Índice
- Pontos Principais
- Introdução
- Fontes de Células-Tronco Pluripotentes
- Células-Tronco Embrionárias (CTEs)
- Células-Tronco Semelhantes a Embriões Muito Pequenos (VSELs)
- Células-tronco por Transferência Nuclear (NTSCs)
- Células-Tronco Reprogramadas (CTRs)
- Células-Tronco Adultas
- Aplicações Clínicas e Direções Futuras
- Considerações Éticas
- Perguntas Frequentes
- Informações sobre a Fonte
Pontos Principais
- As células-tronco podem se autorrenovar e diferenciar em tipos celulares especializados provenientes de três folhetos germinativos.
- Existem cinco tipos principais de células-tronco: embrionárias, VSELs, por transferência nuclear, reprogramadas e células-tronco adultas.
- As células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) podem ser derivadas de células adultas, como amostras de urina.
- Células-tronco por transferência nuclear foram utilizadas para clonar primatas, auxiliando na pesquisa de doenças.
- Ensaios clínicos estão em andamento para transplantes de retina e medula espinhal utilizando células-tronco.
Introdução
A pesquisa com células-tronco passou por mudanças revolucionárias nos últimos 20 anos, com avanços particularmente rápidos na última década. Este campo começou em 1961, quando os pesquisadores canadenses Drs. James A. Till e Ernest A. McCulloch descobriram pela primeira vez células-tronco na medula óssea de camundongos que podiam se diferenciar em vários tipos celulares, estabelecendo o conceito de células-tronco pluripotentes (PSCs)—células capazes de se tornar qualquer tipo celular no corpo.
O campo alcançou várias marcos críticos: Dolly, a ovelha, foi clonada em 1996 usando transferência nuclear de células somáticas (SCNT), as primeiras células-tronco embrionárias humanas (hESCs) foram isoladas em 1998, e as células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) foram criadas em 2006 pela reprogramação de células adultas com apenas quatro fatores de transcrição. A importância dessas descobertas foi reconhecida quando Shinya Yamanaka e John Gurdon receberam o Prêmio Nobel de 2012 por seu trabalho que demonstrou que células maduras poderiam ser reprogramadas para um estado pluripotente.
Os pesquisadores identificaram cinco categorias principais de células-tronco por meio de revisão sistemática: células-tronco embrionárias (ESCs), células-tronco muito pequenas semelhantes a embrionárias (VSELs), células-tronco de transferência nuclear (NTSCs), células-tronco reprogramadas (RSCs) e células-tronco adultas. Cada tipo oferece vantagens e desafios únicos para aplicações clínicas. Apenas as NTSCs foram usadas para gerar um organismo completo (macacos na China, 2018), enquanto outros tipos foram usados para gerar tecidos e órgãos.
As células-tronco, particularmente ESCs e iPSCs, mostram grande promessa em quatro áreas principais: medicina regenerativa e de transplante, modelagem de doenças, triagem para descoberta de medicamentos e biologia do desenvolvimento humano. O campo continua a evoluir das descobertas iniciais para aplicações clínicas expandidas, embora desafios permaneçam — especialmente no que diz respeito ao controle da proliferação e diferenciação celular, já que a tecnologia de reprogramação de iPSCs ainda é relativamente nova.
Fontes de Células-Tronco Pluripotentes
As células-tronco pluripotentes (PSCs) são caracterizadas por duas propriedades essenciais: autorrenovação (capacidade de proliferar) e potência (capacidade de se diferenciar em tipos celulares especializados derivados de uma das três camadas germinativas primárias: ectoderma, endoderma ou mesoderma). Os pesquisadores usam três ensaios principais para testar a pluripotência em modelos de camundongos.
O ensaio de formação de teratoma avalia a geração espontânea de tecidos diferenciados das três camadas germinativas após o transplante de células em camundongos imunocomprometidos. O ensaio de formação de quimera testa se as células-tronco contribuem para o desenvolvimento, injetando-as em embriões precoces (blastocistos 2N) e verificando se as células doadoras têm capacidade de transmissão da linhagem germinativa, geram gametas funcionais e mantêm a integridade cromossômica. O ensaio de complementação tetraploide (4N) determina a capacidade das células pluripotentes em todo o organismo, injetando células em embriões 4N e monitorando as etapas de crescimento para linhagens extraembrionárias resultantes das células-tronco transplantadas, e não do próprio embrião.
Células-Tronco Embrionárias (ESCs)
As células-tronco embrionárias humanas (hESCs) são obtidas de blastocistos em estágio inicial (4-5 dias após a fertilização), seja destruindo o blastocisto fonte ou coletando tecidos em estágios posteriores (até 3 meses de idade gestacional). Estas foram as primeiras células-tronco aplicadas em pesquisas e continuam sendo comumente usadas em ensaios clínicos hoje (conforme rastreado em clinicaltrials.gov).
As hESCs representam o padrão-ouro para a pluripotência, mas vêm com preocupações éticas relacionadas à destruição de embriões e possíveis problemas de rejeição imunológica quando transplantadas para pacientes. Apesar desses desafios, elas continuam fornecendo insights valiosos sobre a biologia do desenvolvimento e servem como comparadores importantes para novas tecnologias de células-tronco.
Células-Tronco Muito Pequenas Semelhantes a Embrionárias (VSELs)
Um novo tipo de célula-tronco pluripotente chamado Células-Tronco Muito Pequenas Semelhantes a Embrionárias (VSELs) mostrou promessa desde sua identificação em 2006. Mais de 20 laboratórios independentes confirmaram sua existência, embora alguns grupos tenham questionado sua validade. Essas células são células-tronco de desenvolvimento precoce encontradas em tecidos adultos que expressam marcadores de pluripotência.
As VSELs medem aproximadamente 3-5 micrômetros em camundongos e 5-7 micrômetros em humanos (ligeiramente menores que as hemácias). Elas expressam marcadores de ESCs, incluindo SSEA, Oct-4A nuclear, Nanog e Rex1, juntamente com marcadores para células germinativas primordiais migratórias, como Stella e Fragilis. Sua origem do desenvolvimento pode estar associada a depósitos da linhagem germinativa em órgãos em desenvolvimento durante a embriogênese.
De acordo com um modelo proposto em 2019, as VSELs originam-se de células germinativas primordiais e se diferenciam em três destinos potenciais: células-tronco mesenquimais (MSCs), hemangioblastos (incluindo células-tronco hematopoéticas e células progenitoras endoteliais) e células-tronco comprometidas com tecidos específicos. Como células-tronco pluripotentes, as VSELs podem ter a vantagem de ser capazes de se diferenciar através das camadas germinativas em animais adultos ou humanos, potencialmente funcionando como uma alternativa às células-tronco monopotentes comprometidas com tecidos em adultos.
As VSELs podem superar vários problemas associados a outros tipos de células-tronco: as controvérsias éticas das ESCs e o risco de formação de teratoma (tumor) das iPSCs. Isso as torna particularmente promissoras para futuros estudos com células-tronco e aplicações clínicas onde essas preocupações apresentam barreiras significativas.
Células-Tronco de Transferência Nuclear (NTSCs)
Originalmente descobertas em 1996, a técnica de transferência nuclear de células somáticas (SCNT) evoluiu gradualmente para gerar células-tronco de transferência nuclear (NTSCs). Este processo começa pela implantação de um núcleo doador de uma célula somática totalmente diferenciada (como um fibroblasto) em um oócito enucleado (célula ovular com o núcleo removido).
A nova célula ovular hospedeira então desencadeia a reprogramação genética do núcleo doador. Diversas divisões mitóticas desta única célula em cultura desenvolvem um blastocisto (cerca de 100 células no estágio inicial do embrião), gerando finalmente um organismo com DNA quase idêntico ao do organismo original — um clone do doador nuclear. O processo pode produzir tanto clonagem terapêutica quanto reprodutiva.
A ovelha Dolly (1996) foi o primeiro clone reprodutivo bem-sucedido de um mamífero. Desde então, aproximadamente duas dúzias de outras espécies foram clonadas. Em janeiro de 2018, cientistas chineses em Xangai anunciaram o sucesso do clone de duas macacas rhesus usando fibroblastos fetais via SCNT — os primeiros primatas clonados por este método.
A criação de primatas clonados pode revolucionar a pesquisa de doenças humanas. Primatas não humanos geneticamente uniformes podem servir como modelos animais valiosos para a biologia dos primatas e a pesquisa biomédica, ajudando a investigar mecanismos de doenças e alvos farmacológicos, ao mesmo tempo em que reduzem os confundidores genéticos e o número de animais de laboratório necessários. Essa tecnologia pode ser combinada com a edição genômica CRISPR-Cas9 para criar modelos primatas geneticamente modificados de distúrbios humanos, como a doença de Parkinson e vários tipos de câncer.
As empresas farmacêuticas expressaram uma alta demanda por macacos clonados para testes de medicamentos. Entusiasmada com essa perspectiva, Xangai priorizou o financiamento para o estabelecimento de um Centro Internacional de Pesquisa de Primatas para produzir animais de pesquisa clonados para uso internacional. A SCNT é única entre as abordagens de células-tronco, pois pode gerar um corpo vivo inteiro, em vez de apenas camadas de células, tecidos ou pedaços de órgãos, conferindo-lhe vantagens funcionais biofisiológicas sobre ESCs e iPSCs tanto para pesquisa básica quanto para aplicação clínica.
Células-Tronco Reprogramadas (RSCs)
Desde 2006, quando Yamanaka e colegas geraram pela primeira vez células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs), as tecnologias de reprogramação avançaram significativamente. Isso é especialmente verdadeiro para os métodos de reprogramação direta, tanto em ambientes laboratoriais (in vitro) quanto em organismos vivos (in vivo), para produzir linhagens teciduais específicas utilizando fatores de transcrição restritos à linhagem, modificações de sinais de RNA e pequenas moléculas ou produtos químicos.
Essas abordagens diretas pulam a etapa de iPSC, produzindo células mais precisas, como as células progenitoras neurais induzidas (iNPCs), que são mais próximas de linhagens celulares alvo, como células neurais e subsequentes neurônios motores. As células-tronco reprogramadas (RSCs) são derivadas pela aplicação de quaisquer métodos laboratoriais para reprogramar sinais genéticos de células primárias, excluindo a técnica SCNT.
Para superar os desafios éticos e imunogênicos associados às CTEh, as iPSCs surgiram como uma alternativa promissora, pois são derivadas de tecidos somáticos adultos. As fontes humanas de iPSCs — incluindo sangue, pele e urina — são abundantes. Como as hiPSCs podem ser coletadas de pacientes individuais, a rejeição imunológica pode ser evitada quando elas são transplantadas de volta para o mesmo paciente (transplante autólogo).
Os pesquisadores desenvolveram métodos para obter hiPSCs a partir das células dos túbulos renais presentes na urina. Um protocolo que requer apenas uma amostra de 30 ml de urina é simples, relativamente rápido, economicamente viável e universal (aplicável a pacientes de todas as idades, gêneros e origens raciais/étnicas). O procedimento total envolve apenas 2 semanas de cultivo celular e 3-4 semanas de reprogramação, produzindo altos rendimentos de iPSCs com excelente potencial de diferenciação.
As iPSCs derivadas da urina coletadas de amostras de 200 ml de urina de jato médio limpo, por meio do sistema de entrega do vírus Sendai, apresentaram cariótipo normal (estrutura cromossômica) e exibiram potencial para se diferenciar em todas as três camadas germinativas em ensaios de teratoma. Uma subpopulação de células isoladas da urina apresentou características de células progenitoras, incluindo a expressão na superfície celular dos marcadores c-Kit, SSEA4, CD105, CD73, CD91, CD133 e CD44, que podem distinguir entre linhagens celulares da bexiga (urotélio, músculo liso, endotélio e interstício), tornando-as uma fonte celular alternativa promissora.
Células-Tronco Adultas
As células-tronco adultas representam outra categoria importante de células-tronco encontrada em vários tecidos ao longo do corpo. Diferentemente das células-tronco pluripotentes, essas são tipicamente multipotentes — capazes de se diferenciar em uma faixa limitada de tipos celulares específicos de seu tecido de origem.
As fontes comuns incluem medula óssea, tecido adiposo (gordura), polpa dentária e vários órgãos. As células-tronco mesenquimais (CTMs) estão entre as células-tronco adultas mais estudadas e mostraram promessa no tratamento de condições inflamatórias, na promoção da reparação tecidual e na modulação das respostas imunes.
Embora menos versáteis do que as células-tronco pluripotentes, as células-tronco adultas oferecem vantagens, incluindo menores preocupações éticas, menor risco de formação de tumores e uso clínico estabelecido em procedimentos como o transplante de medula óssea. A pesquisa continua a explorar seu pleno potencial e seus mecanismos de ação.
Aplicações Clínicas e Direções Futuras
A pesquisa com células-tronco avançou através da pesquisa fundamental, estudos pré-clínicos e agora ensaios clínicos em múltiplas áreas de aplicação. Os avanços nas combinações de fatores de reprogramação, métodos experimentais e na elucidação das vias de sinalização contribuíram para os primeiros ensaios clínicos de transplantes de células da retina e transplantes de medula espinhal.
A área continua a abordar desafios relacionados ao controle da proliferação e diferenciação celular. Os pesquisadores estão revisando sistematicamente tópicos metodológicos, incluindo: indução de pluripotência por modificações genômicas; construção de novos vetores com fatores de reprogramação; promoção da pluripotência das iPSCs com pequenas moléculas e vias de sinalização genética; aprimoramento da reprogramação com microRNAs; indução e aprimoramento da pluripotência das iPSCs com produtos químicos; geração de tipos celulares diferenciados específicos; e manutenção da pluripotência e estabilidade genômica das iPSCs.
Esses tópicos são cruciais para maximizar a eficácia da geração e diferenciação das iPSCs em preparação para a tradução clínica. Os avanços no cultivo celular incluem cultura sem camadas de suporte, meios isentos de xenógenos (evitando produtos animais) e várias técnicas aumentadas por biomateriais. As tecnologias celulares tridimensionais (3D) e a bioimpressão representam direções particularmente promissoras, juntamente com os recursos de CTPs e a reprogramação celular direta de segunda geração em organismos vivos.
A pesquisa de células-tronco a longo prazo e os objetivos clínicos concentram-se no desenvolvimento de tratamentos seguros e eficazes para condições que incluem doenças neurodegenerativas, lesões na medula espinhal, doenças cardíacas, diabetes e muitas outras condições em que a substituição celular ou a regeneração tecidual possam proporcionar benefícios terapêuticos.
Considerações Éticas
A pesquisa com células-tronco continua a navegar por importantes considerações éticas, particularmente no que diz respeito às células-tronco embrionárias e às tecnologias de clonagem. A destruição de embriões humanos para pesquisa com CTEh permanece controversa em muitas sociedades e é regulamentada de maneira diferente entre os países.
Tecnologias emergentes, como as células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs), ajudam a abordar algumas preocupações éticas ao fornecer fontes alternativas de células pluripotentes sem a destruição de embriões. No entanto, surgem novas questões éticas relacionadas à manipulação genética, consentimento para doação de células e acesso equitativo às terapias resultantes.
A comunidade internacional de pesquisa continua a desenvolver diretrizes e regulamentações para garantir o progresso ético na pesquisa com células-tronco, ao mesmo tempo em que maximiza os benefícios potenciais para pacientes que sofrem de diversas doenças e condições.
Perguntas Frequentes
Quais são os diferentes tipos de células-tronco?
O artigo descreve cinco categorias principais de células-tronco: células-tronco embrionárias (CTEs), células-tronco semelhantes a embriões muito pequenas (VSELs), células-tronco por transferência nuclear (NTSCs), células-tronco reprogramadas (RSCs) e células-tronco adultas. Cada tipo possui fontes únicas e potencial clínico. Por exemplo, as CTEs são obtidas de blastocistos, enquanto as iPSCs são reprogramadas a partir de células adultas.
As células-tronco podem ser usadas para tratar doenças?
Sim, as células-tronco mostram promessa na medicina regenerativa, modelagem de doenças e descoberta de fármacos. Ensaios clínicos estão em andamento para condições como lesões da retina e da medula espinhal. No entanto, desafios permanecem no controle da proliferação e diferenciação celular. As células-tronco adultas já são utilizadas em transplantes de medula óssea, e as iPSCs podem permitir terapias personalizadas.
Quais são as preocupações éticas com a pesquisa de células-tronco?
As preocupações éticas envolvem principalmente a destruição de embriões humanos para a pesquisa com células-tronco embrionárias. No entanto, as células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) oferecem uma alternativa que evita a destruição de embriões. O clonamento por transferência nuclear também levanta questões éticas. As regulamentações variam de país para país, e pesquisas contínuas visam abordar essas questões.
Como as células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) são obtidas de um paciente?
As células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) podem ser obtidas a partir do sangue, da pele ou da urina de um paciente. Por exemplo, uma amostra simples de 30 ml de urina fornece células tubulares renais que são cultivadas por 2 semanas e depois reprogramadas durante 3 a 4 semanas para se tornarem iPSCs. Este método é economicamente viável e funciona para pacientes de todas as idades e origens.
Quais são as vantagens de usar as próprias células-tronco do paciente para o tratamento?
O uso das próprias células-tronco do paciente, como as células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) derivadas de seu sangue, pele ou urina, evita a rejeição imunológica porque as células são geneticamente idênticas ao paciente. Esta abordagem de transplante autólogo elimina a necessidade de medicamentos imunossupressores e reduz o risco de rejeição do enxerto.
Qual é o risco de formação de tumores com células-tronco pluripotentes induzidas?
As células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) apresentam risco de formação de teratoma, que é um tipo de tumor. Este é um desafio conhecido na área. Os pesquisadores estão trabalhando para controlar a proliferação e diferenciação celular a fim de minimizar esse risco antes que as iPSCs possam ser usadas com segurança em aplicações clínicas.
Como as células-tronco são testadas para garantir que podem se tornar qualquer tipo de célula?
As células-tronco são testadas quanto à pluripotência usando três principais ensaios em camundongos. O ensaio de formação de teratoma verifica se as células podem gerar tecidos a partir das três camadas germinativas. O ensaio de formação de quimera testa se elas contribuem para o desenvolvimento e produzem gametas funcionais. O ensaio de complementação tetraploide determina se elas podem formar um organismo inteiro.
Devo buscar uma segunda opinião antes de um tratamento com células-tronco para uma condição como lesão da medula espinhal ou doença retiniana?
Uma segunda opinião pode ser valiosa antes do tratamento com células-tronco, pois a área está evoluindo rapidamente e ensaios clínicos estão em andamento para condições como lesões da retina e da medula espinhal. Diferentes especialistas podem ter distintas especializações nos cinco tipos de células-tronco, incluindo as embrionárias, pluripotentes induzidas e adultas. Uma segunda opinião pode ajudar a confirmar se você é um candidato adequado para uma terapia experimental, esclarecer os riscos, como a formação de teratoma com iPSCs, e garantir que você compreenda as alternativas. A Diagnostic Detectives Network fornece segundas opiniões independentes de especialistas.
Informações da Fonte
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 artigo voltado ao paciente baseia-se em pesquisas revisadas por pares e tem como objetivo tornar as informações científicas complexas acessíveis, preservando todas as descobertas e dados essenciais da publicação original.
