Se necesita un corazón para hacer un mejor pulmón

Las interacciones entre el corazón y los pulmones en desarrollo son esenciales para el crecimiento y la maduración adecuados; sin embargo, aún se desconoce mucho sobre el desarrollo conjunto de estos órganos críticos. Para proporcionar una nueva perspectiva, un equipo de colaboradores de CMU y la Universidad de Boston presentó recientemente el primer modelo de laboratorio para el desarrollo conjunto de corazón y pulmón humanos para ayudar a los investigadores a descubrir nuevas estrategias para investigar los mecanismos subyacentes de las interacciones cardiopulmonares.

Los órganos comienzan a tomar forma durante los primeros meses de vida a medida que el bebé crece como un embrión dentro del útero. Durante esta embriogénesis, se activan diferentes capas de células madre para convertirse en tipos específicos de células, por ejemplo, una célula cardíaca o pulmonar. El corazón y los pulmones se desarrollan a partir de dos capas germinales distintas dentro del embrión, el mesodermo y el endodermo, que deben comunicarse entre sí para que los órganos se formen correctamente.

«Mi formación científica se basa en la biología del desarrollo», explicó Charlie Ren, profesor asistente de ingeniería biomédica. «Tenía curiosidad acerca de cómo podríamos tomar prestados los aprendizajes de la embriogénesis para lograr una comprensión más profunda de cuándo algo falla en nuestros órganos críticos, como lo que vemos en las enfermedades congénitas. Los modelos animales ofrecen algunas respuestas, pero existen diferencias clave que nos impiden realmente traduciendo datos para la comprensión humana. Nos propusimos generar un modelo que pudiera aplicarse directamente a la salud humana».

En trabajo publicado en eLife, el grupo desarrolló un modelo humano de desarrollo conjunto de corazón y pulmón durante la embriogénesis utilizando células madre pluripotentes inducidas por humanos (hiPSC) cultivadas en laboratorio. Las hiPSC se trataron con señales químicas, lo que provocó que formaran diferentes capas germinales que se desarrollaron en formas tempranas de células cardíacas y pulmonares. Luego, las células se transfirieron a una condición de crecimiento personalizada, donde se organizaron en estructuras tridimensionales denominadas microtejidos.

Curiosamente, la investigación reveló que las células pulmonares maduraron más rápido cuando se cultivaron en microtejidos acompañadas de células cardíacas en desarrollo, en comparación con las células pulmonares en desarrollo solas.

«Tradicionalmente, en un entorno de laboratorio, hemos desarrollado órganos por separado, para frenar las barreras técnicas relacionadas con el equilibrio del linaje de dos órganos y una receta que se necesitaba para respaldar a ambos», señaló Ren. «Sin embargo, a través de este novedoso modelo de desarrollo conjunto, descubrimos que el pulmón necesita el corazón. Hemos podido demostrar que cuando el corazón se desarrolla con un pulmón y proporciona factores beneficiosos, el pulmón madurará mejor y más rápido. Actualmente, están estudiando los mecanismos moleculares subyacentes de este intrigante fenómeno».

«Este es un modelo verdaderamente emocionante de desarrollo conjunto del corazón y los pulmones que brinda información importante no solo sobre la embriogénesis, sino que también presenta nuevas estrategias para la bioingeniería de reemplazo de tejido cardíaco y pulmonar para aplicaciones terapéuticas», agregó Adam Feinberg, profesor de ingeniería y materiales biomédicos. ciencia e ingeniería, y coautor del estudio.

El modelo también demostró que los tejidos cardíaco y pulmonar en desarrollo conjunto se separan automáticamente durante las etapas posteriores, estableciendo un límite preciso entre los dos órganos vecinos.

«A través de este trabajo, nombramos un nuevo término: segregación de tejido cardiopulmonar», dijo Ren. «Observamos que las células parecen tener algún tipo de inteligencia para conocer a su amigo ‘más cercano’; las células pulmonares se unieron automáticamente sin dejar una célula atrás, y las células del corazón hicieron lo mismo. A medida que se desarrollaban, se alejaban unas de otras. otros y separados. Es casi magia».

A medida que la ingeniería de células madre continúa desarrollándose rápidamente, la investigación del desarrollo conjunto de órganos seguirá siendo un tema de interés. El modelo dinámico del grupo y el trabajo relacionado con el estudio de grupos multiorgánicos continúan.