Ronald Palacios Castrillo
Abstracto
El embrión humano sufre transformaciones morfogenéticas tras su implantación en el útero, pero nuestro conocimiento de esta etapa crucial está limitado por la incapacidad de observar el embrión in vivo. Los modelos del embrión derivados de células madre son herramientas importantes para interrogar los eventos del desarrollo y la interferencia entre tejidos durante estas etapas.Weatherbee, B.A.T., Gantner, C.W., Iwamoto-Stohl, L.K. et al. (Pluripotent stem cell-derived model of the post-implantation human embryo. Nature 622, 584–593 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06368-y) establecieron un modelo del embrión humano postimplantación, un embrioide humano, compuesto por tejidos embrionarios y extraembrionarios.
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Combinaron dos tipos de células extraembrionarias generadas por la sobreexpresión de factores de transcripción con células madre embrionarias de tipo salvaje y promovieron su autoorganización en estructuras que imitan varios aspectos del embrión humano postimplantación. Estos agregados autoorganizados contienen un dominio pluripotente similar a un epiblasto rodeado de tejidos similares a extraembrionarios.
Estos estudios funcionales demuestran que el dominio tipo epiblasto se diferencia fuertemente en amnios, mesénquima extraembrionario y células germinales primordiales en respuesta a señales de proteínas morfogenéticas óseas. Además, los autores identificaron un papel inhibidor de SOX17 en la especificación de células similares a hipoblastos anteriores. La modulación de las subpoblaciones en el compartimento tipo hipoblasto demuestra que las células de tipo extraembrionario influyen en la diferenciación del dominio tipo epiblasto, destacando la diafonía funcional entre tejidos.
En conclusión, los autores presentaron un modelo modular, manejable e integrado del embrión humano que permitirá sondear cuestiones clave del desarrollo humano postimplantación, una ventana crítica durante la cual fracasa un número sustancial de embarazos.
La reproducción humana es notablemente ineficiente: se estima que el 60% de los embarazos no progresan durante las dos primeras semanas después de la fertilización. El blastocisto humano está formado por el trofectodermo más externo (un precursor de la placenta) y la masa celular interna, que da origen tanto al epiblasto embrionario como al precursor del saco vitelino (el hipoblasto).
Entre 7 y 8 días después de la fertilización (dpf), el blastocisto se implanta en el endometrio y el epiblasto se polariza y pasa del estado ingenuo de pluripotencia al estado preparado. Dentro del epiblasto se forma una cavidad amniótica central que separa el epitelio amniótico dorsal y el epiblasto ventral, que da origen al embrión propiamente dicho.
Un subconjunto de células en el hipoblasto mantiene la expresión de NODAL, la proteína morfogenética ósea (BMP) y los inhibidores de WNT, salvaguardando el futuro epiblasto anterior de señales de posteriorización durante la formación de la raya primitiva. Un tejido extraembrionario adicional, el mesénquima extraembrionario, se encuentra entre los tejidos derivados de la masa celular interna y el trofoblasto; sin embargo, el origen de estas células sigue sin estar claro.
Trabajos recientes en embriones de ratón establecieron condiciones propicias para el cultivo in vitro de embriones humanos mediante implantación. Sin embargo, el trabajo mecanicista en el embrión humano sigue siendo un desafío. Por tanto, los modelos de embriones derivados de células madre servirán como una importante herramienta complementaria para comprender este período crucial del desarrollo humano.
Varios grupos han informado de la generación de estructuras similares a blastocistos derivadas de células madre embrionarias (ES) humanas, pero estas se desarrollan mal hasta las etapas posteriores a la implantación. Otros modelos, incluidos los gastruloides, los micropatrones 2D y los esferoides, pueden modelar aspectos del desarrollo postimplantación pero se derivan completamente de células ES humanas, carecen de tejidos extraembrionarios específicos y no recapitulan la morfología del embrión.
La derivación de líneas celulares específicas de linaje ofrece posibilidades para modelar estos tejidos in vitro. Sin embargo, generar un sistema modelo modular e integrado que incluya tejidos embrionarios y extraembrionarios ha resultado un desafío. Esto puede deberse a los moduladores opuestos de la vía de señalización necesarios en el cultivo de células ES humanas, la diferenciación celular tipo hipoblasto y la diferenciación celular tipo trofoblasto.
Además, aunque la diafonía entre tejidos es una ventaja de los sistemas modelo integrados, la generación de estructuras similares a embriones en un medio que contiene factores exógenos puede comprometer la autoorganización impulsada por los tejidos. Dadas estas limitaciones y la capacidad de los modelos de tres linajes para imitar el desarrollo del ratón, los investigadores siguieron el enfoque de sobreexpresar factores de transcripción que pueden impulsar la activación posterior de programas genéticos de tipo extraembrionario sin la necesidad de factores exógenos.
Los agregados de células inducidas para sobreexpresar factores extraembrionarios y las células ES humanas de tipo salvaje son capaces de autoorganizarse en estructuras similares a embriones, que imitan varias características del desarrollo postimplantación, incluida la lumenogénesis, la amniogénesis, la formación de células germinales primordiales y la especificación de la hipoblasto anterior. En particular, los embrioides humanos inducibles son modulares, no dependen de factores de señalización exógenos y son susceptibles a la perturbación genética.
Weatherbee, y colaboradores (Pluripotent stem cell-derived model of the post-implantation human embryo. Nature 622, 584–593 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06368-y)han generado un modelo derivado de células madre de múltiples linajes del embrión humano postimplantación que se somete a una lumenogénesis y diferenciación de dominio similar a epiblasto que refleja interacciones relevantes para el desarrollo entre tejidos extraembrionarios y embrionarios. Este modelo inducible del embrión humano derivado de células madre genera células similares al amnios en respuesta a la señalización de BMP que maduran progresivamente.
De manera similar, las células germinales primordiales similares se diferencian fácilmente en este modelo de células madre del embrión humano, y presentan evidencia de que estas células se especifican a lo largo de la trayectoria de diferenciación del amnios, probablemente originándose a partir de un progenitor común AP2α positivo, como se informó en otros sistemas in vitro.
También observaron células extraembrionarias similares a mesenquimas, que se parecen mucho a las del embrión de primate. El análisis sugieren una trayectoria desde la población similar a epiblasto tardío a través de un intermedio mesodérmico, en línea con un protocolo de diferenciación de mesénquima extraembrionario in vitro recientemente identificado, datos de macaco cynomolgus y observaciones históricas en macaco rhesus y embriones humanos.
Inesperadamente, la modulación de los transgenes utilizados para impulsar la identidad de tipo hipoblasto altera el equilibrio de la contribución del hipoblasto desde las células tipo hipoblasto CER1 negativas a las células tipo hipoblasto CER1 positivas, lo que demuestra que la sobreexpresión de SOX17 bloquea la formación de hipoblasto anterior CER1 positivo.
La señalización NODAL es necesaria para la formación de endodermo visceral anterior de ratón positivo para CER1 y SOX17 puede restringir la actividad NODAL excesiva y antagonizar sus objetivos. La baja actividad NODAL observada en embrioides humanos inducibles, agravada por la sobreexpresión de SOX17, puede explicar, en parte, los bajos niveles de formación de hipoblastos anteriores en embrioides. Además, el entorno NODAL bajo, combinado con la falta de hipoblasto anterior, puede contribuir a la diferenciación de la población similar a epiblasto con el tiempo.
En los modelos de embriones humanos con hipoblasto positivo para CER1, se observa un aumento notable en la expresión de Brachyury en forma de raya primitiva a pesar de la pérdida de células positivas para CER1 en el día 6. Se presume que la presencia transitoria de una población similar a hipoblasto anterior protege pluripotencia del dominio similar al epiblasto durante un período más largo, lo que permite que las células salgan de la pluripotencia en una etapa celular competente para la gastrulación más tardía en el desarrollo.
Estos resultados contrastan con los embrioides que carecen de una población similar a hipoblasto anterior, que generan predominantemente amnios. Estos datos apuntan a la existencia potencial de un estado pluripotente intermedio distinto que es capaz de dar lugar tanto al amnios como al mesénquima extraembrionario, pero no a derivados de la capa germinal.
La generación modular de embrioides integrados a partir de sus partes constitutivas será útil para interrogar el papel de tejidos específicos y los requisitos genéticos específicos de cada tejido.
Sin embargo, el uso de la sobreexpresión del factor de transcripción para generar tejidos extraembrionarios también puede provocar deficiencias en la diferenciación. Por ejemplo, aunque la inducción de GATA3-AP2γ impulsa programas de genes similares a trofoblastos en 2D, al agregarse en el presente modelo similar a un embrión humano, esta población celular regula positivamente de manera aberrante los marcadores endodérmicos (incluidos SOX17 y GATA6).
Sin embargo, las células inducibles por GATA3-AP2γ son necesarias para la organización exitosa de una estructura similar a un embrión y es probable que actúen como una fuente crucial de BMP. El estado pluripotente inicial es un factor crucial en la inducción de redes reguladoras de genes posteriores, y se proporciona evidencia de que los modelos de embriones se forman de manera eficiente utilizando células ES humanas en etapa de periimplantación, pero no células ES humanas más ingenuas.
Sin embargo, dado que la inducción de redes de genes de trofoblasto parece más sólida en células ES humanas ingenuas, el uso de células pluripotentes discordantes puede generar modelos de embriones que recapitulen mejor el embrión. Asimismo, pueden ser necesarias diferentes combinaciones de factores de transcripción para la especificación del linaje a partir de diferentes estados iniciales. Por lo tanto, un trabajo adicional que investigue el paisaje epigenético y los sitios de unión de estos factores puede ser útil para mejorar las estrategias para generar células extraembrionarias auténticas.
En resumen, los investigadores presentan un modelo modular de desarrollo humano postimplantación que incluye células tanto embrionarias como extraembrionarias. Los modelos de embriones postimplantación se autoorganizan y, en casos raros, muestran la formación de ejes.
Se necesita una mayor optimización para permitir el mantenimiento de todos los linajes principales del embrión postimplantación con su potencial de diferenciación más completo y su morfología similar a la del embrión. Como este modelo no puede implantarse, no tiene la capacidad de desarrollarse hacia etapas fetales y no imita etapas más allá de la formación de estrías primitivas ni contiene todos los tipos de células del embrión en etapa de gastrulación.
Sin embargo, la construcción de estos modelos integrados del embrión humano postimplantación es un paso importante hacia estudios mecanicistas del desarrollo postimplantación que son imposibles de realizar en el embrión humano real.