Cómo hacer crecer una oreja y por qué.

Jun 15, 2023

Dan obtuvo un doctorado en bioquímica de SUNY Buffalo y completó becas posdoctorales en el USDA y la Universidad Carnegie Mellon. Es un escritor independiente cuyo trabajo ha aparecido en Massive Science, The Daily Beast, VICE y GROW. Dan está más interesado en escribir sobre cómo las moléculas colaboran para crear fenómenos del tamaño de un cuerpo.

Lo primero que hacen la mayoría de los científicos cuando estudian algo es mirarlo. Un quiropterólogo mira un murciélago. Un geólogo mira la Tierra. Pero para un científico interesado en el oído interno, se vuelve más complicado. Es difícil examinar un oído interno que está unido a un animal vivo que necesita ese oído para oír y mantener el equilibrio sin matar las células sensibles que alberga, destruir la compleja estructura del oído o simplemente desequilibrar todo el sistema. En estos casos, es más fácil hacer crecer una oreja, o algo parecido, en el laboratorio y estudiar eso en su lugar.

Los científicos han estado creando organoides a partir de una variedad de tejidos como cerebros, riñones e hígados durante años (1–3). Sin embargo, para tejidos externos como el oído, el campo está en pañales. Pero en los últimos años, ha habido una ola de avances en la biología molecular de la pérdida auditiva y una creciente capacidad para modelar con precisión la compleja arquitectura del oído en el laboratorio utilizando células madre.

La pérdida de audición es el tercer problema de salud más común para los adultos, después de las enfermedades cardíacas y la artritis. Aproximadamente 1300 millones de personas en todo el mundo se ven afectadas por él, y la genética, las infecciones y el ruido ambiental se encuentran entre las causas más comunes (4). La pérdida de audición frecuentemente es el resultado de células ciliadas dañadas. Estas células altamente especializadas convierten las desviaciones de sus proyecciones similares a cabellos en la cóclea en señales neuronales. A lo largo de la vida de una persona, estas células se desgastan. Dado que no se regeneran, este daño de por vida en el oído puede ser permanente (5).

Los científicos en el campo están creando nuevos sistemas de organoides de oído para probar terapias para el oído interno. Debido a la arquitectura sofisticada y elaborada del oído, están trabajando bajo algunas de las circunstancias biológicas más difíciles que el cuerpo humano tiene para ofrecer. Con el tiempo, han aprendido que, a menudo, el mejor modelo para estudiar el oído se parece más a una bola de células.

Cuando Karl Koehler comenzó la escuela de posgrado en la Universidad de Indiana, estaba interesado en las células madre. "En particular, estaba fascinado con el desarrollo sensorial: cómo desarrollamos estos aparatos realmente complicados que detectan señales externas y las envían al cerebro", dijo. Tuvo un golpe de suerte. "Sucedió que el único laboratorio que aceptaba nuevos estudiantes que se enfocaba en el desarrollo sensorial y las células madre era un laboratorio del oído interno".

Koehler se unió al laboratorio de Eri Hashino, un pionero en el campo de la biología de células madre. Cuando llegó Koehler, científicos de todo el mundo estaban tratando de desarrollar métodos replicables para usar células madre pluripotentes para crear cualquier tejido que un investigador deseara. El grupo de Hashino usó células madre para crear células nerviosas auditivas, que con frecuencia se dañan por las agresiones ambientales como los ruidos fuertes y no vuelven a crecer. Koehler quería ir por un camino diferente; Quería usar células madre para modelar la arquitectura del oído interno para ayudar a los científicos a ver cómo las enfermedades del oído interrumpen el flujo de información del sonido al oído y al cerebro.

El cerebro es un gran objetivo; la oreja es una diana. - Karl Koehler, Facultad de Medicina de Harvard

"El cerebro es un gran objetivo; el oído es una diana", dijo Koehler, ahora neurobiólogo e investigador sensorial en la Escuela de Medicina de Harvard. Pero a diferencia de un tablero de dardos, el oído interno no es plano. Es una estructura tridimensional compleja, de múltiples capas. No apreciar la dimensionalidad de la oreja condujo a años de fracasos para los investigadores de células madre que intentaban modelar la oreja in vitro o cultivar células ciliadas, que convierten la estimulación mecánica en señales nerviosas. "En lugar de hacer crecer las células madre en un plato plano, que es muy diferente a cómo se desarrollarán normalmente las células en el embrión, si las saca del plato y las tiene en tres dimensiones, puede darles los grados de libertad que necesitan autoorganizarse", dijo Koehler.

Siguiendo el ejemplo de un grupo de investigación en Japón que usaba estructuras tridimensionales para cultivar organoides retinianos, en 2013, Koelher y Hashino cultivaron células madre con proteínas de matriz extracelular (ECM), que actuaban como un andamiaje para el oído interno en desarrollo (6) . Sin embargo, dado que estos no son sistemas auditivos completamente formados con un canal auditivo, un cerebro y una aurícula (la estructura de antena parabólica carnosa que los mamíferos tienen en la cabeza y que con frecuencia se llama "el oído"), es difícil medir qué tan cerca de la audición real. Los organoides pueden obtener.

Sin embargo, el desarrollo de modelos sintéticos similares a orejas en el laboratorio no podría haber llegado en mejor momento.

"Recientemente se aprobó la legislación, la Ley de Modernización 2.0 de la FDA, que sienta las bases para el uso completo de ensayos basados ​​en células para validar su nueva terapia biológica, farmacológica o génica antes de pasar a los ensayos clínicos", dijo Koehler. "Eso le da más importancia al desarrollo y perfección de los sistemas basados ​​en células".

Al igual que Koehler, Jeffrey Holt y Gwenaelle Géléoc comenzaron interesados ​​en los detalles más finos del sistema nervioso. Pero nada en particular los llevó a estudiar los oídos. Después de conocerse como jóvenes becarios posdoctorales, la casualidad de la vida demostró que les gustaba trabajar juntos, y ahora dirigen un laboratorio conjunto en el Boston Children's Hospital.

"Estaba fascinado por las células sensoriales y cómo hacían este trabajo único de convertir un estímulo de sonido en una señal eléctrica que se transmite al cerebro. Y para mí en esa etapa, e incluso hoy, el cerebro es como un gran negro caja", dijo Holt. "Quería entender cómo llegó la información allí".

Los grupos de Holt y Géléoc estudian los organoides del oído y desarrollan terapias génicas para tratar defectos auditivos. Utilizan una variedad de vectores virales para estudiar el síndrome de Usher, un trastorno genético incurable que produce defectos de la vista y la audición y se encuentra entre las causas más comunes de sordoceguera en todo el mundo (7).

A partir de ese trabajo, sus grupos se habían vuelto bastante hábiles en los mecanismos más finos de la creación de terapias génicas, como la entrega de oligonucleótidos directamente a las células en el laboratorio. "Creo que fue alrededor de 2011 cuando me di cuenta de que esto realmente podría funcionar", dijo Holt. En lugar de confiar en un modelo in vitro de una oreja usando células cultivadas en un plato, inyectaron ratones que portaban mutaciones específicas causantes del síndrome de Usher con oligonucleótidos antisentido (ASO) que pueden suprimir esas mutaciones (8).

"Lo más sorprendente en realidad se llamó 'respuesta de sobresalto'", dijo Holt. Al igual que un ser humano sordo, un ratón sordo no responderá a un ruido repentino e inesperado. "Podemos usar eso como un ensayo de comportamiento para un ratón. Un ratón sordo no salta sin importar cuánto ruido hagas. Pero estos ratones, una vez que les inyectamos nuestros vectores virales iniciales y emitimos un sonido sorprendente, comenzaron a saltar. Y, por supuesto, una vez que estaban saltando con un sobresalto, comenzamos a saltar de alegría", dijo Holt.

Holt y Géléoc advirtieron que el uso de organoides y ASO en la clínica es algo muy futuro.

Los seres humanos nacen con aproximadamente 15 000 células ciliadas que duran toda la vida (9). A diferencia de otras partes del cuerpo, el oído interno no tiene un grupo nativo de células madre para extraer, por lo que las células ciliadas no se regeneran si se dañan por el ruido o las lesiones físicas.

Aunque la investigación sobre la administración de células madre al oído o incluso la conversión de células vecinas en células ciliadas está en curso, según Holt y Géléoc, es difícil pedir que sustituyan a una célula ciliada perdida. Las células ciliadas no solo son células altamente especializadas con haces de vellosidades únicos que se proyectan hacia el oído como astas de bandera, sino que su posicionamiento físico en el espacio es fundamental para su función. Esta podría ser la característica más difícil de recapitular. Si crece una nueva célula ciliada o se agrega a la oreja con una orientación incorrecta, no funcionará. Además de eso, incluso si una nueva célula ciliada se coloca correctamente, es posible que no se conecte correctamente a las estructuras de soporte en el oído, como el túnel de Corti, que canaliza las ondas sonoras hacia el oído interno. Tras la pérdida de células ciliadas, el túnel de Corti simplemente colapsa en un montículo de células discretas (9). Rellenar células madre con la esperanza de que vuelvan a crecer el oído interno está fuera de nuestro alcance por el momento.

Cada biólogo sintético, inventor o manitas debe hacerse una pregunta crítica: ¿es esta invención futurista, un organoide de oído, mejor que las soluciones que ya existen?

"Es una cosa de la que a menudo no hablamos, este desafío para nosotros", dijo Géléoc. "Hay dispositivos disponibles para ayudar a los pacientes con pérdida auditiva. Los implantes cocleares están haciendo un gran trabajo. No son perfectos, pero a la mayoría de los pacientes les va muy bien".

"Hace que el trabajo sea aún más difícil, porque ahora tenemos que hacerlo mejor. Si acudimos a la FDA, tenemos que convencerlos de que lo que ofrecemos será mejor que los implantes cocleares o tal vez complementarios", agregó.

La terapia con células madre para los problemas auditivos probablemente no sea lo próximo que llegue a la clínica, pero tampoco es ciencia ficción. De hecho, algunos de los primeros trabajos posteriores al descubrimiento de las células madre pluripotentes inducidas (iPSC) se realizaron para investigar la pérdida auditiva.

“Un problema de larga data en nuestro campo ha sido la limitación de acceso al material para estudiar la bioquímica y biología molecular propia del oído, particularmente en la década de 1990 cuando comencé con este tipo de trabajo”, dijo Marcelo Rivolta, neurobiólogo y biólogo de células madre sensoriales de la Universidad de Sheffield.

A principios de la década de 2000, Rivolta llegó a la universidad justo cuando estaba instalando su centro de investigación de biología de células madre, que fue el primero en el Reino Unido en utilizar las primeras células madre embrionarias humanas generadas por Jamie Thompson, un investigador de células madre en el Universidad de Wisconsin-Madison. Era el comienzo de un mundo completamente nuevo. Una vez que los grupos de Thompson y Shinya Yamanaka (actualmente en la Universidad de California, San Francisco) publicaron sus métodos para crear iPSC en 2007, Rivolta comenzó a soñar. “Empecé a jugar con la idea de usar las células no solo para el modelado, sino también para la terapia celular”, dijo.

Varios grupos de investigación habían injertado con éxito células madre en modelos animales de laboratorio de sordera, pero ninguno mejoró la audición o la excitación neuronal en el oído. El grupo de Rivolta inicialmente intentó recolectar células madre de la cóclea fetal, una de las pocas fuentes de células madre específicas del oído. Pero estas células raras y difíciles de obtener generalmente morían después de solo 25 divisiones. En cambio, modificando los protocolos de otros investigadores, el grupo de Rivolta logró generar e injertar células madre embrionarias en los oídos de jerbos sordos (10). Las células madre se diferenciaron con éxito en células similares a las células ciliadas y mejoraron los umbrales de activación neuronal a partir de la estimulación auditiva en el oído. El trabajo del grupo de Rivolta y otros en la Universidad de Sheffield condujo a la empresa de biotecnología Rinri Therapeutics, que trabaja para producir terapias celulares para la pérdida auditiva.

Rivolta es más optimista que Holt y Géléoc sobre la capacidad de las células madre para tratar afecciones del oído interno. ¿Qué, entonces, impide que este trabajo se traduzca en la clínica? Por ahora, según Rivolta, es en parte un problema de fabricación de células.

"Las limitaciones de fabricación son para asegurarnos de que estamos produciendo las células correctas, que tenemos la forma correcta de identificar las células y el tipo correcto de marcadores", dijo Rivolta. "Estamos trabajando en la entrega, cómo acceder a los lugares correctos en el oído, y también hemos hecho un buen progreso en ese sentido".

[Koehler] básicamente puede hacer cualquier oreja nueva en un plato.- Gwenaelle Géléoc, Boston Children's Hospital

Holt, Géléoc y Koehler también se están uniendo. Sus grupos están colaborando para producir una herramienta única: organoides del oído interno derivados directamente de células de pacientes. Este proyecto es crucial para probar terapias génicas personalizadas para la pérdida auditiva, especialmente para pacientes con síndrome de Usher. El síndrome de Usher se presenta en tres clases genéticas diferentes y puede ser causado por mutaciones en más de una docena de genes diferentes (8). Además de eso, el oído está en el centro de algo más que solo escuchar, por lo que las terapias genéticas exitosas para afecciones como el síndrome de Usher mejorarán más que la respuesta de sobresalto.

Las células madre son un material famoso y quisquilloso con el que trabajar. La creación de células madre a partir de pacientes individuales es una apuesta, pero los investigadores confían en que su experiencia derivada de los primeros días del campo los ayudará.

"[Koehler] básicamente puede hacer cualquier oreja nueva en un plato", dijo Géléoc.

Dan obtuvo un doctorado en bioquímica de SUNY Buffalo y completó becas posdoctorales en el USDA y la Universidad Carnegie Mellon. Es un escritor independiente cuyo trabajo ha aparecido en Massive Science, The Daily Beast, VICE y GROW. Dan está más interesado en escribir sobre cómo las moléculas colaboran para crear fenómenos del tamaño de un cuerpo.