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miércoles, 2 de marzo de 2016

CÉLULAS MADRES: PANORAMA ACTUAL

CÉLULAS MADRES: PANORAMA ACTUAL Y USO DE CÉLULAS MADRES EN REGENERACIÓN DE CARTÍLAGOS ARTICULARES

En los últimos años, cerca de 40 para ser más específicos, se ha generado un avance significativo en la investigación en el campo de la medicina. Uno de los descubrimientos más importantes son las potencialidades de las células madres con proyecciones a usos clínicos. Estas son células que tienen la capacidad de convertirse en cualquier tipo celular del cuerpo, es decir, podemos obtener a partir de una célula madre, células de los músculos, de los huesos, del corazón, incluso neuronas. Con tan solo imaginarlo ya sabemos que muchas cosas que parecían imposibles ya se encuentran al alcance de nuestras manos. Una de estas cosas antes impensable es la regeneración de cartílagos articulares que busca encontrar su solución en las células madre.
Para poder conocer todo el potencial de las células madre debemos responder algunas preguntas como qué son las células madres, qué tipos hay, su importancia, localización, entre otros. También debemos conocer bien qué es un cartílago, su composición, principales padecimientos para poder entender mejor como es el proceso de regeneración.
Luego podemos analizar lo que respecta a los primeros tratamientos de regeneración de cartílago articular, la terapia génica que ahora involucra, los andamios y scaffolds (Superficies que contienen a las células madre tratadas in vitro dentro del cuerpo) que se utilizan y un ejemplo de regeneración.
Finalmente presentaremos los últimos avances en el campo de las células madre. El gran aporte de las iPSC (células madre pluripotentes inducidas) y lo que esto representa, la nueva teoría de los pericitos y trataremos de orientar todos los nuevos conocimientos al proceso de regeneración de cartílago articular.


¿Qué son las células madre?
Las células madre son células con capacidad clonogénica y autorenovadora y que se pueden diferenciar(1) en múltiples linajes celulares (Weissman IL 2000). Son células que pueden replicarse en muchas generaciones sin perder sus características originales (Caplan AI 1991). Las células madre mantienen la integridad estructural y funcional de los tejidos reemplazando las células dañadas (Tirino V y cols. 2011). Aquí radica el motivo de su importancia en el campo de los implantes y la medicina y el porqué de su actual estudio.




¿Qué tipos de células madres existen?
Podemos clasificar las células madre según su potencialidad. Encontramos las células madre Totipotentes capaces de formar células de todos los linajes del organismo. El cigoto es un ejemplo. Luego tenemos las Pluripotentes, aquellas con similar capacidad de formación, pero con algunas excepciones. Son conocidas como células madre embrionarios por ser las de un embrión de 16 células. También pueden ser Multipotentes, aquellas que generan varios tipos de tejido, pero con más restricciones. Finalmente están las células madre Unipotentes que producen solo un linaje como las espermatogonias.

Según su origen pueden ser clasificadas como embrionarias y adultas. Las embrionarias se llaman así porque su fuente de obtención son los embriones y las adultas porque se obtienen de diferentes tejidos adultos del cuerpo, del cordón umbilical, la placenta
entre otros.

Importancia de las células madre mesenquimales
De todos los tipos de células madres, en los últimos años, se ha puesto especial atención a las células madre mesenquimales. Son células multipotenciales primitivas, con morfología fibroblastoide, originadas a partir de la capa germinal mesodermal, con la capacidad de diferenciarse en diversos tipos de células (Anna M. Wobus 2008), también son aquellas capaces de dar origen a células de origen mesodérmico (Caplan AI 1991). Los grupos de Caplan (Caplan AI 1991) y Pittenger (Pittenger MF y cols. 1999) demostraron en la década de los noventa, que las CMM (Células madre mesenquimales) tenían propiedades osteogénicas, condrogénicas, adipogénicas entre otras. Esto quiere decir que por medio de un proceso de diferenciación estas células podrían llegar a ser osteocitos (células óseas), condrocitos (células del cartílago), adipocitos (células grasas), mioblastos (precursores de células musculosas) cardiomiocitos (células del corazón), neuronas y astrocitos (Células gliales(2)) tanto in vivo como in vitro (Salem H 2010).  Las CMM están presentes en todos los tejidos maduros del cuerpo humano y residen en áreas específicas de dichos tejidos, donde permanecen inactivas sin dividirse, hasta que se activan por enfermedad o lesión tisular (Tirino V y cols. 2011).
Localización de las células madre mesenquimales
En la actualidad se sabe que el mayor reservorio de células madre mesenquimales se encuentra en el estroma(3) de médula ósea. También se pueden aislar de: pulpa dental (Gronthos S y cols. 2000), ligamento periodontal, (Gronthos S y cols. 2000) dientes deciduos (Miura M y cols. 2003), periostio (Nakahara H y cols. 1991), membrana sinovial (De Bari C y cols. 2001), músculo (Bosch P y cols. 2000), grasa (Zuk PA y cols. 2002), dermis (Young HE y cols. 2001), y hueso trabecular (Tuli R y cols. 2003). Estas células se pueden caracterizar mediante marcadores moleculares de superficie como SH2 (CD105), SH3, SH4 (Haynesworth SE y cols. 1992), CD44 (Conget PA y Minguell JJ 1999) y Stro-1 (Gronthos S y Simmons PJ 1995); aunque ninguno de estos marcadores es específico de CMM, ya que también han sido detectados en células mesenquimales diferenciadas, endoteliales y epiteliales.


Métodos de aislamiento de células madre mesenquimales
Una parte muy importante en el proceso de investigación con células madre mesenquimales es el proceso de aislamiento. Mediante este se obtienen la materia prima con la cual se trabaja en el laboratorio. A pesar de los años de investigación aún no se tiene un método de total eficacia para este proceso. Tampoco se tienen marcadores o señalizadores que nos permitan identificar las células madre mesenquimales a un 100 %.  Es común utilizar métodos como centrifugación, pero no se garantiza óptimos resultados. Este es un punto muy desfavorable al momento de su utilización en investigaciones. Al aislar las células madres se tratan de obtener la mayor cantidad de células mientras que en la mayoría de procesos no es mayor de 5%. Hasta la fecha no se ha identificado un único marcador que caracterice definitivamente este tipo de células (Shanti RM y cols. 2007). Actualmente se han realizado nuevos estudios respecto a las células madre mesenquimales y su origen en los vasos sanguíneos, los llamados pericitos.
Nuevos avances: Pericitos
Uno de los tipos de células madre más utilizado y con gran potencial por su versatilidad son las células madre mesenquimales. Actualmente se han estudiado más a fondo y se plantea una nueva forma de verlas. EL doctor ARNOLD I. CAPLAN, Ph.D. y DIEGO CORREA, M.D., Ph.D son quienes han realizado  muchas investigaciones al respecto y han llegado a nuevas conclusiones.
Anteriormente los estudios de células madres mesenquimales se limitaban a su aislamiento, expansión y caracterización y existe varios documentos que lo demuestran. Hay una literatura detallada y elegante (Hirschi y D'Amore, 1996;. Crisan et al, 2008; Traktuev et al, 2008;.. Sacchetti et al, 2007), que apoya el hecho de que, para casi todos los vasos sanguíneos en el cuerpo, las células mesenquimales se observan en lugares perivasculares (en ambos vasos arteriales y venosos). Pericitos, asi es como se llaman a estas células diferentes con ubicación perivascular. Luego de comparaciones queda claro que los pericitos aislados exhiben un panel de marcadores de superficie celular que son idénticas a las expresadas por las células madre mesenquimales aisladas (Crisan et al., 2008). En conclusión, el Dr. Caplan plantea que las células madre mesenquimales y los pericitos son la misma célula pero en diferentes etapas.

Los pericitos, al estar ubicados en las zonas perivasculares, se plantea un nuevo método de extracción de células madre mesenquimales. Ya que, a partir de este nuevo conocimiento, se podría aislar de cualquier tejido vascularizado(4), y que las células madre mesenquimales secretan grandes cantidades de una variedad de moléculas bioactivas como una respuesta inmunomoduladoras, en otras palabras, como una farmacia.

En conclusión, los pericitos son las células perivasculares que, en el momento de una rotura de vasos sanguíneos, se activan como células madre mesenquimales que adquieren una función inmunomoduladora y a la vez regenerativa. Esta nueva forma de ver las cosas le da un giro a las investigaciones que utilizan células madres mesenquimales.
El futuro del futuro: Las Células madre pluripotentes inducidas. (iPSC)
En el año 2012, el investigador Shyn’ia Yamanaka fue galardonado con el premio Nobel de Fisiología y Medicina junto a John Gurdon "por el descubrimiento de que células adultas pueden reprogramarse para convertirlas en pluripotentes". A partir de esto se abre una gran puerta hacia el futuro de la medicina regenerativa. Hasta ese momento la fuente más utilizada y preferida de células era la de procedencia embrionaria por su gran potencialidad, pero como sabemos esto conllevaba problemas éticos y mucha polémica.
Empieza con la publicación de un artículo de John B. Gurdon y Smith donde se habla de los genes Oct4, Nanog y otros útiles en darle a las células ya diferenciadas características pluripotentes media un tratamiento genético celular.

“Cuando veía un embrión-al microscopio- me daba cuenta que hay poca diferencia entre él y mis hijas y entonces pensaba que yo no podía permitirme destruir embriones para investigar. Tenía que haber otra posibilidad.” Esto expresa Shyn’ia Yamanaka al momento de presentar su trabajo. He aquí la clave de todo, en vista de los problemas éticos que presentaba la utilización de células madre embrionarias, la opción de nuevas células con capacidad pluripotente se muestra como la solución.
En el año 2006 Yamanaka, basándose en estos descubrimientos, reprograma fibroblastos de ratón con los genes Oct3/4, Sox2, c-Myc y Klf4. Todo se resume en la “activación” de propiedades de la célula que tuvo al inicio, pero se perdió al ser adulta utilizando la reprogramación genética. Shyn’ia hace realidad lo que estaba solo en teoría, de células adultas obtiene células pluripotentes.
Lo que plantea Yamanaka es la reprogramación de células adultas a células madre, ir de la meta a la partida, llamadas células madre pluripotentes inducidas, iPSC en sus siglas en inglés. Esto representa un avance superiormente notorio porque nos brinda una oportunidad de trabajar con células de igual potencial que las células madre embrionarias sin atentar contra la vida ni tener conflictos éticos.

Proceso de obtención de iPSC
El proceso de inducción de las células adultas hacia células madre pluripotentes que realizó Shyn´ia Yamanaka fue el siguiente:
(1)    Se aíslan y cultivan las células adultas que se van a utilizar.
(2)    Se hace la transferencia de genes exógenos provenientes de células madres a las células por medio de vehículos retrovirales(5). Las células de color rojo indican que son células transfectadas(variadas genéticamente) que ya expresan los genes exógenos.
(3)    Se cultivan las células transfectadas con métodos de cultivo de células madre usando células inactivadas como capas alimentadoras (color gris).
(4)  Un subgrupo pequeño de estas células transfectadas se transforman en células madres pluripotenciales inducidas (iPS) y desde ese momento en adelante producen colonias de células madre.


Uno de los principales riesgos de las iPSC eran que se vuelvan células cancerígenas ya que el gen C-Myc que era utilizado en el proceso tenia características oncogénicas. Por esta razón, Yamanaka lo sustituye por el gen Glis-1 con lo cual se soluciona el problema.
El uso de iPSC tenía otro punto desfavorable. La cantidad de células madre pluripotentes inducidas obtenidas luego del proceso era muy poco. Luego de investigaciones unos científicos israelíes del Instituto Weizmann de ciencias, en Rehovot demuestran una eficacia al 100% en la reprogramación de células de la piel para producir iPSC. Esto fue posible anulando una proteína llamada Mbd3 y agregando un factor llamado OSKM logrando resultados muy favorables.
Luego de todos estos descubrimientos las células iPSC obtenidas por reprogramación celular han sido utilizadas en tratamientos de regeneración con células neuronales y cardiacas. Logrando así que sea la fuente celular principal en trabajos científicos dejando muy de lado a las células madre embrionarias.
A la actualidad muchos trabajos de regeneración se han realizado mediante iPSC muchos son de mucha magnitud y han sorprendido a la comunidad científica. Algunos de ellos ya se realizan de forma clínica, un ejemplo de esto es Biotime, empresa cuya estrategia es ser el líder en el desarrollo de tecnologías basadas en células madre pluripotentes y aplicar esas nuevas tecnologías en el tratamiento de enfermedades degenerativas. Brinda tratamientos para de regeneración macular, Diabetes, Obesidad, entre otros. Sin embargo no se asegura el 100% de éxito.

Últimas publicaciones sobre reprogramación celular
NUEVO MÉTODO DE REPROGRAMACIÓN: Los científicos de la EPFL(6) han descubierto un Nuevo método para mejorar la forma de inducir las células adultas en células madres. Este nuevo método se trata de variar la superficie de cultivo de una de 2D a una 3D. Esta estructura nueva sería compuesta por un gel que contenga todas las características importantes para la inducción. Los científicos pretenden reprogramar las células más rápido y más eficiente que los métodos actuales, simplemente ajustando la composición - y por lo tanto la rigidez y densidad - del gel circundante. Como resultado, el gel ejerce diferentes fuerzas sobre las células, esencialmente " exprimirlas”. Los científicos dicen: " Cada tipo de célula puede tener un" punto dulce " de los factores físicos y químicos que ofrecen la transformación más eficiente", dice Lutolf. "Una vez que lo encuentras, es una cuestión de recursos y tiempo para crear células madre en una escala más grande. "
ALGORITMO QUE PREDICE LA CONVERSIÓN CÉLULAR: Un equipo internacional de investigadores de la Escuela de Medicina de Duke - NUS ( Duke- NUS ) , la Universidad de Bristol , Universidad de Monash y RIKEN han desarrollado un algoritmo que pueda predecir los factores necesarios para convertir un tipo de célula a otro ser humano . Estos hallazgos tienen implicaciones importantes para la medicina regenerativa y sentar las bases para una mayor investigación en reprogramación celular. EL algoritmo se llama MOGRIFY el cual accede a una base de datos donde encuentra la información necesaria para las combinaciones de factores que se requieren. El algoritmo completo lo podemos encontrar en http://www.mogrify.net/ al alcance de todos.



REFERENCIAS:
 [1] Weissman, I. L. (2000). “Stem cells: units of development, units of regeneration, and evolution” Cell 100(1): 157-68.
[2] Caplan, A. I. (1991). “Mesenchymal stem cells” J Orthops Res 9(5):641-50.
[3] Tirino, V., F. Paino, R. d’Aquino, V. Desiderio, A De Rosa and G. Papaccio (2011). “Methods for the identification, characterization and banking of human DPSCs: current strategies and perspectives” Stem Cell Rev 7(3): 608-15.
[4] Evans, M. J. and M. H. Kaufman (1981). "Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos." Nature 292(5819): 154-6.
[5] Pittenger, M. F., A. M. Mackay, S. C. Beck, R. K. Jaiswal, R. Douglas, J. D. Mosca, M. A. Moorman, D. W. Simonetti, S. Craig and D. R. Marshak (1999). "Multilineage potential of adult human mesenchymal stem cells." Science 284(5411): 143-7.
[6] Korbling, M. and Z. Estrov (2003). "Adult stem cells for tissue repair - a new therapeutic concept?" N Engl J Med 349(6): 570-82.
[7] Wobus , Anna M. (27 de marzo de 2008). Stem Cells. Springer. pp. 248–. 
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[24] Jouve de la Barreda, Nicolás. “Las células madre: Alquimia celular para una nueva medicina”. Madrid: Editorial PALABRA, 2015

[25] Wikipedia, Enciclopedia Libre. “ Esquema de la generación de células madre pluripotenciales inducidas (iPS) a partir de células adultas (reprogramación)”, https://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_madre_pluripotente_inducida#/media/File:Induction_of_iPS_cells.svg,; 20 Enero 2016.
[26] BIOTIME, INC. “Product Pipeline”, http://www.biotimeinc.com/; 4 Febrero 2016.
[27] Stem Cells, Therapy & Biobanking, “Squeezing Cells into Stem Cells”, http://www.technologynetworks.com/Stemcells/news.aspx?ID=187063;  23 Enero 2016
[28] Stem Cells, Therapy & Biobanking, “Mapping out Cell Conversion”, http://www.technologynetworks.com/Stemcells/news.aspx?ID=187496; 23 Enero 2016




By Rodrigo Fernández Cornejo


(1) Diferenciación: Proceso mediante el cual una célula cambia mediante variaciones genéticas en otro tipo de célula.
(2) Células gliales: Células de tipo estructural en la red neural del cerebro.
(3) Estroma: Tejido conjuntivo que constituye la matriz o sustancia fundamental de un órgano
(4) Vascularizado: Que está provisto de vasos.
(5) Retrovirus: Es un tipo de virus de la familia Retroviridae de tamaño microscopico que contienen una única cadena de ARN
(6) Escuela Politécnica Federal de Lausana

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