Las células madre pluripotentes humanas (hPSC), es decir, tanto embrionarias como pluripotentes inducidas, han revolucionado las ciencias biomédicas al proporcionar un acceso sin precedentes a células humanas diferenciadas y en proceso de desarrollo. Si bien las terapias celulares basadas en células madres ahora están llegando a los ensayos clínicos, el mayor impacto de las células madres continúa siendo el proporcionar nuevas plataformas experimentales biomiméticas para investigar el desarrollo humano, la biología, la fisiología y las enfermedades. Los modelos derivados de celulas madres humanas se pueden personalizar para los pacientes mediante el uso de células madre pluripotentes inducidas (iPSC), y evitan las diferencias inherentes que existen entre roedores y humanos. La necesidad de modelos biomiméticos humanos está respaldada por la tasa de traslación clínica abismal de las terapias validadas únicamente en roedores, especialmente para trastornos del sistema nervioso central (CNS). Recientemente, se observó que agregados tridimensionales de celulas madres humanas que se diferencian neurológicamente se transforman espontáneamente fuera del cuerpo en masas organotípicas, llamados organoides cerebrales, que contienen diversos tejidos cerebrales. El descubrimiento de este comportamiento emergente innato plantea la posibilidad de que la morfogénesis del sistema nervioso central humano pueda diseñarse fuera del cuerpo humano para generar diversos tejidos del cerebro y la de la espina dorsal con estructura biomimética, composición celular, arquitectura celular, organización espacial de micro-a-milímetro de fenotipos celulares, e incluso funcionar a través de circuitos neuronales biomiméticos. Sin embargo, para lograr esta posibilidad, el proceso actual de morfogénesis organoide espontáneo y aleatorio debe convertirse en uno instruido y estandarizado, un requisito previo para la traducción de organoides neurales humanos como modelos y trasplantes clínicamente predictivos. En busqueda de este objetivo, mi laboratorio combina el desarrollo neurológico y la biología de la las células madres con plataformas de biomateriales diseñadas para crear metodologías novedosas para instruir la morfogénesis de los tejidos neurales humanos fuera del cuerpo. Este premio NSF CAREER utiliza plataformas de cultivo innovadoras para desarrollar metodologías estandarizadas para la ingeniería reproducible de los organoides de la espina dorsal humana. Se eligió este nuevo organoide neural debido a la simplicidad del la morfología de este tejido comparado con la espina dorsal humana. Aún así, las metodologías propuestas para producir organoides neuronales pueden implementarse para diseñar diversos organoides, tales como organoides cardíacos e intestinales debido a sus procesos de morfogénesis análogos. Esta propuesta pone a prueba las siguientes tres hipótesis de ingeniería de organoides: 1) El control espacial de la morfología del organoide en escalas de desarrollo puede inducir la estructura correcta del tejido biomimético. 2) Los gradientes de morfogenes se pueden aplicar para instruir la diferenciación la composición celular biomimética y la citoarquitectura del tejido dentro de los organoides. 3) Ensamblaje dirigido de los tejidos organoides neurales puede inducir la formación de circuitos neurales biomiméticos. Además, buscamos promover el desarrollo de una fuerza laboral diversa para las futuras industrias de ingeniería de tejidos basadas en celulas madres mediante la integración de un enfoque multifacético para inspirar y educar al público en general y a los estudiantes, especialmente a las minorías poco representadas.
