Células madre mesenquimales

Las células madre mesenquimales son células pluripotentes y adultas con morfología fibroblastoide y plasticidad hacia diversos linajes celulares como condrocitos, osteocitos y adipocitos entre otros. Estas células pueden ser aisladas principalmente de médula ósea, sangre de cordón umbilical y tejido adiposo de donde se han logrado establecer cultivos que han permitido estudiar sus propiedades funcionales y fenotípicas. Aunque la información obtenida hasta la fecha no brinda un conocimiento completo, se espera que con el desarrollo de próximas investigaciones se aclaren diversos aspectos biológicos para implementar su uso en medicina regenerativa. Esta revisión presenta una visión general sobre las células madre mesenquimales: morfología e inmunofenotipo, ontogenia, fuentes de obtención y aplicaciones clínicas.

Definición

Las diferencias entre los términos de células madre mesenquimales y células mesenquimales para que estos no sean utilizados indistintamente:

• El tejido mesenquimal o mesénquima es el tejido conectivo embrionario que procede del mesodermo y tiene una gran variedad de tipos celulares. A partir de este tejido, por diferenciación celular y regulación diferencial, se originan patrones de desarrollo diferentes que provocan la aparición de tejidos más especializados.

• Desde un punto de vista estricto, las células que se encuentran en el mesénquima son las denominadas células mesenquimales, pero este término no es lo suficientemente descriptivo, ya que se utiliza sin ningún rigor para también hacer referencia a las células madre mesenquimales (CMMs), que son un tipo de células pluripotenciales a partir de las cuales pueden originarse los diferentes tipos de tejidos conectivos.

• Así, mientras que las células del mesénquima no se diferencian en células hematopoyéticas, las CMMs sí que pueden hacerlo. Esto implica que las CMMs son células mesenquimales, pero no todas las células mesenquimales son CMMs.

Morfología e inmunofenotipo

Los progenitores mesenquimales son un grupo de células madres adultas que fueron caracterizadas por Friedenstein, quien las aisló de médula ósea y las describió como células adherentes de morfología fibroblastoide, capaces de diferenciarse hacia células de origen mesodérmico como osteocitos, condrocitos y adipocitos. Varios estudios han asignado a este grupo celular diversos nombres como: Células de Estroma Medular, Unidades Formadoras de Colonias Fibroblastoides, Precursores Estromales o Células Adultas Progenitoras Multipotentes o MAPCs (Multi-Potent Adult Progenitor Cells). En el año 2006, la Sociedad Internacional de Terapia Celular ó ISCT (Internacional Society Cellular Therapy) propuso tres criterios para definir las células madre mesenquimales (CMM); primero, éstas células deben ser adherentes en cultivo; segundo, expresar los antigenos CD73, CD90 y CD105 en ausencia de antígenos hematopoyéticos como CD34, CD45, marcadores de monocitos, macrófagos y linfocitos B; y tercero, las CMM deben ser capaces de diferenciarse in vitro en osteoblastos, adipocitos y condrocitos bajo condiciones estándar de cultivo.

Además de lo propuesto por ISCT, también se debe tener en cuenta dos aspectos adicionales para clasificarlas como células madre: que las CMM realicen procesos de autorenovación, es decir, durante la división celular solo una de las células hijas debe iniciar programas de diferenciación celular y que sean capaces de desarrollar «plasticidad clonogénica» o diferenciación hacia tejidos de diferentes capas embrionarias como ectodermo y endodermo.

ISCT propone la molécula CD73 o 5" ectonucleotidasa como un marcador de linaje para las CMM. Esta es una glicoproteína cuya función biológica consiste en hidrolizar nucleótidos extracelulares para permitir el ingreso de nucleósidos y así generar ATP y GPT como fuente de energía celular en células diferenciadas. No obstante, el papel que juega CD73 en células madre mesenquimales se cree que está más relacionado con mecanismos de adhesión celular ya que se ha encontrado co-expresada con moléculas tipo â2 integrinas, lo que ha postulado a CD73 como un mediador de adhesión celular en CMM.

Las CMM, aisladas de médula ósea, también expresan la molécula CD90 o Thy-1, una proteína que hace parte de la superfamilia de las inmunoglobulinas y cuyo principal ligando es CD45; se expresa entre el 10-40% de las células CD34, y en mayor proporción en tejido conectivo y en células del estroma medular y aunque no se conoce su función en células madre mesenquimales, un estudio muestra que si son sometidas a stress celular mecánico se diferencian hacia células similares a osteoblastos disminuyendo notablemente la expresión de CD90, lo que podría mostrar que este antígeno es un marcador de precursores mesenquimales tempranos que pueden diferenciarse en osteoblastos . CD105, también conocida como endoglina, es una glicoproteína que hace parte del complejo del receptor del Factor Transformante de Crecimiento-B o TGF-â y se expresa en monocitos activados, macrófagos activados, precursores eritroides, fibroblastos, células foliculares dendríticas, melanocitos, células cardiacas, células vasculares de músculo liso, células endoteliales. CD105 interviene en la regulación de distintos componentes de la matriz extracelular como fibronectina y colágeno razón por la cual se cree que está relacionada con procesos de angiogénesis y reparación vascular y se sugiere que su expresión en CMM humanas es determinante en la generación de cardiomiocitos.

los antigenos propuestos por ISCT, otros autores proponen moléculas como STRO-1, CD44 y CD166 para la tipificación de células mesenquimales. En 1991 se identificó a STRO-1 como un antígeno específico para CMM aisladas de médula ósea. STRO-1 es un marcador que se expresa en el desarrollo temprano de dichas células, declinando su expresión cuando genes asociados a la diferenciación y expansión osteogénica como el Factor de Unión Core A1 (CBFA1) interactúa con osteopontina y osteocalcina. CD44 es una molécula de adhesión que actúa mediante la interacción con el ácido hialurónico, osteopontina, colágeno, anquirina, fibronectina y metaloproteinasas y contribuye en procesos de adhesión, migración y proliferación de CMM . Además de STRO-1 y CD44, se sugiere que la molécula CD166 o ALCAM (Activated Leukocyte Cell Adhesión Molecule) interviene en la hematopoyesis involucrando a las CMM, participando en el mantenimiento del estado indiferenciado de células madre hematopoyéticas y CMM . Aunque las CMM fueron descritas como células similares a fibroblastos, la morfología de las CMM puede variar según la fuente de obtención; por ejemplo, se ha observado que cuando se aíslan a partir de sangre de cordón umbilical el 93% de la población celular tiene un aspecto ovoide, con respecto al 7% que conserva una morfología similar a los fibroblastos. Por el contrario, cuando estas células son aisladas a partir de medula ósea la relación de células fibroblastoides es mayor con respecto a las ovoides. Este aspecto morfológico es de gran importancia ya que podría tener relación con el inmunofenotipo de estas células según lo postulado por Chang YJ y colaboradores quienes demuestran que si la población mesenquimal es obtenida de sangre de cordón umbilical la gran mayoría no expresan el antígeno CD90, mientras que si la población es de origen medular este marcador es determinante en su identificación, lo que podría explicar en parte los contradictorios resultados que se encuentran publicados con respecto a la expresión de ésta y otras proteínas en CMM.

Caracterización

• Detección

No existe ningún método para detectar a una célula madre mesenquimal aislada. Sin embargo existen antígenos de superficie que pueden ser utilizados para aislar una población de células con capacidad de diferenciación y proliferación similar al de las células madre mesenquimales.

• Las CMM deben adherirse al plástico cuando se mantienen en condiciones normales de cultivo.

• Más del 95% de la población de CMM debe expresar los antígenos específicos de superficie CD105, CD73 y CD90, adicionalmente, estas células no deben expresar (menos del 2% positivas) CD45, CD34, CD14 o CD11b, CD79a o CD19 y HLA de clase II.

• Las células deben ser capaces de diferenciarse a osteoblastos, adipocitos y condroblastos bajo condiciones estándares de diferenciación in vitro.19

• Características

Las CMM son un blanco prometedor como terapéutico biológico para un amplio rango de necesidades médicas no resultas. Las razones para esto son muchas e incluyen: fácil aislamiento y expansión en cultivo, multipotencia, efectos paracrinos, propiedades inmunomoduladoras, conducta migratoria y consideraciones éticas.

Propiedades inmunomoduladoras

Numerosos estudios han demostrado que las células madre mesenquimales evitan el reconocimiento de antígenos interfiriendo en la función de las células dendríticas y de los linfocitos T. Tienen por tanto un efecto inmunosupresor local debido a su capacidad de secretar citoquinas. Este efecto se ve potenciado cuando las células son expuestas a un medio inflamatorio caracterizado por la presencia de niveles elevados de interferón gamma. Otros estudios contradicen algunos de estos descubrimientos, reflejando la naturaleza heterogénea de las células madre mesenquimales, así como las diferencias que pueden surgir de la aplicación de diferentes métodos de estudio en desarrollo.

Conducta migratoria

EL uso de CMM para aplicaciones terapéuticas ha sido particularmente aprobado por su capacidad inherente de llegar a los sitios de inflamación causados por lesión en los tejidos después de que son inyectadas vía intravenosa. Chapel etal, demostró en un modelo de insuficiencia de múltiples órganos que las CMM marcadas con la proteína verde fluorescente se alojan en numeroso tejidos, con localización en relación a la gravedad y a la geometría de la lesión. Este proceso es conocido como homing (o anidamiento, en español) y es el proceso esencial por medio del cual las células migran y se implan en el tejido en el que tendrán efectos funcionales y de protección. Durante la inflamación, el reclutamiento de células inflamatorias requiere una secuencia coordinada de adhesión de múltiples pasos y eventos de señalización, laminación mediada por selectinas, activación celular por citoquinas y quimiocinas, activación de integrinas, adhesión firme al endotelio mediada por integrinas, migración transendotelial, y finalmente la migración/invasión en la matriz extra celular involucrando interacciones dependientes de integrinas y proteasas que degradan la matriz. Es bien sabido que la dirección migratoria sigue un gradiente de densidad de quimioquinas. El aumento de la concentración de quimiocinas inflamatorias en el lugar de la inflamación es un mediador clave del anidamiento de las CMM en el sitio de la lesión. Las quimiocinas son liberados después de los daños y las CMM expresan varios receptores de quimiocinas. La activación de quimiocinas es también un paso importante en el tráfico de CMM en el sitio de la lesión.

Fuentes de obtención

En estudios recientes se ha señalado que las CMM pueden ser aisladas de muchos tejidos, además de la médula ósea, incluyendo tejido adiposo, hígado, bazo, testículos, sangre menstrual, fluido amniótico, páncreas, periostio, membrana sinovial, músculo esquelético, dermis, pericitos, hueso trabecular, cordón umbilical humano, pulmón, pulpa dental, e incluso de sangre periférica, sugiriendo que las CMM son ampliamente distribuidas in vivo. En los últimos años, el interés ha aumentado por las células madre mesenquimales aisladas de tejido adiposo (AT- CMM) dada su plasticidad de desarrollo y su potencial terapéutico, además de que su obtención es mucho menos invasiva que las realizada a partir de la médula ósea y se obtienen en mayor abundancia.

Cultivos

La mayoría de técnicas de cultivo modernas todavía utilizan el método de CFU-f, donde las células mononucleares de la médula ósea no purificadas o purificadas con ficol son puestas directamente en placas o frascos. Las células mesenquimales, a diferencia de los eritrocitos y los progenitores hematopoyéticos, se pueden adherir al tejido plástico en un período que oscila entre las 24 y las 48 horas. No obstante, ha sido identificada al menos una población de células mesenquimales no adherentes y se ha observado que éstas no se habían obtenido con la técnica mencionada anteriormente.

Existe otro método de citometría de flujo que permite el "sorting" o salida de las células de la médula ósea mediante marcadores de superficie específicos, como sucede por ejemplo en el caso de las células STRO-1. Las células STRO-1+ generalmente son más homogéneas, y tienen tasas más altas de adherencia y de proliferación, pero las diferencias exactas entre STRO-1+ y las células mesenquimales aún no están claras.

Aplicaciones clínicas de células madre mesenquimales

En modelos experimentales se ha demostrado que las CMM son capaces de regenerar tejidos deteriorados o lesionados como hueso, cartílago, tejido hepático o miocárdico; y modular reacciones inmunes en colagenopatías, esclerosis múltiple y trasplantes de médula ósea.

Una de las principales aplicaciones clínicas de las CMM consiste en la reparación de hueso, demostrado in vivo en ratones y en caninos con defectos cráneo-faciales y defectos de huesos largos mediante la administración directa de CMM, con matrices como hidroxiapatito/fosfato tricálcico (HA/TPC) mostrando resultados satisfactorios en hueso especialmente cuando la administración de éstas células es in situ. Estudios sugieren que para garantizar la formación de hueso, es necesario el uso de materiales naturales o sintéticos (transportadores de CMM), como cerámicas o titanio que son materiales inertes y osteoconductivos.

La diferenciación de CMM a condrocitos se ha realizado en matrices tridimensionales con colágeno y con diferentes polímeros modificados como poli acrílico (PAc), poli estireno (PEs) y polietilenglicol (PEG). Se ha observado que la utilización de PAc y PEs en cultivos de CMM promueven su adhesión y proliferación sin diferenciación mientras que el uso de PEG genera un efecto mayor sobre la diferenciación condrogénica.

Las CMM también juegan un papel importante en la reparación de tendón usando como transportador colágeno tipo I con distintas concentraciones autólogas de CMM (1, 4 y 8 x106 células/ml); obteniendo una efectividad del 30% en la reparación del tendón, lo que constituye un avance importante si se considera la complejidad del tejido recuperado.

En la reparación de miocardio se han postulado diferentes efectos de las CMM sobre el tejido cardiaco como la diferenciación in situ de ésta células en cardiomiocitos, liberación de factores solubles paracrinos que promuevan la proliferación de células residentes de tejido y/o la fusión de las CMM con células cardiacas.

El modelo animal más usado para evaluar esta aplicación es el corazón porcino donde se ha observado una reducción importante del tamaño del tejido lesionado, neovascularización y reducción de los niveles de apoptosis.

Defectos congénitos en el músculo esquelético como distrofia muscular y otras miopatías, pueden ser teóricamente restaurados con un transplante de CMM que mejora la estructura y función del músculo. CMM obtenidas de la membrana sinovial han mostrado in vivo potencial miogénico en el modelo de ratón mdx con distrofia muscular de Duchenne. Además de las propiedades regenerativas de la CMM, éstas también tienen la facultad de afectar el funcionamiento del sistema inmune. Estudios muestran que las CMM pueden inhibir la proliferación de linfocitos inducida por aloantígenos, mitógenos como fitohemaglutinina y concavalina A; así como la activación a través de anticuerpos anti CD3 y CD28 .Durante la maduración de células dendríticas, las CMM puede inhibir la expresión de moléculas involucradas en la presentación de antigenos como CD1a, CD40, CD80, CD86 y HLA-DR. En co-cultivo con células mononucleares de sangre periférica, las CMM incrementan la proporción de subpoblaciones de linfocitos T con fenotipo de células reguladores como CD4+/ CD25alto, CD4+/CTLA-4+, CD4+/CD25+/CTLA-4+.

Desde que las CMM fueron descritas se ha profundizado en su caracterización fenotípica, ontogénica y funcional; sin embargo, aún quedan varios aspectos por dilucidar sobre su biología especialmente en lo relacionado con su regulación a través de nichos o microambientes particulares como la médula ósea o el tejido cardiaco ya que si bien es considerada una población celular particular, su funcionabilidad puede variar dependiendo de la interacción directa con otras células o de la liberación de factores solubles específicos de cada microambiente; por esta razón, es importante estudiar las CMM en el contexto de nichos particulares y no generalizar su uso terapéutico sin considerar las variaciones observadas según de la fuente de obtención, número de células utilizadas y microambiente donde se desean utilizar. Una vez se avance en la identificación de los roles biológicos que llevan a cabo las CMM in vivo y los mecanismos moleculares responsables de cada una de estas funciones, la medicina regenerativa ya no considerará tratamientos temporales para enfermedades degenerativas, sino soluciones terapéuticas a largo plazo para una amplia variedad de patologías.

Bibliografía

COOPER GEOFFREY M, HOUSMAN Robert, la celula de cooper Año: 2002 – 2ºedicion Editorial Marbán

http://www.infocelulasmadre.com/celulas-madre-mesenquimales.html

http://www.experimentosnuevos.com/2011/02/celulas-madre-mesenquimales-identificacion/

http://bvs.sld.cu/revistas/hih/vol26_4_10/hih02410.htm

http://www.unicolmayor.edu.co/invest_nova/NOVA/nova8_artrevis1.pdf

Autor:

Katherine Andrea Hernández Ramirez

Wendy Katherine Sua Pinto

Giuliany Retajac Bonilla

Carlos Mario Cardozo

UNIVERSIDAD DEL TOLIMA

FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS

BIOLOGÍA

IBAGUE

2012