Los primeros organoides ováricos totalmente humanos aportan información sobre la salud y las enfermedades reproductivas femeninas

A pesar de que todos empezamos siendo un óvulo en uno de los ovarios de nuestra madre, estos órganos reproductores humanos están sorprendentemente poco estudiados. Los científicos han estado trabajando en la creación de modelos in vitro de ovarios humanos para que podamos aprender más sobre ellos y desarrollar tratamientos para las afecciones ováricas, pero la mayoría de los modelos existentes utilizan una combinación de células humanas y de ratón, que no reproducen fielmente las funciones de los ovarios humanos y tardan mucho tiempo en crecer en el laboratorio.

Ahora, investigadores del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de la Universidad de Harvard, la Harvard Medical School (HMS) y la Universidad de Duke, en colaboración con Gameto, una empresa biotecnológica que desarrolla terapias para mejorar el proceso reproductivo femenino, han creado un organoide ovárico totalmente humano que favorece la maduración de los óvulos, desarrolla folículos y segrega hormonas sexuales. Este modelo de "ovaroide" permite estudiar la biología del ovario humano sin necesidad de extraer tejido de las pacientes y podría hacer posible el desarrollo de nuevos tratamientos para enfermedades como la infertilidad o el cáncer de ovario, entre otras. Mediante un acuerdo con la Oficina de Desarrollo Tecnológico (OTD) de Harvard, esta tecnología se ha licenciado a Gameto, que la utiliza para desarrollar terapias contra enfermedades del aparato reproductor femenino. Los ovaroides se describen en detalle en un nuevo artículo publicado hoy en eLife.

Un andamiaje somático de apoyo a partir de células madre

El ovario en desarrollo contiene células germinales, que se convierten en óvulos, y células somáticas, que sirven de apoyo a las germinales. Los actuales modelos de laboratorio de ovarios utilizan células germinales humanas y células somáticas de ratón, pero Smela y sus coautores querían ver si podían conseguir que células madre humanas crecieran hasta convertirse en ovarios humanos funcionales con los dos tipos celulares principales. Decidieron centrar sus esfuerzos en las células de la granulosa, un tipo de célula somática ovárica que favorece el desarrollo de óvulos no fecundados dentro de los folículos y segrega las hormonas sexuales estradiol y progesterona. En aquel momento no existía ningún método para generar células de la granulosa de forma eficiente a partir de células madre pluripotentes inducidas (iPSC) humanas, por lo que decidieron crear las suyas propias.

El floreciente campo de la tecnología iPSC se basa en el descubrimiento de que la introducción de proteínas denominadas factores de transcripción (FT) -que se unen directamente al ADN y controlan la activación o desactivación de determinados genes- en iPSC humanas puede guiarlas para que se diferencien en distintos tipos de células, como neuronas, fibroblastos y muchas otras. El equipo optó por seguir esta estrategia para producir células de la granulosa humanas y comenzó por buscar en conjuntos de datos para identificar los TF que se expresan de forma diferente en las células de la granulosa en comparación con otros tipos celulares. Encontraron 35 TF candidatos y utilizaron una técnica llamada "transposición piggyBac" para insertar los genes que codificaban esos TF en los genomas de las iPSC.

Tras inducir la expresión de sus TF diana en las iPSC, examinaron las células para ver cuáles producían también una proteína llamada FOXL2, que es un sello distintivo conocido de las células de la granulosa. Identificaron seis TF principales asociados con la expresión de FOXL2: NR5A1, RUNX1/RUNX2, TCF21, GATA4, KLF2 y NR2F2. A continuación, probaron diferentes combinaciones de estos candidatos principales y descubrieron que NR5A1 y RUNX1 o RUNX2 regulaban al alza la expresión de FOXL2. Estas combinaciones también impulsaron la expresión de dos proteínas llamadas AMHR2 y CD82, que son marcadores de superficie de las células de la granulosa.

A continuación, los investigadores analizaron el transcriptoma completo de sus nuevas células y descubrieron que expresaban otros genes que se sabe que están activos en las células de la granulosa. Al comparar sus datos con los de otros estudios sobre células ováricas fetales humanas, descubrieron que la expresión génica de sus células era muy similar a la de las células de la granulosa de un ovario humano de 12 semanas de gestación, pero que sólo habían tardado cinco días en generarse con su nuevo método.

El equipo necesitaba asegurarse de que estas nuevas células granulosas también reprodujeran las funciones normales de las células de la granulosa. Una de esas funciones es la producción de estradiol a partir de la molécula precursora androstenediona, que se estimula en el ovario por la presencia de la hormona foliculoestimulante (FSH). Los investigadores trataron sus células granulosas con androstenediona y luego añadieron FSH. Las células produjeron con éxito estradiol a partir de androstenediona sin añadir FSH, y aumentaron su producción cuando se añadió FSH. También produjeron progesterona, que las células de la granulosa segregan tras la ovulación.

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Ahora que estaban seguros de que sus células granulosas funcionaban de forma muy similar a las reales, los investigadores las co-cultivaron con células germinales primordiales humanas (hPGCLC) para formar organoides ováricos u "ovaroides" que incluían tanto células germinales como somáticas.

"Crear las células de la granulosa por sí solas fue un logro importante, pero fabricar un ovaroide sólo con células de la granulosa no nos diría nada sobre su capacidad para favorecer la maduración de las células germinales, que era lo que queríamos poder estudiar in vitro", explica el coautor Christian Kramme, doctor y vicepresidente de ingeniería celular de Gameto y antiguo estudiante de posgrado del grupo de Church en el Instituto Wyss y el HMS, Vicepresidente de Ingeniería Celular de Gameto y antiguo estudiante de posgrado en el grupo de Church en el Instituto Wyss y el HMS. "Este proceso se había reproducido anteriormente utilizando hPGCLC y células somáticas de ratón, pero con esta nueva tecnología, ahora tenemos la capacidad de hacerlo con un modelo totalmente humano".

Tras cuatro días de cocultivo de sus células similares a la granulosa con hPGCLC, los ovaroides resultantes empezaron a producir una proteína llamada DAZL, que es un marcador de las células germinales que han emprendido su viaje de maduración. En cambio, los ovaroides fabricados con células somáticas de ratón no expresaron DAZL hasta el día 32. Las células germinales humanas no vivieron lo suficiente como para seguir desarrollándose hasta convertirse en óvulos, pero los ovaroides humanos empezaron a formar estructuras foliculares vacías compuestas por células granulosas al cabo de unos 16 días, a pesar de que no había óvulos. A los 70 días, se habían formado numerosos folículos de distintos tamaños dentro de las ovaroides, algunos de los cuales habían desarrollado múltiples capas características de los folículos maduros capaces de albergar un óvulo.

La producción eficiente de ovaroides totalmente humanos que reproducen la señalización hormonal, la maduración de las células germinales y la formación de folículos que se observa en el ovario humano es una hazaña en sí misma, pero el hecho de que esto se pueda hacer en cinco días en lugar del mes que se requiere con los ovaroides híbridos humano/ratón acelerará drásticamente el descubrimiento de información crítica sobre la salud y la reproducción de la mujer".de la salud y la reproducción de la mujer", ha declarado Church, autor principal del estudio y miembro del cuerpo docente del Instituto Wyss, además de catedrático de Genética del HMS.

El equipo de Wyss sigue desarrollando su modelo ovaroide humano y planea integrar otros tipos de células ováricas, incluidas las células de Theca productoras de hormonas, para reproducir más plenamente las complejas funciones del ovario humano. También esperan mejorar su sistema de cultivo para permitir que sus células germinales se desarrollen plenamente hasta convertirse en óvulos, y determinar la dosis óptima de los distintos TF. Gameto, por su parte, ha realizado estudios preclínicos de un sistema de co-cultivo derivado para la maduración de óvulos en humanos con destacadas clínicas nacionales de fertilidad.

"La mitad de la población humana es femenina y, sin embargo, históricamente la salud de la mujer no ha recibido ni de lejos la atención ni la financiación que reciben las enfermedades que afectan a los hombres. Estoy muy contento de ver este importante paso adelante en el estudio de los ovarios humanos en el laboratorio, y espero con interés los conocimientos que este modelo proporcionará sobre la salud reproductiva y las enfermedades femeninas", dijo el Dr. Don Ingber, Director Fundador de Wyss, Ingber es también catedrático Judah Folkman de Biología Vascular en el HMS y el Hospital Infantil de Boston, y catedrático Hansjörg Wyss de Ingeniería Bioinspirada en la Escuela John A. Paulson de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard.

Otros autores del artículo son Patrick Fortuna, Jessica Adams, Alina Su y Edward Dong, del Instituto Wyss; Mutsumi Kobayashi, Toshi Shioda y Garyk Brixi, de HMS; Pranam Chatterjee, de la Universidad de Duke; Emma Tysinger, del MIT; y Richie Kohman, antiguo miembro del Instituto Wyss y actual director general del Centro Wyss de Bioingeniería y Neuroingeniería.

Esta investigación ha contado con el apoyo del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard, la OTD de Harvard, acuerdos de investigación patrocinados entre el Instituto Wyss y los socios industriales Gameto y Colossal, y la National Science Foundation.