Un equipo de investigadores de la Universidad de Monash (Australia) ha llevado a cabo un exitoso proyecto, consistente en la utilización de biotintas con células vivas –neuronas- con el fin de imprimir redes nerviosas en 3D que pueden cultivarse en laboratorio, así como emitir y responder a señales. En concreto, los expertos inmersos en el proyecto han empleado un enfoque de ingeniería de tejidos y bioimpresión -2 tintas- que, además de células vivas, contenían materiales no celulares. De esta manera, los investigadores pudieron imitar la disposición de la materia gris y la materia blanca que se presenta en el cerebro humano.
El profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales encargado de dirigir la investigación en Monash, John Forsythe, ha aclarado que con anterioridad se habían empleado ya cultivos de células nerviosas bidimensionales para estudiar la formación de redes nerviosas y mecanismos de enfermedades. Sin embargo, aclaraba que esas estructuras relativamente planas no reflejan la forma en que las neuronascrecen e interactúan con su entorno en condiciones naturales. Por tanto, era necesario dar un paso más en este ámbito.
"Las redes desarrolladas en esta investigación replicaron fielmente la naturaleza tridimensional de los circuitos en un cerebro vivo, donde las células nerviosas extienden procesos llamados neuritas"
La falta de verosimilitud en el comportamiento de estas neuronas de estudios previos es una incidencia que los nuevos hallazgos del equipo de ingenieros de la universidad australiana ha venido a solucionar. "Las redes desarrolladas en esta investigación replicaron fielmente la naturaleza tridimensional de los circuitos en un cerebro vivo, donde las células nerviosas extienden procesos llamados neuritas para formar conexiones entre diferentes capas de la corteza", se felicitaba Forsythe.
Por tanto, cabe reiterar que, si bien muchos estudios han investigado el cultivo 3D y la formación de redes neuronales en sistemas de hidrogel a granel, estos enfoques presentaban una capacidad limitada a la hora de posicionar células para imitar arquitecturas cerebrales sofisticadas. En este estudio, las neuronas corticales y los astrocitos aislados de forma aguda del cerebro – en ratas- se lograron bioimprimir en un hidrogel para formar construcciones neuronales tridimensionales.
"No sólo pudimos construir un diseño básico similar al que vemos en regiones del cerebro, sino que descubrimos que las neuronas en realidad se comportaban y actuaban de manera similar"
“Descubrimos que las proyecciones que crecían a partir de las neuronas en la 'materia gris' impresa o capa celular crecían fácilmente a través de la capa de 'materia blanca' y la usaban como una 'autopista' para comunicarse con las neuronas de otras capas. No sólo pudimos construir un diseño básico similar al que vemos en regiones del cerebro, sino que descubrimos que las neuronas en realidad se comportaban y actuaban de manera similar", aclaraba el encargado del estudio.
En esta línea, las mediciones electrofisiológicas sensibles constataron una actividad nerviosa espontánea localizada en las redes neuronales tridimensionales, además de las propias respuestas provocadas por la estimulación eléctrica y farmacológica. Con todo ello, la presencia de actividad eléctrica detectable en redes 3D diseñadas con tejidos representa un importante paso adelante en el campo de la neurociencia y la bioimpresión.
"El presente estudio proporciona las bases para el desarrollo de modelos in vitro más complejos de los circuitos corticales que permitan realizar ensayos funcionales intensos"
El trabajo desarrollado en la Universidad de Monash concluye que “desde una perspectiva funcional, una combinación de imágenes de calcio, electrofisiología (MEA) y registro de potencial de campo local extracelular, tanto en estructuras de rayado 3D como en construcciones de soma-neurita-soma segregadas, reveló la formación de redes neuronales 3D funcionales, espontáneas y que responden a estímulos. El presente estudio proporciona las bases para el desarrollo de modelos in vitro más complejos de los circuitos corticales que permitan realizar ensayos funcionales intensos para posibles aplicaciones de detección de fármacos en el cerebro”.
En definitiva, el sistema desarrollado en esta investigación presenta un avance significativo en comparación con los anteriores modelos in vitro en los cuales se estudiaban circuitos neuronales en cultivos 2D o 3D monolíticos. Así, resulta probable que las redes neuronales bioimpresas en 3D constituyan una plataforma prometedora de estudio para observar cómo se forman y crecen los nervios y las redes nerviosas, investigar cómo algunas enfermedades afectan la neurotransmisión o hallar medicamentos para determinar sus efectos en las células nerviosas y el propio sistema nervioso.