Tabla de contenidos
- Puntos clave
- Introducción
- Fuentes de células madre pluripotentes
- Células madre embrionarias (CME)
- Células madre muy pequeñas similares a embrionarias (CMVSE)
- Células madre derivadas de transferencia nuclear (CMDTN)
- Células madre reprogramadas (CMR)
- Células madre adultas
- Aplicaciones clínicas y direcciones futuras
- Consideraciones éticas
- Preguntas frecuentes
- Información de la fuente
Puntos clave
- Las células madre pueden renovarse por sí mismas y diferenciarse en tipos celulares especializados de las tres capas germinales.
- Existen cinco tipos principales de células madre: embrionarias, CMVSE, derivadas de transferencia nuclear, reprogramadas y células madre adultas.
- Las células madre pluripotentes inducidas (CMPI) pueden derivarse de células adultas como muestras de orina.
- Las células madre derivadas de transferencia nuclear se han utilizado para clonar primates, lo que ayuda en la investigación de enfermedades.
- Se están realizando ensayos clínicos para trasplantes de retina y médula espinal utilizando células madre.
Introducción
La investigación con células madre ha experimentado cambios revolucionarios durante los últimos 20 años, con avances particularmente rápidos en la última década. Este campo comenzó en 1961 cuando los investigadores canadienses los doctores James A. Till y Ernest A. McCulloch descubrieron por primera vez células madre en la médula ósea de ratones que podían diferenciarse en varios tipos celulares, estableciendo el concepto de células madre pluripotentes (PSCs): células capaces de convertirse en cualquier tipo celular del cuerpo.
El campo logró varios hitos críticos: la oveja Dolly fue clonada en 1996 mediante transferencia nuclear de células somáticas (SCNT), las primeras células madre embrionarias humanas (hESCs) se aislaron en 1998, y las células madre pluripotentes inducidas (iPSCs) se crearon en 2006 mediante la reprogramación de células adultas con solo cuatro factores de transcripción. La importancia de estos descubrimientos fue reconocida cuando Shinya Yamanaka y John Gurdon recibieron el Premio Nobel de 2012 por su trabajo que demostró que las células maduras podían ser reprogramadas a un estado pluripotente.
Los investigadores han identificado cinco categorías principales de células madre mediante revisión sistemática: células madre embrionarias (ESCs), células madre muy pequeñas similares a embrionarias (VSELs), células madre derivadas de transferencia nuclear (NTSCs), células madre reprogramadas (RSCs) y células madre adultas. Cada tipo ofrece ventajas y desafíos únicos para las aplicaciones clínicas. Solo las NTSCs se han utilizado para generar un organismo completo (monos en China, 2018), mientras que otros tipos se han empleado para generar tejidos y órganos.
Las células madre, particularmente las ESCs e iPSCs, muestran un gran potencial en cuatro áreas principales: medicina regenerativa y de trasplante, modelado de enfermedades, cribado para el descubrimiento de fármacos y biología del desarrollo humano. El campo continúa evolucionando desde los descubrimientos iniciales hacia la expansión de las aplicaciones clínicas, aunque persisten desafíos, especialmente en lo que respecta al control de la proliferación y diferenciación celular, ya que la tecnología de reprogramación de iPSCs sigue siendo relativamente nueva.
Fuentes de células madre pluripotentes
Las células madre pluripotentes (PSCs) se caracterizan por dos propiedades esenciales: autorrenovación (capacidad de proliferar) y potencia (capacidad de diferenciarse en tipos celulares especializados derivados de una de las tres capas germinales primarias: ectodermo, endodermo o mesodermo). Los investigadores utilizan tres ensayos principales para probar la pluripotencia en modelos de ratón.
El ensayo de formación de teratomas evalúa la generación espontánea de tejidos diferenciados de las tres capas germinales después del trasplante de células en ratones inmunodeprimidos. El ensayo de formación de quimeras prueba si las células madre contribuyen al desarrollo inyectándolas en embriones tempranos (blastocistos 2N) y verificando si las células donantes tienen capacidad de transmisión a la línea germinal, generan gametos funcionales y retienen la integridad cromosómica. El ensayo de complementación tetraploide (4N) determina la capacidad de las células pluripotentes dentro de un organismo completo inyectando células en embriones 4N y monitoreando las etapas de crecimiento para identificar linajes extraembrionarios resultantes de las células madre trasplantadas, en lugar del propio embrión.
Células madre embrionarias (ESCs)
Las células madre embrionarias humanas (hESCs) se obtienen de blastocistos en etapas tempranas (4-5 días post-fecundación), ya sea destruyendo el blastocisto fuente o recolectando tejidos de etapas posteriores (hasta 3 meses de edad gestacional). Estas fueron las primeras células madre aplicadas en aplicaciones de investigación y siguen siendo comúnmente utilizadas en ensayos clínicos hoy en día (como se registra en clinicaltrials.gov).
Las hESCs representan el estándar de oro para la pluripotencia, pero conllevan preocupaciones éticas respecto a la destrucción del embrión y posibles problemas de rechazo inmunológico cuando se trasplantan a pacientes. A pesar de estos desafíos, continúan proporcionando valiosas perspectivas sobre la biología del desarrollo y sirven como comparadores importantes para las nuevas tecnologías de células madre.
Células madre muy pequeñas similares a embrionarias (VSELs)
Un nuevo tipo de célula madre pluripotente llamada células madre muy pequeñas similares a embrionarias (VSELs) ha mostrado potencial desde su identificación en 2006. Más de 20 laboratorios independientes han confirmado su existencia, aunque algunos grupos han cuestionado su validez. Estas células son células madre de desarrollo temprano y pequeño tamaño que se encuentran en tejidos adultos y expresan marcadores de pluripotencia.
Las VSELs miden aproximadamente 3-5 micrómetros en ratones y 5-7 micrómetros en humanos (ligeramente más pequeñas que los glóbulos rojos). Expresan marcadores de ESCs, incluyendo SSEA, Oct-4A nuclear, Nanog y Rex1, junto con marcadores para células germinales primordiales migratorias como Stella y Fragilis. Su origen del desarrollo puede estar asociado con depósitos de la línea germinal en órganos en desarrollo durante la embriogénesis.
De acuerdo con un modelo propuesto en 2019, las VSELs se originan a partir de células germinales primordiales y se diferencian en tres destinos potenciales: células madre mesenquimales (MSCs), hemangioblastos (que incluyen células madre hematopoyéticas y células progenitoras endoteliales) y células madre comprometidas con tejidos específicos. Como células madre pluripotentes, las VSELs pueden tener la ventaja de poder diferenciarse a través de las capas germinales en animales adultos o humanos, potencialmente funcionando como una alternativa a las células madre comprometidas con tejidos monopotentes en adultos.
Las VSELs pueden superar varios problemas asociados con otros tipos de células madre: las controversias éticas de las ESCs y el riesgo de formación de teratomas (tumores) de las iPSCs. Esto las hace particularmente prometedoras para futuros estudios de células madre y aplicaciones clínicas donde estas preocupaciones presentan barreras significativas.
Células madre derivadas de transferencia nuclear (NTSCs)
Descubiertas originalmente en 1996, la técnica de transferencia nuclear de células somáticas (SCNT) ha evolucionado gradualmente para generar células madre derivadas de transferencia nuclear (NTSCs). Este proceso comienza mediante la implantación de un núcleo donante de una célula somática completamente diferenciada (como un fibroblasto) en un ovocito enucleado (óvulo con el núcleo removido).
La nueva célula huevo huésped luego desencadena la reprogramación genética del núcleo donante. Numerosas divisiones mitóticas de esta única célula en cultivo desarrollan un blastocisto (aproximadamente 100 células en etapa temprana del embrión), generando finalmente un organismo con ADN casi idéntico al del organismo original: un clon del donante nuclear. El proceso puede producir tanto clonación terapéutica como reproductiva.
Dolly la oveja (1996) fue el primer clon reproductivo exitoso de un mamífero. Desde entonces, se han clonado aproximadamente dos docenas de otras especies. En enero de 2018, científicos chinos en Shanghái anunciaron el clonaje exitoso de dos monos macacos hembra utilizando fibroblastos fetales mediante transferencia nuclear de células somáticas (SCNT), los primeros primates clonados por este método.
La creación de primates clonados podría revolucionar la investigación de enfermedades humanas. Los primates no humanos genéticamente uniformes podrían servir como modelos animales valiosos para la biología de los primates y la investigación biomédica, ayudando a investigar los mecanismos de las enfermedades y los objetivos farmacológicos, al tiempo que se reducen los factores de confusión debidos a la variación genética y el número de animales de laboratorio necesarios. Esta tecnología podría combinarse con la edición genómica CRISPR-Cas9 para crear modelos de primates modificados genéticamente de trastornos humanos como la enfermedad de Parkinson y varios tipos de cáncer.
Las compañías farmacéuticas han expresado una alta demanda de monos clonados para las pruebas de medicamentos. Entusiasmadas con esta perspectiva, Shanghái ha priorizado la financiación para establecer un Centro Internacional de Investigación de Primates con el fin de producir animales de investigación clonados para uso internacional. La transferencia nuclear de células somáticas es única entre los enfoques de células madre, ya que puede generar un cuerpo vivo completo en lugar de solo láminas de células, tejidos o fragmentos de órganos, lo que le confiere ventajas funcionales biofisiológicas sobre las células madre embrionarias (ESCs) y las células madre pluripotentes inducidas (iPSCs) tanto para la investigación básica como para la aplicación clínica.
Células madre reprogramadas (RSC)
Desde 2006, cuando Yamanaka y colegas generaron por primera vez células madre pluripotentes inducidas (iPSC), las tecnologías de reprogramación han avanzado significativamente. Esto es especialmente cierto para los métodos de reprogramación directa tanto en entornos de laboratorio (in vitro) como dentro de organismos vivos (in vivo) para producir linajes tisulares específicos utilizando factores de transcripción restringidos al linaje, modificaciones de señales de ARN y moléculas pequeñas o productos químicos.
Estos enfoques directos omiten el paso de las iPSC, produciendo células más precisas como las progenitoras neurales inducidas (iNPC) que están más cerca de los linajes celulares objetivo, como las células neurales y las neuronas motoras posteriores. Las células madre reprogramadas (RSC) se derivan mediante la aplicación de cualquier método de laboratorio para reprogramar las señales genéticas de las células primarias, excluyendo la técnica de transferencia nuclear de células somáticas.
Para superar los desafíos éticos e inmunogénicos asociados con las células madre embrionarias humanas (hESC), las iPSC han surgido como una alternativa prometedora, ya que se derivan de tejidos somáticos adultos. Las fuentes de iPSC humanas, incluidas la sangre, la piel y la orina, son abundantes. Dado que las hiPSC pueden obtenerse de pacientes individuales, se puede evitar el rechazo inmunológico cuando se trasplantan nuevamente al mismo paciente (trasplante autólogo).
Los investigadores han desarrollado métodos para obtener hiPSC a partir de células tubulares renales presentes en la orina. Un protocolo que requiere solo una muestra de orina de 30 ml es simple, relativamente rápido, rentable y universal (aplicable a pacientes de todas las edades, géneros y antecedentes raciales/étnicos). El procedimiento total implica solo 2 semanas de cultivo celular y 3-4 semanas de reprogramación, produciendo altos rendimientos de iPSC con excelente potencial de diferenciación.
Las iPSC derivadas de orina recolectadas de muestras de orina intermedia limpia de 200 mL mediante el sistema de administración del virus Sendai mostraron un cariotipo normal (estructura cromosómica) y exhibieron potencial para diferenciarse en las tres capas germinales en ensayos de formación de teratomas. Una subpoblación de células aisladas de la orina mostró características de células progenitoras, incluida la expresión en la superficie celular de los marcadores c-Kit, SSEA4, CD105, CD73, CD91, CD133 y CD44, que pueden distinguir entre linajes de células de la vejiga (urotelial, muscular lisa, endotelial e intersticial), lo que las convierte en una fuente celular alternativa prometedora.
Células madre adultas
Las células madre adultas representan otra categoría importante de células madre encontradas en varios tejidos de todo el cuerpo. A diferencia de las células madre pluripotentes, estas son típicamente multipotentes, capaces de diferenciarse en un rango limitado de tipos celulares específicos del tejido de origen.
Las fuentes comunes incluyen la médula ósea, el tejido adiposo (grasa), la pulpa dental y varios órganos. Las células madre mesenquimales (MSC) están entre las células madre adultas más estudiadas y han mostrado promesa en el tratamiento de condiciones inflamatorias, la promoción de la reparación tisular y la modulación de las respuestas inmunitarias.
Aunque son menos versátiles que las células madre pluripotentes, las células madre adultas ofrecen ventajas, incluidas menores preocupaciones éticas, menor riesgo de formación de tumores y un uso clínico establecido en procedimientos como el trasplante de médula ósea. La investigación continúa explorando su potencial completo y los mecanismos de acción.
Aplicaciones clínicas y direcciones futuras
La investigación con células madre ha progresado a través de la investigación fundamental, estudios preclínicos y ahora ensayos clínicos en múltiples áreas de aplicación. Los avances en las combinaciones de factores de reprogramación, los métodos experimentales y la elucidación de las vías de señalización han contribuido a los primeros ensayos clínicos para trasplantes de células retinales y trasplantes de médula espinal.
El campo continúa abordando desafíos relacionados con el control de la proliferación y diferenciación celular. Los investigadores están revisando sistemáticamente temas metodológicos, entre ellos: inducción de pluripotencia mediante modificaciones genómicas; construcción de vectores nuevos con factores de reprogramación; promoción de la pluripotencia de las iPSC con moléculas pequeñas y vías de señalización genética; mejora de la reprogramación con microARN; inducción y mejora de la pluripotencia de las iPSC con productos químicos; generación de tipos celulares diferenciados específicos; y mantenimiento de la pluripotencia de las iPSC y la estabilidad genómica.
Estos temas son cruciales para maximizar la eficacia de la generación y diferenciación de iPSC en preparación para la traducción clínica. Los avances en el cultivo celular incluyen cultivos sin capa alimentadora, medios libres de xenoinsumos (evitando productos animales) y varias técnicas aumentadas con biomateriales. Las tecnologías celulares tridimensionales (3D) y la bioimpresión representan direcciones particularmente prometedoras, junto con los recursos de PSC y la reprogramación celular directa de segunda generación en organismos vivos.
Los objetivos a largo plazo de la investigación y la clínica con células madre se centran en el desarrollo de tratamientos seguros y efectivos para condiciones que incluyen enfermedades neurodegenerativas, lesiones de la médula espinal, enfermedades cardíacas, diabetes y muchas otras condiciones donde el reemplazo celular o la regeneración tisular podrían proporcionar beneficios terapéuticos.
Consideraciones éticas
La investigación con células madre continúa navegando por importantes consideraciones éticas, particularmente en lo que respecta a las células madre embrionarias y las tecnologías de clonación. La destrucción de embriones humanos para la investigación con hESC sigue siendo controvertida en muchas sociedades y está regulada de manera diferente entre países.
Las tecnologías emergentes como las células madre pluripotentes inducidas ayudan a abordar algunas preocupaciones éticas al proporcionar fuentes alternativas de células pluripotentes sin destruir embriones. Sin embargo, surgen nuevas preguntas éticas respecto a la manipulación genética, el consentimiento para la donación de células y el acceso equitativo a las terapias resultantes.
La comunidad internacional de investigación continúa desarrollando directrices y regulaciones para garantizar un progreso ético en la investigación con células madre, al tiempo que se maximizan los beneficios potenciales para los pacientes que sufren diversas enfermedades y afecciones.
Preguntas frecuentes
¿Cuáles son los diferentes tipos de células madre?
El artículo describe cinco categorías principales de células madre: células madre embrionarias (CME), células madre muy pequeñas similares a embrionarias (CMVSE), células madre derivadas de transferencia nuclear (CMDTN), células madre reprogramadas (CMR) y células madre adultas. Cada tipo tiene fuentes y potencial clínico únicos. Por ejemplo, las CME se obtienen de blastocistos, mientras que las células madre pluripotentes inducidas se reprograman a partir de células adultas.
¿Se pueden utilizar las células madre para tratar enfermedades?
Sí, las células madre muestran promesa en la medicina regenerativa, el modelado de enfermedades y el descubrimiento de fármacos. Se están llevando a cabo ensayos clínicos para afecciones como lesiones retinianas y de la médula espinal. Sin embargo, persisten desafíos en el control de la proliferación y diferenciación celular. Las células madre adultas ya se utilizan en trasplantes de médula ósea, y las células madre pluripotentes inducidas podrían permitir terapias personalizadas.
¿Cuáles son las preocupaciones éticas con la investigación de células madre?
Las preocupaciones éticas involucran principalmente la destrucción de embriones humanos para la investigación con células madre embrionarias. Sin embargo, las células madre pluripotentes inducidas ofrecen una alternativa que evita la destrucción de embriones. El clonamiento por transferencia nuclear también plantea preguntas éticas. Las regulaciones varían según el país, y la investigación continua tiene como objetivo abordar estos problemas.
¿Cómo se obtienen las células madre pluripotentes inducidas (CMEI) de un paciente?
Las células madre pluripotentes inducidas pueden obtenerse de la sangre, la piel o la orina de un paciente. Por ejemplo, una muestra simple de 30 ml de orina proporciona células tubulares renales que se cultivan durante 2 semanas y luego se reprograman durante 3-4 semanas para convertirse en células madre pluripotentes inducidas. Este método es rentable y funciona para pacientes de todas las edades y antecedentes.
¿Cuáles son las ventajas de utilizar las propias células madre del paciente para el tratamiento?
El uso de las propias células madre del paciente, como las células madre pluripotentes inducidas derivadas de su sangre, piel u orina, evita el rechazo inmunológico porque las células son genéticamente idénticas al paciente. Este enfoque de trasplante autólogo elimina la necesidad de medicamentos inmunosupresores y reduce el riesgo de rechazo del trasplante.
¿Cuál es el riesgo de formación de tumores con las células madre pluripotentes inducidas?
Las células madre pluripotentes inducidas conllevan un riesgo de formación de teratomas, que es un tipo de tumor. Este es un desafío conocido en el campo. Los investigadores están trabajando para controlar la proliferación y diferenciación celular con el fin de minimizar este riesgo antes de que las células madre pluripotentes inducidas puedan utilizarse de manera segura en aplicaciones clínicas.
¿Cómo se prueban las células madre para garantizar que pueden convertirse en cualquier tipo de célula?
Las células madre se prueban por su pluripotencia mediante tres ensayos principales en ratones. El ensayo de formación de teratomas verifica si las células pueden generar tejidos de las tres capas germinales. El ensayo de formación de quimeras prueba si contribuyen al desarrollo y producen gametos funcionales. El ensayo de complementación tetraploide determina si pueden formar un organismo completo.
¿Debería obtener una segunda opinión antes de un tratamiento con células madre para una afección como una lesión de la médula espinal o una enfermedad retiniana?
Una segunda opinión puede ser valiosa antes de un tratamiento con células madre porque el campo está evolucionando rápidamente y se están llevando a cabo ensayos clínicos para afecciones como lesiones retinianas y de la médula espinal. Diferentes especialistas pueden tener distinta experiencia con los cinco tipos de células madre, incluidas las embrionarias, las pluripotentes inducidas y las adultas. Una segunda opinión puede ayudar a confirmar si usted es un candidato adecuado para una terapia experimental, aclarar los riesgos como la formación de teratomas con las células madre pluripotentes inducidas, y asegurar que comprenda las alternativas. Diagnostic Detectives Network proporciona segundas opiniones independientes de expertos.
Información de la fuente
Original Article Title: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications
Authors: Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler
Publication: Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–32
DOI: https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x
Este artículo dirigido a los pacientes se basa en investigaciones revisadas por pares y tiene como objetivo hacer accesible la información científica compleja, preservando todos los hallazgos y datos esenciales de la publicación original.
