcanzaron el nivel de utilidad clínica esperado.
Estos estudios con ovocitos y embriones que permiten su selección y clasificación son prometedores y avanzan rápidamente. La aplicación del trabajo de Parra en humanos podría no tardar, pero se necesitan más estudios para conocer su verdadera aplicación en la selección embrionaria y el aumento de las tasas de nacido vivo.
Sistemas de Identificación de Embriones por Etiquetado Directo
Investigadores del Departamento de Biología Celular, Fisiología e Inmunología de la UAB, en colaboración con el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) del CSIC, han desarrollado un sistema de identificación de ovocitos y embriones que permite etiquetarlos individualmente con códigos de silicio. Esta investigación, publicada en Human Reproduction, es una primera aproximación al diseño de un sistema de etiquetado directo de ovocitos y embriones.
Los códigos de silicio, de tamaño microscópico y fabricados mediante técnicas de microelectrónica, han sido insertados por microinyección en el espacio perivitelino de los embriones de ratón (entre la célula y la zona pelúcida). Los investigadores han demostrado que los embriones etiquetados se desarrollan correctamente en cultivo hasta el estadio de blastocisto, la fase previa a la implantación. También han estudiado la retención de los códigos durante el cultivo, la facilidad de lectura al microscopio y su eliminación cuando el embrión se libera de la zona pelúcida.
Actualmente, se trabaja en la mejora del proceso de liberación del embrión del código, modificando la superficie de los códigos para evitar la microinyección y permitir su adhesión a la parte externa de la zona pelúcida, haciendo el sistema más viable.