3.1: — Modelos Neuronales in vitro

Una variedad de modelos in vitro pueden ser utilizados para examinar circuitos, así como para probar muchas de las técnicas mencionadas en esta unidad y ayudar a comprender el desarrollo del sistema nervioso. A menudo, estos modelos in vitro se han desarrollado para proporcionar una comprensión simplificada de la condición in vivo mucho más compleja. Estos modelos de complejidad reducida permiten un enfoque simplificado para estudiar procesos neuronales clave tanto a nivel celular como molecular. Al mismo tiempo, algunas preparaciones tisulares sufren varias limitaciones debido a su simplicidad, reduciendo las comparaciones directas in vivo.

Sistemas de expresión y líneas celulares inmortalizadas

Los modelos electrofisiológicos in vitro más simples incluyen sistemas de expresión heterólogos y recombinantes que son células/líneas celulares que pueden mantenerse en cultivo durante un periodo prolongado de tiempo. Las células/líneas celulares utilizadas típicamente como heterólogas (por ejemplo, ovocitos de Xenopus; o sistemas de expresión recombinantes (por ejemplo, células 293 de riñón embrionario humano (HEK-293), células de ovario de hámster chino (CHO)) que se mantienen fácilmente, permiten manuales y automatizadas técnicas electrofisiológicas y expresan altos niveles de proteína deseada en un corto periodo de tiempo que pueden ser observados consistentemente. Como tales, estos sistemas han sido ampliamente utilizados para evaluar las propiedades farmacológicas y las relaciones estructura-función de múltiples canales iónicos neuronales. Sin embargo, a pesar de su simplicidad y uso ubicuo, estas células carecen de muchas de las complejidades asociadas con la función neuronal dentro del cerebro intacto (por ejemplo, asociaciones de redes, interacciones gliales y regulación del desarrollo), una desventaja al modelar el cerebro. Además, estas células son típicamente de origen no neuronal y por lo tanto carecen del mismo nivel sofisticado de arquitectura celular, organización subcelular o bioquímica asociada con preparaciones neuronales nativas.

Los primeros esfuerzos para abordar estas preocupaciones no neuronales se centraron en las células neuronales derivadas del tumor C-1300 de neuroblastoma de ratón (por ejemplo, N1E-115)) o la línea celular de neuroblastoma humano SH-SY5Y. Sin embargo, los avances posteriores en biología molecular permiten el uso de células madre neurales (NSC). Las NSC son células no comprometidas con potencial de autorrenovación y la capacidad de diferenciarse en células de todos los linajes neuronales. Estas células pueden derivarse de varias fuentes tales como células madre embrionarias pluripotentes aisladas del blastocisto, sangre de cordón umbilical humano, células madre pluripotentes inducidas y progenitores somáticos multipotentes derivados de varios tejidos incluyendo el SNC. Electrofisiológicamente, estas células poseen corrientes Na ⁺, K ⁺ y Ca ²⁺ que se asemejan a los patrones conocidos descritos para sus homólogos neuronales in vivo, incluso en etapas tempranas de diferenciación. Además, estas células también son capaces de formar sinapsis rudimentarias, pero funcionales, glutamatérgicas y GABAérgicas en cultivo. Las limitaciones en el uso de células obtenidas de adultos ofrecen un potencial de linaje neural limitado y senesce después de solo unos pocos pasajes (Jakel, Schneider, & Svendsen, 2004). Además, los cultivos NSC pueden poseer mezclas de neuronas tanto indiferenciadas como diferenciadas, para lo cual algunas neuronas son inmaduras en el desarrollo, y por lo tanto dificultan la extrapolación de datos al adulto en condición in vivo.

Cultivos primarios neuronales disociados

Aumentando su complejidad, los cultivos primarios neuronales disociados representan otra preparación tisular común. Estos cultivos se disocian mecánica y enzimáticamente de diversas regiones del cerebro (por ejemplo, hipocampo, corteza, cerebelo, cuerpo estriado, mesencéfalo, ganglio cervical superior, etc.) y consisten en un tipo de célula neuronal predominante, una co-mezcla de diferentes poblaciones neuronales o mixtas cultivos neuronales-gliales. Las neuronas y astrocitos disociados conservan gran parte de su capacidad funcional in vitro, lo que permite que estas preparaciones aborden muchos procesos importantes observados en la condición in vivo, como la dinámica de red y las interacciones neuronal-gliales, pero las neuronas disociadas no se pueden mantener en cultivo por períodos prolongados de tiempo y por lo tanto se requiere que estén recién aislados y cultivados de forma regular.

Modelos de organoides neuronales tridimensionales (3D)

El modelo neuronal 3D representa el siguiente nivel de complejidad para los modelos in vitro del SNC. Al igual que las preparaciones bidimensionales (2D) discutidas anteriormente, los cultivos de células cerebrales 3D pueden consistir en una co-mezcla de diferentes poblaciones neuronales y no neuronales. Curiosamente, en lugar de cultivarse en una monocapa plana tradicional, se crean cultivos cerebrales 3D de hasta 10 diámetros celulares de espesor dentro de cultivos reagregados o esféricos (es decir, esferoides), cultivos de hidrogel/andamiaje o cultivos de biorreactores rotatorios con agregados celulares o microportadores . Cuando se cultivan en un entorno 3D, las células neuronales demuestran una mejor supervivencia y se comportan de manera diferente en comparación con los modelos 2D tradicionales. Como tales, estos modelos promueven un mejor desarrollo de la funcionalidad de canal iónico activado por voltaje nativo, potenciales de membrana en reposo, dinámica intracelular de Ca2 +, intercambio Na+/H+, neurogénesis y diferenciación potenciada, formación de sinapsis, movilidad neuronal y mielinización axónica (Lancaster y Knoblich, 2014; Lancaster et al., 2013; LaPlaca et al., 2010; van Vliet et al., 2007).