Gastruloide

Los gastruloides son agregados tridimensionales de células madre embrionarias (CME) que, bajo condiciones de cultivo adecuadas, desarrollan una organización similar a la de un embrión con tres ejes ortogonales y una distribución precisa de los primordios para múltiples derivados de las tres capas germinales en ausencia de tejidos extraembrionarios. Es importante destacar que carecen de cerebro anterior, medio y posterior . Son un sistema modelo, un organoide embrionario , para el estudio del desarrollo de los mamíferos (incluidos los humanos) y las enfermedades. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

El sistema modelo Gastruloid tiene su origen en el trabajo de Marikawa et al. [ ^{4 ] En} ese estudio, se agregaron pequeñas cantidades de células de carcinoma embrionario (CE) de ratón P19 como cuerpos embrionarios (CE) y se utilizaron para modelar e investigar los procesos involucrados en la polaridad anteroposterior y la formación de una región de la línea primitiva. ^{[ 4 ]} En este trabajo, los CE pudieron organizarse en estructuras con expresión génica polarizada , elongación/organización axial y regulación positiva de marcadores mesodérmicos posteriores . Esto contrastaba marcadamente con el trabajo que utilizó CE de ESC de ratón, que había mostrado cierta polarización de la expresión génica en un pequeño número de casos, pero ningún desarrollo posterior del sistema multicelular. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Tras este estudio, el laboratorio de Martínez Arias en el Departamento de Genética de la Universidad de Cambridge demostró cómo los agregados de células madre embrionarias (CME) de ratón eran capaces de generar estructuras que exhibían comportamientos colectivos con una sorprendente similitud a los que ocurren durante el desarrollo temprano, como la ruptura de la simetría (en términos de expresión génica), la elongación axial y la especificación de las capas germinales. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Citando el artículo original: «En conjunto, estas observaciones enfatizan aún más la similitud entre los procesos que hemos descubierto aquí y los eventos en el embrión. Los movimientos están relacionados con los de las células en embriones en gastrulación y por esta razón denominamos a estos agregados "gastruloides"». Como señalan los autores de este protocolo, una diferencia crucial entre este método de cultivo y el trabajo previo con EB de ratón fue el uso de un número pequeño de células que puede ser importante para generar la escala de longitud correcta para el patrón, y el uso de condiciones de cultivo derivadas de la diferenciación dirigida de ESC en cultivo adherente ^{[ 1 ] [ 7 ] [ 3 ] [ 2 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

Brachyury (T/Bra) , un gen que marca la estría primitiva y el sitio de gastrulación , se regula positivamente en los gastruloides tras un pulso del agonista de Wnt/β-catenina CHIR99021 ^{[ 11 ]} (Chi; también se han probado otros factores ^{[ 1 ]} ) y se regionaliza en la punta en elongación del gastruloide. Desde o cerca de la región que expresa T/Bra, se extruyen células que expresan el marcador mesodérmico tbx6, de forma similar a las células del embrión en gastrulación; es por esta razón que estas estructuras se denominan gastruloides. ^{[ 1 ]}

Estudios posteriores revelaron que los eventos que especifican la expresión de T/Bra en los gastruloides imitan los del embrión. ^{[ 2 ]} Después de siete días, los gastruloides exhiben una organización muy similar a la de un embrión a mitad de la gestación con primordios organizados espacialmente para todos los derivados mesodérmicos (axial, paraxial, intermedio, cardíaco, craneal y hematopoyético) y endodérmicos , así como la médula espinal . ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 3 ]} También implementan la expresión de genes Hox con las coordenadas espaciotemporales como el embrión. ^{[ 3 ]} Los gastruloides carecen de cerebro y de tejidos extraembrionarios, pero la caracterización de la complejidad celular de los gastruloides a nivel de transcriptómica espacial y de célula única revela que contienen representantes de las tres capas germinales, incluyendo la cresta neural , las células germinales primordiales y los primordios placodales. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Una característica de los gastruloides es la desconexión entre los programas y esquemas transcripcionales y la morfogénesis. Sin embargo, los cambios en las condiciones de cultivo pueden inducir la morfogénesis; de manera más significativa, se ha demostrado que los gastruloides forman somitas ^{[ 15 ] [ 14 ]} y estructuras cardíacas tempranas ^{[ 16 ]} . Además, las interacciones entre los gastruloides y los tejidos extraembrionarios promueven un tejido polarizado anterior, similar al del cerebro ^{[ 17 ] .}

Recientemente se han obtenido gastruloides a partir de células madre embrionarias humanas ^{[ 18 ]} , lo que permite a los biólogos del desarrollo estudiar el desarrollo humano temprano sin necesidad de embriones humanos. Sin embargo, es importante destacar que el modelo de gastruloide humano no puede formar un embrión humano, lo que significa que no está intacto, no es viable y no es equivalente a los embriones humanos in vivo .

El término gastruloide se ha ampliado para incluir arreglos autoorganizados de células madre embrionarias humanas en patrones (micropatrones) que imitan eventos de patrones tempranos en el desarrollo; ^{[ 19 ] [ 20 ]} estos arreglos deben denominarse gastruloides 2D.