La declaración de la misión en la página de inicio del laboratorio de la Universidad de Stanford de Sergiu Paşca es a la vez simple y espectacularmente ambicioso. Su grupo “busca comprender las reglas que rigen los pasos moleculares y celulares que subyacen al ensamblaje del sistema nervioso humano y los mecanismos moleculares que conducen a enfermedades neurológicas y psiquiátricas”.
La ruta elegida por Paşca para alcanzar este objetivo utiliza una forma avanzada de tecnología de células madre. Primero, reprograma genéticamente células de la piel de personas autistas y pacientes con trastornos como la esquizofrenia para convertirlas en células madre versátiles; luego induce a las células a establecerse en un estado más definido como tejido neural en una placa de laboratorio. Al observar cómo funcionan o funcionan mal estas células, Paşca, profesora de psiquiatría y ciencias del comportamiento en Stanford y directora del Instituto de Neurociencias Wu Tsai, obtiene información sobre lo que hace que los cerebros de las personas con afecciones neurológicas sean diferentes.
En su esfuerzo por hacer que estos sistemas modelo sean más realistas, ha realizado innovaciones científicas aparentemente fantásticas. En su laboratorio de Palo Alto, Paşca ha creado tejidos esféricos en miniatura, u organoides, que se asemejan a varias regiones del cerebro humano. Él y sus colegas han vinculado organoides del cerebro, la médula espinal y el tejido muscular en "assembloids" que pueden contraerse cuando se les ordena.
Y en nuevo trabajo recién anunciado hoy, el equipo de Paşca ha demostrado que los organoides humanos introducidos en el cerebro en desarrollo de una rata joven pueden expandirse espontáneamente e integrarse en los circuitos neuronales del animal, un resultado que señala el camino hacia modelos de investigación del cerebro humano que son cada vez más Realista pero práctico y ético para trabajar.
Cuando la Fundación Vilcek de Nueva York otorgó a Paşca su Premio a la Promesa Creativa en Ciencias Biomédicas de 2018, lo hizo porque su "esfuerzo condujo a un depósito de cultivos cerebrales derivados de pacientes que se encuentran entre las maquetas más realistas del desarrollo cerebral disponibles para los investigadores en la actualidad". .”
Según su asesor postdoctoral, Ricardo Dolmetsch, presidente de investigación y desarrollo de la empresa de terapia génica uniQure: “El trabajo de Sergiu plantea la posibilidad de que algún día podamos trasplantar las células cerebrales faltantes a personas con enfermedades o desarrollar modelos de laboratorio de enfermedades neurológicas o psiquiátricas que podamos usar para desarrollar medicamentos”.
Hablamos con Paşca el verano pasado a través de Zoom y por teléfono. Las entrevistas han sido condensadas y editadas para mayor claridad.
¿Siempre quisiste hacer investigación científica?
Desde una temprana edad. Sí.
Crecí en Rumania, en una pequeña ciudad de Transilvania. De niño, construí un laboratorio en el sótano de la casa de mi familia. Trataría de mejorar el crecimiento de las plantas agregando diferentes químicos al suelo y luego midiendo su efecto. Una vez, agregué una molécula a base de cobre. Causó que una de mis plantas aumentara en un 20%. Eso me enganchó a la investigación.
Y hoy cultivas células nerviosas en un laboratorio. ¿Cómo surgió la idea?
[Risas] Es una larga historia. Asistí a la escuela en los años posteriores al derrocamiento de la dictadura de Ceauşescu. En ese momento, Rumania sufría los efectos a largo plazo de la dictadura: aislamiento, subdesarrollo. Al terminar la escuela secundaria, gané un premio en un concurso nacional de química. El premio vino con la admisión a cualquier universidad rumana. Elegí la Universidad de Medicina Iuliu Haţieganu en Cluj-Napoca. La idea era convertirme en médico-investigador. Entonces pensé, y todavía siento, que el mundo necesita más de ellos.
Desafortunadamente, una vez en la escuela de medicina, descubrí que había pocos recursos: no había becas, no había reactivos para el trabajo de laboratorio. Pero tuve una profesora muy dedicada, y usó 200 euros de su propio dinero, una fortuna en ese momento, para pedir un pequeño kit de reactivos de Alemania. Luego planificamos durante un año cómo usarlo mejor.
Y así fue como me surgió por primera vez el estudio de los trastornos cerebrales. Estuve considerando usar ese kit de reactivos para analizar metabolitos en la sangre de pacientes con enfermedades cardiovasculares. Pero para aprender algo, necesitaría evaluar a cientos, tal vez miles de pacientes. ¡Solo teníamos suficientes reactivos para 50 reacciones!
Un día, mientras estaba en una clase de estadística, me di cuenta: la única forma de hacer un estudio con una pequeña cohorte de pacientes sería observar una enfermedad que fuera rara. Pensé: autismo.
¿Autismo? No es tan raro: uno de cada 50 tiene alguna forma de esto.
No lo sabíamos hace 20 años.
Mi idea era ver si podíamos encontrar firmas de la condición en la sangre de niños con autismo. Para hacer el estudio, necesitaba convencer a los padres de donar pequeñas cantidades de sangre de sus hijos. Hablar con ellos fue desgarrador. Me abrió los ojos al inmenso sufrimiento por el que pasaron las familias. Los padres se preguntaron: "¿Qué causó esto?"
Todo lo que pude decir fue: "No se sabe nada".
Para poder ofrecer mejores respuestas, me inscribí en un curso en Bucarest ofrecido por la Organización Internacional de Investigación del Cerebro, la IBRO. Eran neurocientíficos estadounidenses y británicos que intentaban llevar la ciencia cerebral avanzada a países aislados. La claridad de sus presentaciones y la belleza de los descubrimientos neurocientíficos que describieron me emocionaron inmensamente.
En las clases conocí a Jack McMahan, uno de los fundadores del programa de neurobiología en Stanford. Nos mantuvimos en contacto y luego me ayudó a venir a California.
¿Qué pasó con su estudio de metabolitos?
Descubrimos que algunos pacientes con autismo tenían anomalías en su metabolismo de un carbono. Esta vía, que depende del folato y las vitaminas B, se alteró levemente y esto probablemente se relacionó con una combinación de factores genéticos y nutricionales.
Cuando terminé la facultad de medicina, había publicado varios artículos sobre el autismo. Jack McMahan los leyó y dijo: “¿Por qué no vienes a Stanford? Tengo un colega interesado en mover su laboratorio en esta dirección”. Ese fue Ricardo Dolmetsch, quien unos años más tarde se convirtió en el director global de neurociencia en los Institutos de Investigación Biomédica de Novartis.
Me tomó un tiempo obtener fondos, pero finalmente recibí una beca IBRO y vine a Palo Alto.
¿Cuál fue su misión en el laboratorio de Dolmetsch?
Crear un nuevo enfoque para aprender sobre el cerebro humano.
Un par de años antes, Shinya Yamanaka de la Universidad de California, San Francisco y la Universidad de Kyoto había descubierto cómo tomar células de la piel de ratones y reprogramarlas para convertirlas nuevamente en células madre pluripotentes inducidas: células iPS. Las células madre pueden convertirse en todo tipo de células diferentes, incluidas las neuronas, los componentes básicos del sistema nervioso. Yamanaka recibiría el Premio Nobel por esto.
En el laboratorio de Ricardo, planeé encontrar formas de transformar células iPS humanas en neuronas. La idea era obtener células de la piel de niños con autismo, volver a convertirlas en células madre y luego guiarlas para que se convirtieran en neuronas en una placa de Petri. Si lo conseguíamos, esperábamos saltar las barreras que nos han impedido comprender completamente cómo se desarrolla el sistema nervioso humano. Esta sería una forma de entender con mayor claridad la base biológica de condiciones neuropsiquiátricas como el autismo, la epilepsia y la esquizofrenia.
¿Cuáles son estas barreras?
El principal problema es la insoportable inaccesibilidad del cerebro humano.
Cuando algo sale mal en el bazo o el hígado, los médicos toman una biopsia y analizan el tejido. Esta práctica revolucionó la medicina. Los investigadores han podido tomar las células de los pacientes, ponerlas en un plato, identificar los mecanismos que funcionan mal y aplicar diferentes compuestos para restaurarlos. Así es como han descubierto nuevas drogas.
Pero excepto en raras situaciones, no perforamos el cráneo de una persona viva para estudiar directamente el tejido cerebral humano. Además de los riesgos médicos, existen profundos tabúes culturales. Tendemos a asociar el cerebro con “nosotros”, con quienes somos. Al tocar el cerebro directamente, se considera que estos métodos interfieren con el "yo".
Pensando en mis rotaciones clínicas en la escuela de medicina, casi sentí envidia de mis colegas en la sala de oncología. La revolución de la biología molecular, combinada con la accesibilidad de los tejidos cancerosos en los que estaban interesados, significó que tenían nuevos tratamientos en preparación. Por ejemplo, sucedieron cosas asombrosas con la leucemia.
Con el autismo, no teníamos nada. No pudimos identificar los mecanismos que causaron los problemas porque no pudimos estudiar directamente el tejido cerebral. E incluso si pudiéramos, no habríamos sabido qué buscar.
¿No podrías estudiar tejido cerebral humano obtenido de autopsias?
El cerebro post-mortem te dice poco sobre la actividad eléctrica de las neuronas vivas. Necesitas medir esa actividad porque eso es lo que hacen las neuronas en el cerebro: disparan señales eléctricas.
En cuanto a los modelos animales, tienen limitaciones cuando se trata de estudios de trastornos psiquiátricos. El cerebro humano es más complicado que el de los ratones o incluso el de los macacos. Millones de años de evolución nos separan de estos animales. Hemos visto innumerables ejemplos de medicamentos que tuvieron mucho éxito en roedores y luego fallaron en ensayos clínicos en humanos.
Pensé que podríamos hacer avanzar las cosas haciendo algo de tejido cerebral humano vivo nosotros mismos.
Su idea debe haber sido controvertida.
Oh sí. Había gente que pensaba que no iba a funcionar. Pensaron que al transformar las células de la piel, se perdería la fisiopatología de la enfermedad y entonces no seríamos capaces de descubrir nada nuevo.
Sin embargo, en ocho meses teníamos neuronas humanas en funcionamiento a partir de células madre que habían comenzado como la piel de pacientes con una forma genética de autismo. Mirándolos bajo el microscopio, se podía ver que emitían señales de calcio. Estábamos llegando a alguna parte.
¿Cómo hace uno para hacer neuronas?
La reprogramación celular nos consiguió células madre de las células de la piel. Luego convencimos a las células madre para que se diferenciaran en otros tipos de células.
A las células madre les encanta diferenciarse. Necesitan convertirse en otros tipos de células. Y en realidad tienen una alta probabilidad de convertirse en neuronas casi por defecto. No tienes que hacer mucho para hacer neuronas, aunque guiarlas ayuda. Lo que haces es aumentar el medio en el que se mantienen las células madre con moléculas que promueven la transformación. A veces también quitas algunas moléculas.
Pronto tuvimos millones de hermosas neuronas. La mala noticia fue que nuestras neuronas se pegaron al fondo de una placa de Petri en una sola capa de células, donde después de semanas en cultivo, se agotaron. Si tuviéramos que descubrir qué le sucede al cerebro humano a medida que se desarrolla durante meses y meses, necesitábamos neuronas más duraderas.
Tuve una idea. Compré un juego de platos de laboratorio de plástico cubiertos con una sustancia antiadherente y cultivamos las células en ellos. Sorprendentemente, ¡la táctica funcionó! Las células no podían adherirse al plato. En cambio, flotaron en el medio manteniéndolos y se agregaron en pequeñas bolas del tamaño de guisantes.
Al principio, llamamos a estos grupos flotantes de células esferoides. Más tarde se conocieron como organoides, algo que se parecía a un órgano específico pero que no lo era.
¿En qué se diferenciaban las células de estas bolas de tus neuronas solitarias?
Estaban creciendo en un espacio tridimensional. Se movían e interactuaban entre sí. Es importante destacar que podrían mantenerse en un plato durante períodos de tiempo más largos.
En las circunstancias adecuadas, podríamos conservar los organoides durante 900 días. Y eso nos permitió observar cosas nuevas. Por ejemplo, alrededor de los nueve o diez meses, las células se volvieron más como neuronas postnatales que prenatales. Parecían tener un sentido del paso del tiempo y lo que eso debería significar para su desarrollo.
¿Qué tan útiles fueron los organoides para su investigación?
Déjame contarte sobre un experimento que realizamos con ellos.
Hay una enfermedad genética llamada síndrome de deleción 22q11.2 que implica la pérdida de una parte del cromosoma 22. Los pacientes tienen un aumento de 30 veces en el riesgo de esquizofrenia. También pueden desarrollar autismo u otros trastornos neuropsiquiátricos. Reclutamos a 15 pacientes y 15 controles sanos y comenzamos a generar neuronas que se asemejaban a la corteza cerebral a partir de la piel que donaron. Vimos que las neuronas de los pacientes tenían propiedades eléctricas anormales. No podían comunicarse entre sí correctamente.
Ahora, la esquizofrenia a menudo se trata con medicamentos antipsicóticos. Pusimos algunos de esos medicamentos en un plato con organoides corticales hechos de células de nuestros pacientes, y vimos que los medicamentos antipsicóticos revirtieron el problema con las propiedades eléctricas de las neuronas.
Esto significaba que ahora teníamos una forma de probar estos medicamentos en un plato.
Hablaste de organoides. Pero, ¿qué son los assembloids?
Los assembloids son un nuevo sistema modelo que se nos ocurrió hace seis o siete años. Son sistemas de cultivo celular tridimensionales construidos a partir de al menos dos tipos diferentes de organoides, o mediante la combinación de organoides con algunos otros tipos de células especializadas. Al juntarlos, podemos ver nuevas propiedades celulares que surgen de sus interacciones cercanas.
Puede juntar dos organoides que se asemejan a diferentes regiones del cerebro y ver cómo las neuronas se proyectan entre sí y luego se conectan para formar circuitos. O puede combinar organoides con células inmunitarias y observar las interacciones neuroinmunes en la enfermedad.
Por ejemplo, hay un tipo raro de autismo asociado con un trastorno genético llamado síndrome de Timothy. Es causada por una mutación de una sola letra en un gen que codifica un canal de calcio. Permite que entre demasiado calcio en las células cuando reciben señales eléctricas. Eso interfiere con la transmisión de señales químicas dentro de las neuronas y otras células excitables.
Tomamos células de la piel de pacientes con síndrome de Timothy, hicimos assembloids y luego observamos lo que sucedía dentro de ellos. Pudimos ver que las neuronas que crecieron a partir de las células de los pacientes se movieron con más frecuencia, pero se movieron en distancias más cortas que las neuronas del grupo de control sano. Las células de los pacientes finalmente se quedaron atrás en su organización.
Debe haber sido emocionante presenciar esto en tiempo real.
¡Podrías verlo! ¡Literalmente podrías verlo con tus propios ojos!
Teníamos este tinte que coloreaba el calcio. En el momento en que el calcio entró en las células, se podían ver los colores subiendo y bajando, midiendo cuánto calcio entraba en la célula. Había más en las celdas de los pacientes.
Pasamos seis años descubriendo precisamente cómo ese canal de calcio causa defectos en el movimiento de estos tipos específicos de neuronas. El canal mutado en los pacientes impacta en dos vías moleculares diferentes en las neuronas. Es importante destacar que encontramos que necesita dos medicamentos diferentes para restaurar la actividad. Estamos pensando que ahora tenemos la base para lo que en el futuro podría llevarnos a un tratamiento.
Nunca hubiéramos podido aprender esto sin los assembloids porque necesitas que las células interactúen en tres dimensiones para capturarlo.
En su nuevo artículo, anuncia que su laboratorio creó una rata en la que las neuronas humanas cubren un tercio de la corteza del animal en un hemisferio y se integran profundamente en el cerebro. ¿Por qué crear este modelo?
Durante más de una década, hemos estado preparando cultivos en un plato que recapitula muchos aspectos del sistema nervioso humano. Pero hay limitaciones para estas culturas: las neuronas que hemos hecho no crecen tanto en tamaño. No hay resultados de comportamiento como los habría en un cerebro humano real. Y no reciben información sensorial que daría forma a su desarrollo: la corteza necesita recibir señales. Hemos estado tratando de proporcionar algún aporte externo significativo a estas neuronas humanas.
Entonces, el siguiente paso fue hacer crecer neuronas humanas dentro del cerebro de una rata. Tomamos los organoides y los trasplantamos a la corteza cerebral de una cría de rata. La rata vascularizó el organoide y finalmente creció hasta cubrir un tercio de su hemisferio cerebral cortical.
Pensé que no eras muy fanático de los modelos animales para la investigación del cerebro humano. ¿Qué sucedió?
Creo que los modelos animales y los modelos celulares humanos son complementarios. En este caso, el trasplante a animales nos permite integrar neuronas humanas en circuitos para comprender estas enfermedades y probar fármacos. También es otra forma de entender cómo las neuronas humanas procesan la información dentro de los circuitos vivos.
Entonces, estas neuronas humanas de los organoides tuvieron la oportunidad de crecer dentro de los cerebros de las ratas y pudieron obtener entradas y salidas del animal. ¿Cómo se comparan con las neuronas que solo han crecido dentro de los organoides? ¿Y cómo se comparan con las neuronas que crecen en nuestros propios cerebros?
Las neuronas humanas trasplantadas son unas seis veces más grandes que las neuronas humanas de desarrollo comparable mantenidas en una placa. También son más maduros electrofisiológicamente y forman más sinapsis y están mucho más cerca de las neuronas en el cerebro humano posnatal.
¿Ves algún tipo de diferencia de comportamiento en estas ratas que han adquirido tantas neuronas humanas?
No. No hay diferencias en las tareas cognitivas y motoras en las que probamos las ratas. También verificamos y no experimentan convulsiones. Sin embargo, las ratas pueden ser entrenadas para asociar la estimulación de las neuronas humanas con la entrega de una recompensa. Esto ofrece oportunidades sin precedentes para estudiar los trastornos del cerebro humano.
¿En qué punto deberían sus assembloids y organoides tener algún tipo de derechos legales?
Creo que para cultivos in vitro, son solo grupos de células. No los consideramos cerebros. Se vuelve más matizado cuando se trata de trasplantar a animales.
¿Cómo se sienten los especialistas en bioética acerca de sus experimentos?
Trabajamos de cerca con ellos. A lo largo de este camino, he participado activamente en debates con especialistas en ética en Stanford y más allá. Todos los experimentos que hacemos son monitoreados de cerca y discutidos con especialistas en ética. No hacemos los experimentos de forma aislada. Los experimentos se discuten antes de que se lleven a cabo y, desde luego, mientras se llevan a cabo. Hablaremos de las implicaciones, los pros y los contras.
¿Alguna vez piensas en el Frankenstein ¿historia?
Pienso mucho en ello. Pero creo que la historia no es tan relevante para la ciencia actual. En el mundo actual, se pueden desarrollar tecnologías que sean éticas. Mucho tiene que ver con el motivo del investigador. Mi objetivo a largo plazo es encontrar un tratamiento y tal vez una cura para estos trastornos del neurodesarrollo. Esa ha sido mi estrella polar.
Hace algunos años, antes de que recibiera el Premio Nobel por CRISPR, le pregunté a Jennifer Doudna si estaba preocupada por el posible mal uso de esta tecnología de edición de genes. Ella respondió que estaba preocupada por “el deseo en algunas áreas de apresurarse a cambiar embriones humanos”. Poco tiempo después, un ambicioso investigador de Shenzhen, China, anunció que había utilizado CRISPR para revisar el código genético de dos bebés humanos. ¿Alguna vez te preocupas por leer el periódico y descubrir que un científico en algún lugar ha usado tu trabajo para producir prematuramente partes de un cerebro humano?
No. Una de las cosas que distingue el trabajo con organoides de CRISPR son los recursos necesarios para los experimentos. Hacer una edición de genes con CRISPR requiere solo algo de capacitación y pocos recursos. ¡Es posible hacerlo en tu cocina! Lo que hacemos requiere mucho más tiempo y dinero. Mantener vivas las células durante 900 días es bastante costoso y requiere capacitación e instalaciones especializadas. Ese solo hecho nos da un respiro para procesar nuestros descubrimientos y sus implicaciones.
Hay pocos lugares con la infraestructura y la experiencia necesarias para hacer esto. Estamos tratando de replicar el desarrollo del cerebro humano, lo que lleva mucho tiempo. Descubrir su ingeniería oculta lleva aún más tiempo. He estado trabajando en esto todos los días durante los últimos 15 años.
¿Qué tan cerca está de algunas soluciones?
Tengo esperanzas, pero no quiero ser poco realista. Ciertamente estamos mejor que hace 15 años. Ahora tenemos largas listas de genes asociados con el autismo y tenemos esta nueva herramienta para estudiarlos. Pero todavía necesitamos entender cómo esos genes mutados hacen que las cosas salgan mal en el cerebro para que podamos desarrollar medicamentos efectivos.
Tu historia comienza en Rumanía hace 20 años cuando no sabías qué decirles a los padres de niños con autismo. Si volvieras a ese país ahora, ¿qué dirías?
Todo lo que puedo decir honestamente es que tengo esperanzas. Todavía estamos lejos de tener una cura. Por otro lado, ha habido grandes avances en otras enfermedades aparentemente insolubles en los últimos años. Eso me da una esperanza tremenda.
