Caracterización y diferenciación de células madre

Introducción:

La mayoría de las células de un individuo adulto (nos estamos refiriendo al hombre y los mamíferos superiores) no suelen multiplicarse, salvo para mantenimiento de algunos tejidos como la sangre y la piel. Las células del músculo y de la grasa en condiciones normales no se dividen. Si engordamos, no es que tengamos más células, en realidad tenemos la misma cantidad de células, pero éstas han aumentado de tamaño.

Si una lagartija pierde la cola, le vuelve a crecer. En los mamíferos no ocurre así. Si un individuo pierde un miembro, no lo vuelve a desarrollar. Su capacidad de regeneración está limitada a la cicatrización. Sin embargo, en prácticamente todos los tejidos hay unas células que, aunque habitualmente no se dividen, en condiciones particulares pueden proliferar y regenerar ese tejido. Artificialmente se ha visto que estas células tienen capacidad de reproducirse y generar otros tejidos distintos, y reciben el nombre de células madre.

Palabras clave: células madre, cigoto, pluripotencia, embrionarias.

El mundo de las células madreSabemos que nuestro cuerpo está hecho de células de diferentes tipos (por ejemplo, células de la sangre, células de la piel, células cervicales). Sin embargo, a menudo nos olvidamos de que todos estos tipos diferentes de células surgieron de una sola célula, el huevo fertilizado.

Los biólogos del desarrollo estudian los extraordinarios eventos que ocurren entre el momento de la fertilización del huevo y la formación de un nuevo individuo.

Los primeros pasos simplemente involucran a la división celular: una célula se convierte en dos células; dos células en cuatro células, etc.
Cada una de estas células individuales en el desarrollo temprano no está especializada (sin diferenciar), es decir, no posee aún una función específica en el cuerpo, aunque tiene la capacidad de contribuir a todos los órganos de un individuo, es decir, se conoce como totí potente.
Estas células se llaman células madre embrionarias (ES en sus siglas en inglés) y tienen tanto la capacidad de auto renovarse, manteniendo así un suministro continuo de células madre, como también la habilidad de dar origen a células especializadas (diferenciadas), tales como células del hígado o del cerebro.
Se cree que una vez que se diferencian, las células permanecen en este nuevo estado, generalmente perdiendo su habilidad para dividirse.

Las células madre también existen en los adultos y permiten que ciertos tejidos se regeneren durante la vida. Ellas también tienen la habilidad de auto renovarse y de poder diferenciarse en linajes múltiples. De hecho, la lista que identifica las células madre en adultos y las líneas específicas de células progenitoras (con habilidades limitadas de auto renovación) está creciendo.

Conceptos básicos:

Definición de células madre: son aquellas células dotadas simultáneamente de la capacidad de autor renovación (es decir, producir más células madre) y de originar células hijas comprometidas en determinadas rutas de desarrollo, que se convertirán finalmente por diferenciación en tipos celulares especializados.

En el contexto de la actual investigación, se pretende obtener células madre que se mantengan como tales en cultivo en el laboratorio, y que bajo determinados estímulos puedan conducir a poblaciones de células diferenciadas.

El zigoto (óvulo fertilizado) es una célula totí potente, capaz de dar origen a todo el organismo. Durante las primeras divisiones el embrión es una esfera compacta (mórula), en la que todas las células son totí potentes, y de hecho esto se refleja de modo natural en los gemelos monozigóticos. A los pocos días comienza una primera especialización, de modo que se produce un blastocisto, con una capa superficial que dará origen al trofoblasto, del que deriva la placenta, y una cavidad casi "hueca" (rellena de fluido) en la que está la masa celular interna (m.c.i.).

Las células de esta m.c.i. son pluritotentes, porque aunque por sí solas no pueden dar origen al feto completo (necesitan el trofoblasto), son el origen de todos los tejidos y tipos celulares del adulto.

Hay que aclarar un punto: aunque las células de la masa celular interna del blastocisto son pluripotentes, no son en sí mismas células madre dentro del embrión, porque no se mantienen indefinidamente como tales in vivo, sino que se diferencian sucesivamente en los diversos tipos celulares durante la fase intrauterina.

Lo que ocurre es que cuando se extraen del embrión y se cultivan in vitro bajo ciertas condiciones, se convierten en células "inmortales" dotadas de esas dos propiedades de las que hablábamos: autor renovación y pluripotencia.

Pluripotencia: Las células madre pueden diferenciarse in vivo e in vitro en una gran diversidad de tipos celulares.

In vivo dicha multipotencia se manifiesta cuando al incorporar células madre en blastocistos pueden dar origen a cualquier tejido u órgano,

In vitro pueden contribuir igualmente, con las señales adecuadas, a diferentes líneas celulares de las tres capas embrionarias (ecto-, meso- y endodermo). Este es el campo donde más se está investigando actualmente, por su relevancia para la clonación terapéutica.

Las fuentes para la obtención de células madre El uso clínico principal de las células madre es como una fuente de células donantes, las cuales son usadas en el reemplazo de células durante las terapias de trasplante. Las células madre pueden ser obtenidas de varias fuentes:

Embriones de repuesto: las células madre pueden provenir de embriones extra que han sido almacenados en clínicas de fertilidad y que no fueron utilizados por las parejas donantes para la concepción de niños.
Embriones de propósito especial: estos son embriones creados por medio de fertilización in vitro (artificialmente en el laboratorio) para el propósito específico de obtener células madre.
Embriones clonados: estos son embriones clonados en laboratorios por medio del método de transferencia somática nuclear, con el fin de cosechar sus células madre.
Fetos abortados: los fetos de desarrollo temprano que han sido abortados contienen células madre, las cuales pueden ser cosechadas.
Cordones umbilicales: este tejido post-parto posee potencial para la investigación.
Tejidos u órganos adultos: se pueden obtener células madre de tejidos u órganos provenientes de adultos vivos durante la cirugía.
Cadáveres: el aislamiento y supervivencia de células progenitoras neurales de tejidos post-mortem (hasta 20 horas después de la muerte) ha sido reportado y provee una fuente adicional de células madre humanas.1

Las células madre embriónicas deben ser obtenidas cuando el embrión se encuentra en un estado temprano de su desarrollo, es decir, cuando el huevo fertilizado se ha dividido hasta formar aproximadamente 1.000 células. Estas células se separan y se mantienen en un envase de cultivo celular, deteniendo así el desarrollo embriónico que conlleva a la creación de un individuo. Es por esto que la investigación en células madre embriónicas es el tópico de debates éticos. El uso de células madre de adultos posa menos dilemas éticos. Sin embargo, las células madre de adultos pueden no tener el mismo potencial para usos médicos terapéuticos que tienen aquellas derivadas de los embriones.

Clasificación de las células madre:

En los animales superiores, las células madre se han clasificado en dos grupos. Por un lado, las células madre embrionarias (Embrionic stem o EScells). Estas células derivan de la Masa celular interna del embrión en estadio de blastocisto (7-14 días), y son capaces de generar TODOS los diferentes tipos celulares del cuerpo, por ello se llaman células pluripotenciales. De estas células se derivaran, tras muchas divisiones celulares, el otro tipo de células, la células madre órgano-específicas. Estas células son multipotenciales, es decir, son capaces de originar las células de un órgano concreto en el embrión, y también, en el adulto. El ejemplo más claro de células madre órgano-específicas, es el de las células de la médula ósea, que son capaces de generar todos los tipos celulares de la sangre y del sistema inmune. Pero estas células madre existen en muchos más órganos del cuerpo humano, y podemos encontrar en la literatura científica como ya se han aislado células madre de adulto de la piel, grasa subcutánea, músculo cardíaco y esquelético, cerebro, retina, páncreas…

A día de hoy, se han conseguido cultivar (multiplicar) estas células tanto en in-vitro (en el laboratorio), como in-vivo (en un modelo animal) utilizándolas para la reparación de tejidos dañados. A pesar de todo, la aplicación de estas técnicas de transferencia de células madre de adulto para el recambio y reparación de tejidos enfermos está todavía en sus comienzos. Hasta ahora ha existido la creencia generalizada de que estas células madre órgano específicas, están limitadas a generar sólo células especializadas y diferenciadas del tejido donde residen, es decir, han perdido la capacidad de dar lugar a otras estirpes celulares de cuerpo: son células multipotenciales.

Sin embargo la reciente publicación de múltiples estudios ha hecho cambiar esta visión de las células madre órgano-específicas, haciendo evidente que células madre de adulto procedentes de cualquier tejido pueden diferenciarse a células y tejidos de otras localizaciones y estirpes distintas.

Estos experimentos han comprobado que células madre de adulto, cultivadas y sometidas a ambientes humorales distintos a los habituales, pueden reprogramarse (TRANSDIFERENCIARSE), y dar lugar a otros tipos celulares que hasta ahora se pensaba que eran incapaces de generar. Es decir, ya no serían multipotenciales, si no pluripotenciales. Si esto es así, se podría decir que no existe una diferencia esencial entre la célula madre embrionarias y las de adulto.

Células madre adultas

En un individuo adulto hay tejidos en los que algunas de sus células se dividen activamente, pero en otros no. Entre los que se dividen están la médula ósea y la piel, en ellos encontramos células madre de la médula ósea y de la piel. Estas células se reproducen y generan células especializadas de sangre y de piel respectivamente. En otros tejidos se han encontrado también células madre especializadas, capaces de reproducirse y de generar tejidos especializados y sólo esos tejidos. Estas células madre especializadas son muy escasas y difíciles de aislar.

En un principio se pensó que las células madre especializadas sólo podían general células especializadas del mismo tipo. Sin embargo se ha observado que estas células pueden llegar a generar células con una especialización diferente de la original. Así células madre neuronales de la médula espinal han producido diferentes tipos de células sanguíneas.

Estudios en ratas han obtenido células hepáticas partiendo de células madre de médula espinal. Cada día salen a la luz nuevos ejemplos de células madre especializadas que producen células especializadas diferentes de las esperadas. Esto demuestra que las células madre presentes en el individuo adulto son mucho más flexibles de lo que se pensaba.

De aquí se derivan grandes expectativas de terapias innovadoras. Parece que las células madre adultas tienen un gran potencial y quizá más facilidades que las células madre embrionarias puesto que se puede partir de células del propio individuo y, por tanto, con la misma carga genética. Esto solventa, además, los serios problemas éticos de manipular y destruir embriones.

Investigar con células madre adultas

Por otro lado, se podrían obtener células madre del propio individuo adulto y especializarlas igualmente para obtener otros tejidos o reconstruir los órganos necesarios. Un buen suministro de células madre propias podría ser el cordón umbilical obtenido en el momento del parto y conservado congelado.

Se recogen células madre de un individuo adulto. Otra posibilidad es guardar congelado el cordón umbilical del bebé al nacer que puede servir como suministro muy válido de células madre.

Se cultivan las células madre en el medio adecuado hasta obtener el tejido que se necesite.

Se trasplanta al individuo enfermo el tejido cultivado o las células necesarias para regenerar el órgano enfermo.

Comparando a las células madre embrionarias con las de los adultosLas células madre embrionarias poseen ventajas y desventajas para el uso terapéutico. Ventajas: Estas células son:

Flexibles: Poseen el potencial de formar cualquier célula del cuerpo.
Inmortales: Un linaje celular puede potencialmente suministrar una cantidad infinita de células con características cuidadosamente definidas.
Fácilmente obtenibles: los embriones humanos pueden ser obtenidos de las clínicas de fertilidad.

Desventajas: Ellas pueden:

Ser difíciles de controlar: El método para inducir el tipo de célula para tratar a una enfermedad en particular debe ser definido y optimizado.
Entrar en conflicto con el sistema inmune del paciente: Es posible que las células trasplantadas difieran en su perfil inmune de las del recipiente y que sean entonces rechazadas.
Ser éticamente controversiales: Las personas que creen que la vida comienza en el momento de la concepción dicen que el llevar a cabo investigaciones en embriones humanos no es ético, aún cuando el donante dé su consentimiento.

Las células madre adultas también poseen características tanto buenas como difíciles para el uso terapéutico:

Ventajas: Estas células

Ya están más o menos especializadas: La inducción puede ser más sencilla.
Son inmunológicamente resistentes: Los recipientes que reciben los productos de sus propias células madre no experimentan el rechazo inmunológico.
Son flexibles: Las células madre adultas pueden ser usadas para formar otros tipos de tejido.
Tienen una disponibilidad variada: Algunas células madre adultas son fáciles de cosechar mientras que cosechar otras, como por ejemplo, las células madre neurales (del cerebro), puede ser peligroso para el donante.

Desventajas: Ellas pueden:

Estar disponibles en cantidades mínimas: Es difícil obtenerlas en grandes cantidades.
Finitas: Ellas no viven tan largo bajo cultivo como las células madre embriónicas.
Genéticamente inadecuadas: Las células madre cosechadas pueden llevar consigo mutaciones que causan enfermedades o que pueden dañarse durante la experimentación.

Importancia comercial

Bancos de cordón umbilical: ¿un seguro de vida biológico?

Obtenidas durante el parto, a partir de la sangre del cordón umbilical y de la placenta, las células madre o stem cells son crió preservadas en tambores con hidrógeno líquido a menos 196°, y pueden ser descongeladas en cualquier momento para ser trasplantadas como forma de tratamiento para diversas enfermedades que pueda sufrir en el futuro el bebe o algún pariente cercano.

Hoy en día, el trasplante de células de cordón umbilical se emplea en el tratamiento de enfermedades oncohematológicas, como la leucemia o los linfomas, así como para cualquier cáncer en cuyo tratamiento sea necesario reconstruir la médula ósea dañada por la quimioterapia.

Asimismo, estos trasplantes han demostrado ser efectivos para el tratamiento de afecciones menos frecuentes, como ciertas anemias (la de Fanconi o las betatalasemia, por ejemplo) y trastornos metabólicos.

Todo hace suponer que en un futuro las células madre -cuyas principales características son dividirse indefinidamente y ser capaces de convertirse en cualquier tipo de célula del organismo- darán alivio, cuando no cura, a un espectro mucho mayor de enfermedades. Ya hay trabajos de investigación que sugieren que las células madre servirán de reemplazo para cualquier célula dañada, como las del páncreas en la diabetes, las del corazón en el infarto o las neuronas en el Parkinson y el Alzheimer (Chillik, 2004)

La posibilidad de contar con células madre obtenidas del cordón umbilical (que habitualmente se desecha tras el parto) es presentada como una alternativa científicamente válida y éticamente irreprochable al uso terapéutico de células madre embrionarias

Terapias de células madreLas células madre ofrecen la oportunidad de transplantar una fuente viva para la auto regeneración. Los transplantes de médula de los huesos (BMT en sus siglas en inglés) son una reconocida aplicación clínica del transplante de células madre. Los BMT pueden repopular a la médula ósea y restaurar a todos los tipos de células de la sangre después de que un paciente ha recibido altas dosis de quimioterapia y/o radioterapia, las cuales usamos como nuestra herramienta principal para eliminar las células endógenas cancerosas.

El aislamiento de células madre y células progenitoras adicionales se está desarrollando ahora para apoyar a muchas otras aplicaciones clínicas. Algunas de estas se describen a continuación. Reemplazo de la piel

El conocimiento de las células madre ha hecho posible que los científicos puedan crecer piel nueva a partir de cabellos arrancados de la cabeza del paciente. Las células madre de la piel (llamadas queratinocitos) residen en los folículos del cabello y pueden ser removidas al arrancar el pelo de raíz.3 Estas células pueden ser cultivadas para formar un equivalente epidérmico de la piel de los pacientes y proveer tejido para un injerto antólogo, eliminando el problema del rechazo.

Actualmente, este método está siendo estudiado en pruebas clínicas como una alternativa a los injertos quirúrgicos usados en los casos de úlceras venosas y víctimas con quemaduras. Transplante de células cerebrales

Las células neurales madre eran consideradas, hasta hace poco, como estrictamente embriónicas. Numerosos descubrimientos han comprobado que esto es incorrecto. La identificación y localización de células neurales madre, tanto embriónicas como adultas, ha sido un foco importante de la investigación reciente.

Algunos objetivos importantes para los transplantes de células neurales madre son los pacientes con derrames cerebrales, lesiones al cordón espinal, y enfermedades neurodegenerativas, como por ejemplo, la Enfermedad de Parkinson. Esta enfermedad conlleva la pérdida de células que producen el neurotransmisor dopamina. El primer ensayo doblemente ciego de transplantes de células fetales para tratar a la Enfermedad de Parkinson reportó una supervivencia y liberación de dopamina proveniente de las células transplantadas y una mejora funcional en los síntomas clínicos.4 Sin embargo, algunos pacientes desarrollaron efectos secundarios, lo cual sugiere que hubo una sobresensitización a la dopamina o demasiada dopamina producida.

A pesar de que estos efectos secundarios no fueron anticipados, el éxito del experimento a nivel celular es significativo. De nuevo, se necesitan más estudios y que los estudios actuales continúen. Existen más de 250 pacientes que han recibido transplantes de tejidos humanos fetales. Varias compañías de biotecnología están desarrollando estrategias diferentes para las terapias de células madre.

Diacrin ha estado desarrollando lo que llaman xenotrasplantes, usando células fetales de cerdo. Las pruebas clínicas han comenzado en pacientes que han sufrido un derrame cerebral. Actualmente, estos pacientes requieren recibir algún tratamiento en las primeras 24 horas después del derrame para poder obtener resultados terapéuticos efectivos. Muchos pacientes no reciben tratamiento a tiempo porque los síntomas no son obvios al principio. La terapia de Diacrin puede ser aplicada entre semanas y meses después del trauma inicial.
La estrategia de NeuroNova consiste en el cultivo de células humanas adultas provenientes de donantes, diferenciarlas en cultivo para que produzcan el tipo de célula deseada (neuronas dopaminérgicas) las cuales son perdidas en la Enfermedad de Parkinson y luego trasplantarlas directamente al cerebro de los pacientes.
Neurotech está utilizando células endoteliales cerebrales alteradas (modificadas para producir Interleucina-2 humana) como una inmunoterapia para el tratamiento de gliomas. Los resultados de los experimentos en ratas han mostrado que estas células "recogen" a las células del tumor, lo cual ha resultado en el inicio de un estudio clínico.

Tratamiento para la diabetes

La diabetes afecta a 16 millones de personas en los Estados Unidos y es causada por el metabolismo anormal de la insulina. Normalmente, la insulina es producida y segregada por estructuras celulares del páncreas llamadas isletas de Langerhans.

Recientemente, se han podido generar células que expresan la insulina a partir de células madre de ratón.5 Además, estas células se auto-organizan para formar estructuras, las cuales no solo se parecen mucho a las isletas pancreáticas normales, sino que también producen insulina.

Las investigaciones futuras necesitan enfocarse en formas de optimizar las condiciones para la producción de insulina, con el fin de proveer una terapia basada en células madre para tratar a la diabetes que pueda reemplazar la necesidad de inyectarse insulina constantemente.

Direcciones futurasLa generación de nuevas neuronas en el cerebro del adulto es limitada. Sin embargo, la autoreparación después de la muerte de las células de las neuronas ha sido demostrada recientemente en ratones, lo cual sugiere que las células madre que residen normalmente en el cerebro pueden algún día ser estimuladas por inductores, en una manera similar a como inducimos nuestro sistema inmune por medio de la vacunación.6

Esto podría evitar la necesidad de usar el trasplante de células. Hacen falta investigaciones intensas sobre los mecanismos celulares involucrados en estos procesos. El potencial que las células madre embriónicas tienen para proveer otros tipos de células diferenciadas también necesita ser investigado. La producción de células de músculo cardíaco, las cuales han demostrado ser evasivas hasta ahora, sería tremendamente beneficioso para tratar a las enfermedades cardíacas, las cuales constituyen la enfermedad mortal más común en los Estados Unidos.

Los científicos y la investigación en células madreLos científicos creen que la investigación en células madre puede llevar a descubrir curas para una gran cantidad de enfermedades que nos afligen. Los grupos en contra del aborto, algunos grupos religiosos y ciudadanos conservadores dicen que el uso de células provenientes de embriones es inmoral porque destruye a la vida.

Sin embargo, una encuesta reciente de la ABCNews/Beliefnet demostró que los norteamericanos apoyan a la investigación en células madre en un margen de 2 a 1, diciendo que estas investigaciones deben ser financiadas por el gobierno federal, a pesar de la controversia en el uso de los embriones humanos.7 La mayor parte de los científicos No apoyan la aplicación de estas tecnologías a la clonación de humanos (es decir, no quieren que los embriones alterados durante las investigaciones en células madre se desarrollen más allá de un estado definido).

Ellos están de acuerdo con los gobiernos y con los ciudadanos preocupados y apoyan la prohibición mundial de este uso. Sin embargo, ellos Sí quieren tener la oportunidad de continuar investigando a las células madre para aplicaciones clínicas, bajo regulaciones y legislación apropiadas, con la esperanza de poder aliviar al sufrimiento humano.

BIBLIOGRAFÍA:

www.embrios.org

www.ugr.es/eianez/biotecnologia

www.biotech.bioetica.org

http://www.diariomedico.com/grandeshist/numero2000/reportaje3.html http://www.elmundosalud.com/elmundosalud/noticia.html?

http://stemcells.nih.gov/info/basics/basics1.asp

Trabajo presentado por:

Miguel Ángel Ríos N.

24/05/06

Enviado por:

Carlos Gustavo Pea Sanchez