Transient Vascular Cell Integration and Intrinsic Media-Stimulated Endothelial Activation Reveal Diabetic Retinopathy Signatures in Human Retinal Organoids

El ojo humano depende de una delicada capa de tejido en la parte posterior llamada retina para convertir la luz en las imágenes que vemos. Este tejido no es solo una pantalla pasiva; es una red compleja de neuronas vivas que requiere un suministro constante de oxígeno y nutrientes entregados por una densa red de diminutos vasos sanguíneos. Sin este soporte vascular, las células en el centro de la retina comienzan a morir, lo que conduce a la ceguera en condiciones como la retinopatía diabética. Durante décadas, los científicos han intentado cultivar versiones en miniatura de la retina humana en el laboratorio utilizando células madre. Estas diminutas estructuras que se autoorganizan, conocidas como organoides, han sido invaluables para estudiar cómo se desarrolla el ojo. Sin embargo, ha persistido una limitación importante: estas retinas cultivadas en laboratorio siguen siendo mayoritariamente avasculares, lo que significa que carecen de los vasos sanguíneos necesarios para sostenerlas a largo plazo. En consecuencia, a menudo no logran madurar completamente o modelar enfermedades donde la falla de los vasos sanguíneos es la causa raíz.

Los investigadores han buscado durante mucho tiempo resolver esto añadiendo vasos sanguíneos a estos ojos cultivados en laboratorio, pero hacerlo sin destruir la intrincada estructura estratificada de la retina ha resultado difícil. Simplemente mezclar los dos tipos de tejido a menudo resulta en un desorden desorganizado donde las delicadas capas de neuronas colapsan. Además, no ha estado claro si los vasos sanguíneos y las células inmunitarias necesarios para apoyar la retina deben añadirse desde el exterior, o si el propio tejido retinal posee la capacidad latente de generar estas células de apoyo bajo las condiciones adecuadas. Comprender esta distinción es crítico para crear modelos precisos de enfermedades oculares, particularmente para condiciones como la diabetes, donde el alto nivel de azúcar en sangre daña los diminutos vasos en el ojo, causando inflamación y pérdida de visión.

Un equipo de científicos de la Universidad de Newcastle e instituciones colaboradoras ha dado ahora un paso significativo hacia la resolución de este rompecabezas. Lograron cultivar organoides retinales humanos que incorporaban células de vasos sanguíneos y células inmunitarias, pero con un giro crucial: la integración fue temporal, y el momento de la adición fue la clave. Al introducir estas células vasculares en una etapa temprana específica del desarrollo, los investigadores descubrieron que los organoides podían mantener su estructura estratificada adecuada e incluso responder a la luz, de forma muy similar a una retina humana sana. Quizás de forma más sorprendente, descubrieron que cuando cultivaban organoides retinales en un entorno rico en nutrientes y promotor de vasos sanguíneos sin añadir ningún vaso externo, los organoides generaban espontáneamente sus propios vasos sanguíneos internos de tipo inflamatorio. Estas células autogeneradas mostraban firmas genéticas notablemente similares a las observadas en ojos humanos que sufren de retinopatía diabética, ofreciendo una nueva forma de estudiar la enfermedad sin necesidad de manipular los niveles de azúcar en un plato.

Los investigadores comenzaron creando "organoides vasculares" a partir de células madre humanas. Estos son pequeñas esferas tridimensionales de tejido que se desarrollan naturalmente en una mezcla de células de vasos sanguíneos, células de soporte y células inmunitarias. Luego probaron dos estrategias diferentes para fusionar estos organoides vasculares con organoides retinales en desarrollo. En el primer enfoque, intentaron fusionar dos organoides completamente formados, pero esto resultó en una pérdida de las capas organizadas de la retina después de unas semanas. El segundo enfoque resultó ser mucho más exitoso. El equipo descompuso los organoides vasculares en células individuales y las esparció sobre una lámina plana de tejido retinal en desarrollo antes de que el tejido se enrollara en una esfera 3D. Hicieron esto en dos momentos diferentes: cuando las células vasculares eran jóvenes (día 12) y cuando eran más maduras (día 30).

Los resultados mostraron que el momento de esta introducción lo era todo. Cuando los investigadores añadieron las células vasculares más jóvenes, del día 12, los organoides desarrollaron cierta estructura, pero la integración era menos estable. Sin embargo, cuando añadieron las células vasculares más maduras, del día 30, el resultado fue notable. Las células vasculares migraron al tejido retinal y persistieron por un tiempo, pero, crucialmente, lo hicieron sin romper la delicada arquitectura de la retina. Los organoides mantuvieron sus capas distintivas, con los fotorreceptores en el exterior y las células nerviosas en el interior, tal como ocurre en un ojo humano. Lo más importante es que estos organoides siguieron siendo funcionales. Al exponerlos a la luz, las células nerviosas de los organoides emitieron señales eléctricas, indicando que la compleja circuitería de la retina se había formado correctamente a pesar de la presencia de las nuevas células de los vasos sanguíneos.

Aunque las células vasculares eventualmente se desvanecieron de los organoides después de unos 100 días, el experimento reveló una capacidad oculta dentro del propio tejido retinal. En un grupo de control donde los investigadores cultivaron organoides retinales en un líquido especial diseñado para fomentar el crecimiento de los vasos sanguíneos pero sin añadir células vasculares externas, los organoides comenzaron a producir sus propios vasos sanguíneos similares. Estas células no eran los vasos organizados y sanos que se encuentran en un ojo vivo. En su lugar, aparecieron como cúmulos desorganizados que expresaban marcadores de inflamación y estrés.

Cuando los científicos analizaron el código genético de estas células autogeneradas, encontraron una conexión sorprendente con la enfermedad humana. Las células portaban un conjunto específico de instrucciones genéticas que coincidían con el perfil de las células de los vasos sanguíneos de ojos humanos expuestos a altos niveles de azúcar, una característica de la diabetes. Estas células mostraban signos de inflamación y una transición hacia un estado más rígido y similar a una cicatriz, que son señales de alerta temprana de la retinopatía diabética. Esto sucedió incluso sin que los investigadores añadieran azúcar extra al cultivo; la mera presencia del líquido promotor de vasos sanguíneos fue suficiente para desencadenar este estado similar a la enfermedad en las propias células del organoide.

El estudio también arrojó luz sobre el sistema inmunológico dentro del ojo. Los investigadores descubrieron que las células inmunitarias, específicamente un tipo de glóbulo blanco conocido como microglía, aparecían naturalmente en todos los organoides, independientemente de si se añadían células externas. Estas células se movían a través del tejido, cambiando su forma de redonda a ramificada a medida que los organoides maduraban, imitando el comportamiento de las células inmunitarias en un ojo humano en desarrollo. Esto sugiere que la retina tiene una capacidad intrínseca para reclutar y albergar sus propias defensas inmunológicas, una característica que es esencial para estudiar cómo la inflamación contribuye a la enfermedad ocular.

Los hallazgos desafían la suposición de que todos los vasos sanguíneos y las células inmunitarias deben añadirse desde el exterior para estudiar las enfermedades retinales. En cambio, la investigación sugiere que el propio tejido retinal contiene el potencial para generar estos sistemas de apoyo, pero el entorno en el que crecen dicta si se vuelven sanos o enfermos. Cuando el entorno es demasiado agresivo o carece de las señales físicas adecuadas, los organoides generan una versión caótica e inflamatoria de los vasos sanguíneos que refleja el daño visto en la retinopatía diabética.

Este trabajo proporciona una nueva herramienta para comprender cómo la falla de los vasos sanguíneos conduce a la ceguera. Al crear un modelo donde la retina genera sus propios vasos sanguíneos estresados, los científicos pueden ahora estudiar los eventos moleculares más tempranos de la retinopatía diabética en un contexto de tejido humano. La investigación también destaca la importancia del tiempo y el entorno en la ingeniería de tejidos. Muestra que, si bien añadir células vasculares maduras puede apoyar el desarrollo retinal sin causar daños, las condiciones utilizadas para cultivar estos tejidos deben controlarse cuidadosamente para evitar activar accidentalmente estados de enfermedad. La capacidad de cultivar un organoide retinal que sea tanto vascularizado como inmunocompetente, manteniendo su integridad estructural, representa un avance significativo en la creación de modelos realistas del ojo humano para probar nuevos tratamientos.