Diferenciación de linajes del sistema nervioso entérico a partir de células madre pluripotentes humanas

El sistema nervioso entérico (SNE) es el componente más grande del sistema nervioso periférico. El SNE contiene más de 400 millones de neuronas que se encuentran dentro del tracto gastrointestinal y controlan casi todas las funciones del intestino. La comprensión molecular del desarrollo y la función del SNE y sus defectos en las neuropatías entéricas requiere el acceso a una fuente fiable y auténtica de neuronas entéricas. El acceso al tejido primario humano es limitado, y los modelos animales no logran recapitular los fenotipos clave de la enfermedad en muchas neuropatías entéricas. La tecnología de células madre pluripotentes humanas (hPSC) ha demostrado ser extremadamente beneficiosa para proporcionar una fuente ilimitada de los tipos de células deseados, especialmente aquellas que son difíciles de aislar de las fuentes primarias 2,3,4,5,6,7. Aquí, proporcionamos detalles de un método in vitro robusto y escalonado para obtener cultivos de ENS a partir de hPSCs. Estos cultivos escalables derivados de hPSC abren vías para los estudios de desarrollo, el modelado de enfermedades y el cribado de fármacos de alto rendimiento, y pueden proporcionar células trasplantables para la medicina regenerativa.

Los linajes de neuronas entéricas se derivan de las células de la cresta neural (NC) que siguen la ruta de desarrollo del ENS durante la embriogénesis. En los embriones, las células NC emergen a lo largo de los márgenes de la placa neural plegada. Proliferan, migran y dan lugar a muchos tipos diferentes de células, incluidas las neuronas sensoriales, las células de Schwann, los melanocitos, el esqueleto craneofacial y las neuronas entéricas y la glía ^8,9,10. La decisión sobre el destino de la célula depende de la región distinta a lo largo del eje anteroposterior de la que emergen las células NC, es decir, NC craneal, NC vagal, NC troncal y NC sacra. El SNE se desarrolla a partir de células NC vagales y sacras, dominando las primeras la población de neuronas entéricas debido a la extensa migración a lo largo del intestino y colonizando el intestino¹¹.

La derivación de células NC a partir de PSCs comúnmente implica una combinación de inhibición dual de SMAD y activación de la vía WNT^12,13. Hasta hace poco, todos los protocolos de inducción de NC incluían aditivos de suero y otros productos animales en las condiciones de cultivo. Los medios químicamente indefinidos no solo reducen la reproducibilidad de la inducción de NC, sino que también desafían los estudios mecanicistas del desarrollo. Para superar estos desafíos, Barber et al¹⁴ desarrollaron un protocolo de inducción de NC utilizando condiciones de cultivo químicamente definidas y, por lo tanto, fue ventajoso sobre los métodos alternativos que dependen de factores de reemplazo sérico (por ejemplo, KSR)^13,14. Esto se obtuvo mediante reemplazos de medios basales y optimización de un protocolo presentado originalmente por Fattahi et al para derivar células NC entéricas a partir de hPSCs. Este sistema mejorado es la base del protocolo de diferenciación de hPSC que se presenta aquí. Comienza con la inducción de las células de la cresta neural entérica (ENC) en un período de 15 días mediante la modulación precisa de la señalización de BMP, FGF, WNT y TGFβ además del ácido retinoico (AR). A continuación, derivamos los linajes de ENS mediante el tratamiento de células con factor neurotrófico derivado de líneas celulares gliales (GDNF). Todas las composiciones de los medios están definidas químicamente y producen cultivos neuronales entéricos robustos en un plazo de 30 a 40 días.

Además del sistema de cultivo celular monocapa descrito aquí, se han desarrollado enfoques alternativos de inducción de NC que utilizan cuerpos embrioides que flotan libremente^15,16. Se ha demostrado que las células migratorias en estos cultivos expresan marcadores NC con un subconjunto que representa el NC vagal. Se han utilizado cocultivos con tejido intestinal primario para enriquecer los precursores entéricos de NC en estos cultivos. Las composiciones de los medios en estos estudios contienen una combinación de diferentes factores, como el factor de crecimiento nervioso, NT3 y el factor neurotrófico derivado del cerebro. En esta etapa, no está completamente claro cómo estos factores podrían afectar las identidades de compromiso de los precursores de neuronas entéricas. Para una comparación eficiente de la inducción entérica de NC en los cultivos monocapa y en los cultivos basados en cuerpos embrioides, se necesitan más datos. Teniendo en cuenta los diferentes diseños de cultura en estas estrategias, el uso de cada método debe considerarse y optimizarse de acuerdo con la aplicación específica en mente.

El protocolo presentado aquí es reproducible y ha sido probado con éxito por nosotros y otros utilizando diferentes líneas de hPSC (inducidas y embrionarias) ^8,14,16.