Organoides de laboratori que imiten el cervell

The New York TimesUn miler d’esferes diminutes de neurones viatgen per l’espai a 400 km per sobre del cap d’Alysson Muotri. Aquests aglomerats de neurones, anomenats organoides cerebrals, es van cultivar unes quantes setmanes abans al laboratori d’aquest biòleg del campus de San Diego de la Universitat de Califòrnia. El Dr. Muotri i el seu equip van alterar cèl·lules cutànies humanes per convertir-les en cèl·lules mare. Tot seguit, les van estimular perquè es desenvolupessin de la mateixa manera que ho fan les neurones en un embrió.

Els organoides van créixer fins a assolir la mida d’un cap d’agulla format per centenars de milers de cèl·lules de tipus diversos, cadascun dels quals produïa les mateixes substàncies químiques i senyals elèctrics que emeten les cèl·lules d’aquesta mena que es troben al nostre cervell. Al mes de juliol, la NASA va empaquetar i embarcar els organoides a bord d’un coet i els va enviar a l’Estació Espacial Internacional per veure com es desenvolupen en un medi amb gravetat zero. Allà, els organoides vivien a l’interior d’una caixa metàl·lica, alimentats per bosses d’un brou nutritiu. “Em sembla que a hores d’ara s’estan reproduint com a bojos, o sigui que tindrem organoides més grossos”, diu el Dr. Muotri en una entrevista.

En què s’estan convertint exactament? Aquesta pregunta fa rumiar els científics i els filòsofs per igual. El 29 d’agost, el Dr. Muotri i el seu equip van informar que havien registrat ones cerebrals simples en aquests organoides. En un cervell humà madur, aquestes ones són producte de l’activació sincrònica d’àmplies xarxes de neurones. Els diversos patrons d’ones estan vinculats amb formes particulars d’activitat cerebral, com ara la recuperació de records o els somnis. Els investigadors també han descobert que, a mesura que els organoides maduren, les ones que emeten canvien d’una manera semblant a com ho fan les del cervell dels nadons prematurs durant el seu desenvolupament. “És d’allò més fascinant”, diu Giorgia Quadrato, una neurobiòloga de la Universitat del Sud de Califòrnia que no ha participat en l’estudi. “Ningú no sabia si era possible”.

Tanmateix, la Dra. Quadrato recalca que és important no anar gaire lluny a l’hora d’establir paral·lelismes. El que produeixen ella, el Dr. Muotri i altres experts en organoides són aglomerats de neurones que es reprodueixen, no pas cervells de veritat. “La gent dirà: «Ah, són com el cervell d’un nadó prematur» -comenta-. No, no ho són”.

Han passat sis anys des que els científics van crear el primer organoide cerebral a partir de cèl·lules cutànies humanes, i avui dia se’n cultiven en laboratoris d’arreu del món. Això dona als científics accés a una nova finestra per observar les etapes primerenques del desenvolupament del cervell humà.

Amb l’article publicat a finals d’agost a la revista Cell Stem Cell, l’interrogant sobre què poden arribar a ser els organoides cerebrals es torna més urgent. “Alguns col·legues em diuen: «No, això no tindrà mai consciència» -explica el Dr. Muotri-. Ara no ho tinc tan clar”.

Christof Koch, científic en cap i president de l’Institut Allen de Recerca sobre el Cervell de Seattle, assenyala que, si la ciència arribés a produir organoides amb una mínima autoconsciència, sorgiria un greu problema ètic. “Com més ens acostem a aquest objectiu, més probable serà que obtinguem un cervell capaç de sentir i de patir dolor, angoixa i aflicció”, explica.

Un fracàs estrepitós

En biologia, hi ha poques coses més difícils d’estudiar que el desenvolupament del cervell humà. En general, els científics s’han acontentat amb indicis indirectes obtinguts d’estudis amb animals, com ara ratolins i primats. Tot i això, el cervell humà és tan distintiu que resulta difícil traslladar-hi els resultats d’una altra espècie. Per aquest motiu, històricament els fruits de la recerca destinada al tractament de trastorns que tenen el seu origen en el cervell, com ara l’autisme o l’esquizofrènia, han estat decebedors. “Estem fracassant estrepitosament -comenta el Dr. Muotri-. Podem curar algunes malalties en animals, però no podem traslladar aquests resultats als humans”.

El 2006, Shinya Yamanaka, un biòleg de la universitat japonesa de Kyoto, va encetar una nova via per estudiar el cervell humà. Va descobrir una combinació de quatre proteïnes capaç de transformar cèl·lules cutànies normals en cèl·lules mare, les quals al seu torn es poden convertir en neurones, músculs o diversos tipus de cèl·lules de la sang. A partir d’aquest progrés, altres investigadors van aprendre a cultivar cèl·lules mare de manera que es desenvolupin com òrgans en miniatura en una placa de Petri. Així mateix, el 2013 un equip de recerca austríac va aconseguir per primera vegada produir un petit organoide cerebral amb una vida breu.

El Dr. Muotri, que fins llavors s’havia dedicat a estudiar neurones obtingudes de persones amb autisme, va aprendre de seguida a convertir cèl·lules mare en organoides cerebrals de manera autodidacta. “El més increïble és que es formen tot sols”, comenta. Si se’ls proporcionen les condicions idònies, ells mateixos es fan càrrec del seu desenvolupament. Ara, Cleber Trujillo, científic del projecte, supervisa el creixement de milers d’organoides en una sala de cultiu de teixits del laboratori del Dr. Muotri. “Aquí és on passem la meitat del dia”, diu assenyalant les bateries de frigorífics, incubadores i microscopis.

Els organoides cerebrals donen molta feina perquè conrear-los té més a veure amb fer un suflé que no pas amb un experiment químic. Els científics han de substituir el brou en què es desenvolupen les cèl·lules constantment i vigilar les mateixes cèl·lules. “Les hem d’orientar -comenta el Dr. Trujillo-. Si no, es converteixen en altres coses”.

Si tot va com està previst, les cèl·lules esdevenen organoides cerebrals. Es converteixen en grumolls a l’interior dels quals es formen túnels. Les anomenades cèl·lules progenitores envolten els túnels i els creixen cables. Altres cèl·lules s’arrosseguen al llarg dels cables i van formant anelles successives. En molts sentits, aquestes cèl·lules són equiparables amb les del nostre còrtex. Fins i tot formen una superfície que es doblega sobre si mateixa.

En un cert moment, el Dr. Trujillo agafa una safata translúcida com les de fer magdalenes i l’aixeca per damunt del seu cap. Els llums del sostre il·luminen centenars d’esferes pàl·lides minúscules. Als dos mesos, les cèl·lules de l’interior de cada organoide en conformen l’estructura amb una xarxa de branques adherents. “Els agrada que hi hagi contacte entre unes i altres”, comenta el Dr. Trujillo amb veu afectuosa.

El Dr. Muotri i el seu equip utilitzen els organoides cerebrals per dur a terme experiments relacionats amb diverses malalties. A tall d’exemple, han infectat organoides amb el virus del Zika per tal d’entendre millor com causa greus danys cerebrals als nadons. L’any passat, els investigadors van descobrir que un fàrmac denominat sofosbuvir, la comercialització del qual ja està autoritzada per tractar l’hepatitis, protegeix els organoides cerebrals de la infecció. El Dr. David Baud, un expert en Zika de la universitat suïssa de Lausana que no ha participat en l’estudi, ho qualifica com un “descobriment prometedor” que difícilment s’hauria produït estudiant ratolins o neurones de manera aïllada. “Els organoides constitueixen la millor alternativa”, afirma.

Fabio Papes, neurocientífic de la universitat brasilera de Campinas, és del mateix parer pel que fa als organoides i l’estudi dels trastorns cerebrals hereditaris. El Dr. Papes col·labora amb el Dr. Muotri en l’estudi d’una malaltia anomenada síndrome de Pitt-Hopkins. És una malaltia rara. Els infants que la pateixen són incapaços de parlar i pateixen crisis epilèptiques recurrents. El Dr. Papes cultiva organoides a partir de cèl·lules de la pell donades per pacients amb la finalitat d’entendre per què certes mutacions provoquen la malaltia. “Per a aquesta malaltia concreta, els ratolins no serveixen -explica-. I evidentment no es pot obrir el cap a una criatura per veure què hi passa. O ho fem d’aquesta manera o no ho fem”.

Una massa crítica

El 2016, Priscilla Negraes, que llavors exercia de científica de projecte al laboratori del Dr. Muotri, va començar a interessar-se pels organoides. Es va empescar la manera d’adherir-los al fons d’un dipòsit revestit amb 64 elèctrodes. Quan una neurona dels organoides s’activés, un dels electrodes s’encendria. Va resultar que els organoides eren sorprenentment actius i, amb cada setmana que passava, s’hi tornaven més. Després, la Dra. Negraes es va adonar que sorgien uns certs patrons. La majoria de neurones s’activaven de sobte en un esclat sincronitzat, un patró que s’assemblava extraordinàriament al de les ones cerebrals. La Dra. Negraes i el seu equip van començar a col·laborar amb experts en ones cerebrals i van trobar algunes semblances entre els organoides i el cervell dels nadons prematurs. Tant en els nadons com en els organoides es produïen esclats d’activitat sincronitzada seguits de períodes de calma.

El que fa que la semblança entre uns i altres sigui tan destacable és el fet que els organoides i el cervell dels nadons siguin tan diferents, afirma Richard Gao, estudiant de postgrau de la Universitat de Califòrnia (campus de San Diego) i un dels autors del nou estudi. “Em fa l’efecte que no cal tenir els milers de milions de neurones del cervell per generar aquests patrons -afirma Gao-. Un cop superada una certa massa crítica, és capaç de fer-ho”.

Per aprendre més dels organoides cerebrals, els investigadors volen desenvolupar-ne de més grossos, complexes i longeus. Sorprenentment, podrien aconseguir-ho gràcies a certes cèl·lules del sistema immunitari. Les cèl·lules anomenades micròglies no es dediquen només a combatre els patògens. En el procés de desenvolupament del cervell, ajuden a esculpir branques de neurones i contribueixen a la seva maduració. Els investigadors del laboratori del Dr. Muotri han estimulat micròglies perquè s’introdueixin a l’interior d’organoides cerebrals. Actualment, els científics estan registrant l’activitat dels organoides al llarg del seu desenvolupament. “Em sembla que amb les micròglies anirà millor”, afirma Gabriela Goldberg, una estudiant de postgrau que participa en el projecte.

Massa aviat per considerar l’ètica?

El Dr. Muotri encara no està en disposició d’afirmar si aquests experiments tindran algun efecte en el desenvolupament dels organoides cerebrals. Els seus esforços podrien ser infructuosos o bé produir imitacions cada cop més sofisticades del cervell que no acabem d’entendre del tot. L’investigador insta els científics a reflexionar amb deteniment sobre el que podrien crear sense adonar-se’n. “I si hi incorpores neurones que senten el dolor? -es pregunta el Dr. Muotri-. I si comencem a registrar-hi records?”

De tota manera, Jeantine Lunshof, del centre de bioètica de la Universitat de Harvard, opina que és massa aviat per jutjar què s’hauria de fer i què no amb els organoides cerebrals. “Per dir què s’hauria de poder fer amb ells, abans hem de dir què són -explica-. Estem creant coses que fa deu anys no es coneixien. No formaven part del catàleg dels filòsofs”. La Dra. Lunshof creu que, en aquest punt de la recerca, el més important és evitar confondre els organoides cerebrals actuals amb cervells humans de veritat i, per descomptat, amb persones. “Pertanyen a una categoria del tot diferent”, esgrimeix.

De moment, aquests debats importen a pocs científics: els experts capaços de produir prou organoides cerebrals de manera fiable per fer-hi experiments. Però els Drs. Muotri i Trujillo esperen poder automatitzar el procés de manera que altres científics puguin produir organoides cerebrals barats de bona qualitat en grans quantitats. “Aquesta és la nostra idea: que sigui engegar i au -comenta el Dr. Muotri-. Volem fer granges d’organoides”.

Copyright The New York Times

Traducció Ignasi Vancells