14.7: Células Madre

Las células madre son células que se dividen por mitosis para formar dos células madre, aumentando así el tamaño del “pool” de células madre, o una hija que va a diferenciarse, y una hija que conserva sus propiedades de células madre. Todavía se desconoce cómo se hace la elección. Sin embargo, se han encontrado varios genes cuya actividad impide que una célula hija se diferencie.

Tipos de Células Madre

Se utilizan varios adjetivos para describir el potencial de desarrollo de las células madre; es decir, el número de diferentes tipos de células diferenciadas en las que pueden llegar a ser.

1. Células totipotentes. En los mamíferos, las células totipotentes tienen el potencial de convertirse en cualquier tipo en el cuerpo adulto y en cualquier célula de las membranas extraembrionarias (p. ej., placenta). Las únicas células totipotentes son el óvulo fertilizado y las primeras 4 células producidas por su escisión (como lo demuestra la capacidad de los mamíferos para producir gemelos idénticos, trillizos, etc.). En los mamíferos, la expresión de células madre totipotentes es un nombre inapropiado: las células totipotentes no pueden hacer más de sí mismas.
2. Células madre pluripotentes. Se trata de verdaderas células madre, con el potencial de producir cualquier célula diferenciada en el cuerpo (pero probablemente no las de la placenta que se deriva del trofoblasto).

Figura\(\PageIndex{1}\): Blastocisto humano que muestra masa celular interna (parte superior derecha) y trofoblasto. (J. Conaghan).

Tres tipos de células madre pluripotentes ocurren naturalmente:

• Células Madre Embrionarias (ES). Estos pueden aislarse de la masa celular interna (ICM) del blastocisto, la etapa de desarrollo embrionario cuando ocurre la implantación. Para los humanos se utiliza el exceso de embriones producidos durante los procedimientos de fecundación in vitro (FIV). La recolección de células ES de blastocistos humanos es polémica porque destruye el embrión, que podría haber sido implantado para producir otro bebé (pero a menudo simplemente iba a ser desechado).
• Células Germinales Embrionarias (EG). Estos pueden aislarse del precursor de las gónadas en fetos abortados.
• Células de Carcinoma Embrionario (CE). Estos pueden aislarse de teratocarcinomas, un tumor que ocasionalmente se presenta en una gónada de un feto. A diferencia de los otros dos, suelen ser aneuploides.

Estos tres tipos de células madre pluripotentes solo pueden aislarse del tejido embrionario o fetal. Se pueden cultivar en cultivo, pero sólo con métodos especiales para evitar que se diferencien.

En ratones y ratas, las células madre embrionarias también pueden:

• contribuir a la formación de un adulto quimérico sano cuando se inyecta en un blastocisto que luego se implanta en una madre sustituta;
• entrar en la línea germinal de estos animales; es decir, contribuir a su charco de gametos;
• se desarrollan en teratomas cuando se inyectan en ratones inmunodeficientes (SCID). Estos tumores producen una amplia variedad de tipos de células que representan las tres capas germinales (ectodermo, mesodermo y endodermo).

Utilizando la manipulación genética en el laboratorio, ahora se pueden generar células madre pluripotentes a partir de células diferenciadas. Estas células madre pluripotentes inducidas (iPSC) se describen a continuación.

3. Células madre multipotentes. Estas son verdaderas células madre pero sólo pueden diferenciarse en un número limitado de tipos. Por ejemplo, la médula ósea contiene células madre multipotentes que dan lugar a todas las células de la sangre pero no a otros tipos de células. Las células madre multipotentes se encuentran en animales adultos; quizás la mayoría de los órganos del cuerpo (por ejemplo, cerebro, hígado, pulmones) las contienen donde pueden reemplazar las células muertas o dañadas. Estas células madre adultas también pueden ser las células que —cuando se acumulan mutaciones suficientes— producen un clon de células cancerosas.

Células Madre para Terapia Humana

El sueño

Muchos problemas médicos surgen del daño a las células diferenciadas. Ejemplos:

• Diabetes mellitus tipo 1 donde las células beta del páncreas han sido destruidas por un ataque autoinmune
• Enfermedad de Parkinson; donde las células secretoras de dopamina del cerebro han sido destruidas
• Lesiones de la médula espinal que conducen a parálisis de los músculos esqueléticos
• Accidente cerebrovascular isquémico donde un coágulo de sangre en el cerebro ha provocado la muerte de neuronas por falta de oxígeno
• Esclerosis múltiple con pérdida de vainas de mielina alrededor de los axones
• Ceguera causada por daños en la córnea

El gran potencial de desarrollo de las células madre ha creado una intensa investigación para alistarlas para ayudar a reemplazar las células perdidas de tales trastornos. Si bien el avance ha sido lento, algunos procedimientos ya son prometedores. Uso de células madre multipotentes “adultas”.

• cultivar células madre epiteliales humanas y usar su progenie diferenciada para reemplazar una córnea dañada. Esto funciona mejor cuando las células madre son del paciente (por ejemplo, del otro ojo). Las células corneales de otra persona (un aloinjerto) siempre están en riesgo de ser rechazadas por el sistema inmunitario del receptor.
• la reparación exitosa de un bronquio izquierdo dañado utilizando una sección de una tráquea donada que primero se limpió de todas las células donantes y luego se sembró con las células epiteliales del receptor y las células formadoras de cartílago cultivadas a partir de células madre en su médula ósea. Hasta el momento la paciente le va bien y no necesita medicamentos para suprimir su sistema inmunológico.

Uso de células diferenciadas derivadas de células madre embrionarias (ES). Se están realizando ensayos clínicos de fase I para evaluar la seguridad de

• inyectar células retinianas derivadas de células ES
  • a los ojos de los jóvenes con una forma heredada de ceguera juvenil;
  • en los ojos de adultos con degeneración macular relacionada con la edad.
• inyectar células gliales derivadas de células ES en pacientes paralizados por lesiones de la médula espinal.

Los problemas inmunológicos

Un problema importante que debe resolverse antes de que la terapia con células madre humanas se convierta en realidad es la amenaza de rechazo de las células trasplantadas por parte del sistema inmunitario del huésped (si las células madre son aloinjertos; es decir, provienen de un individuo genéticamente diferente).

Una posible solución

Una forma de evitar el problema del rechazo es utilizar células madre genéticamente idénticas al hospedador. Esto ya es posible en las raras situaciones en las que el paciente tiene células madre sanas en una parte no dañada del cuerpo (como las células madre que se utilizan para reemplazar las córneas dañadas). Pero incluso donde no hay células madre “autólogas” disponibles, puede haber una solución: usar transferencia nuclear de células somáticas.

En esta técnica,

1. Un huevo tiene su propio núcleo eliminado y reemplazado por
2. un núcleo tomado de una célula somática (p. ej., piel) del donante.
3. Se permite que el huevo ahora diploide se desarrolle en cultivo hasta la etapa de blastocisto cuando
4. Las células madre embrionarias se pueden cosechar y cultivar en cultivo.
5. Cuando hayan adquirido las propiedades deseadas, pueden implantarse en el donante sin temor al rechazo.

Mediante este procedimiento es posible no sólo cultivar blastocistos sino incluso hacer que estos se conviertan en animales adultos —la clonación — con un genoma nuclear idéntico al del donante del núcleo. La primera clonación exitosa por SCNT fue con anfibios. Posteriormente, mamíferos como ovejas (Dolly), vacas, ratones y otros fueron clonados con éxito. Y en la edición del 11 de noviembre de 2007 de Science, investigadores en Oregón reportaron el éxito con los pasos 1—4 en monos rhesus (primates como nosotros).

Figura\(\PageIndex{2}\): Transferencia de células somáticas en monos rhesus

Su procedimiento:

• Quitar el huso y así todo el material nuclear de los ovocitos secundarios en la metafase de la meiosis II.
• Fusiona cada huevo enucleado con una célula cutánea tomada de un mono macho.
• Cultivo hasta alcanzar la etapa de blastocisto.
• Extraer células madre embrionarias de la masa celular interna.
• Establecer que tienen el genoma nuclear del macho (pero sobre todo el genoma mitocondrial de la hembra).
• Cultivar con factores para fomentar la diferenciación: cultivaron células musculares cardíacas (que se contrajeron), e incluso células neuronales.
• Inyectar en ratones SCID y examinar los tumores que se formaron. Estos contenían células de las tres capas germinales: ectodermo, mesodermo y endodermo.
• Sin embargo, incluso después de más de 100 intentos, no han podido implantar sus blastocistos de mono en el útero de una madre sustituta para producir un mono clonado.

Esto debería tranquilizar a las personas que ven con alarma el reporte en mayo de 2013 de los mismos trabajadores de que finalmente han logrado producir células madre embrionarias (ESC) utilizando SCNT a partir de tejido humano diferenciado. Los trabajadores nos aseguran que no intentarán implantar estos blastocistos en una madre sustituta para producir un humano clonado. Y su fracaso con los monos sugiere que fallarían aunque sí lo intentaran.

Si bien la clonación de humanos todavía parece imposible, los CES específicos del paciente

• podría usarse en terapia de reemplazo celular o, en su defecto,
• proporcionar el material para el estudio de laboratorio de la base de —y tal vez el tratamiento de— las enfermedades genéticas.

Queda por ver si serán más eficientes y más útiles que las células madre pluripotentes inducidas.

Preguntas que quedan por responder

• Genes Imprimidos. El esperma y los óvulos contienen cada uno ciertos genes que llevan una “huella” identificándolos posteriormente en el óvulo fertilizado como derivados del padre o la madre respectivamente. Crear un óvulo con un núcleo tomado de una célula adulta puede no permitir establecer un patrón adecuado de impronta. Cuando el núcleo adulto diploide se inserta en el huevo enucleado (al menos los de ovejas y ratones), el nuevo núcleo se vuelve “reprogramado”. Lo que realmente significa reprogramar aún debe aprenderse, pero quizás implique la metilación y desmetilación adecuadas de los genes impresos. Por ejemplo, el cromosoma X inactivo en las células femeninas adultas debe reactivarse en el óvulo, y esto en realidad parece suceder.
• Aneuploidía. En primates (a diferencia de ovejas, bovinos y ratones), el proceso de remoción del núcleo residente provoca la pérdida de moléculas asociadas con el centrosoma también. Aunque inyectar un núcleo donante permite que comience la mitosis, la formación del huso puede verse alterada y las células resultantes no logran obtener el complemento correcto de los cromosomas (aneuploidía).
• Mutaciones somáticas. Este procedimiento también plantea el espectro de amplificar el (los) efecto (s) de mutaciones somáticas. En otras palabras, las mutaciones que podrían ser bien toleradas en una sola célula somática del adulto (utilizada para proporcionar el núcleo) bien podrían resultar bastante dañinas cuando se replican en un clon de células inyectadas posteriormente en el paciente.
• Polémica política. El objetivo de este procedimiento (que a menudo se denomina clonación terapéutica aunque no se produzca ningún individuo nuevo) es cultivar un blastocisto que pueda servir como fuente de células ES. Pero ese mismo blastocisto teóricamente podría implantarse en un útero humano y convertirse en un bebé que era genéticamente idéntico al donante del núcleo. De esta manera, se clonaría a un humano. Y de hecho, Dolly y otros animales ahora se clonan rutinariamente de esta manera. El espectro de esto es tan aborrecible para muchos que les gustaría que se prohibiera el procedimiento a pesar de su promesa de ayudar a los humanos. De hecho, muchos se oponen tan fuertemente al uso de blastocistos humanos —incluso cuando se producen por transferencia nuclear— que les gustaría limitar la investigación con células madre a las células madre adultas (aunque éstas solo sean multipotentes).

Posibles soluciones a la controversia ética

Células madre pluripotentes inducidas (iPSC)

Una alternativa prometedora al uso de células madre embrionarias en terapia humana son los métodos recientemente desarrollados para reprogramar genéticamente los núcleos de células adultas diferenciadas para que recuperen la pluripotencia de las células madre embrionarias (ES).

En junio de 2007, tres laboratorios informaron que la introducción de copias adicionales de solo 4 genes en las células adultas de la piel de ratón (fibroblastos) les permite recuperar las propiedades de las células ES. Cuando estas células, denominadas células madre pluripotentes inducidas (iPSC para abreviar), se colocaron en blastocistos de ratón, participaron en la construcción de todos los tejidos de los ratones quiméricos que resultaron. (Cuando se colocaron en blastocistos tetraploides (4n) —incapaces por sí mismos de desarrollarse normalmente— se formaron embriones que así eran clones del donante de células cutáneas). Los cuatro genes: c-Myc, Sox2, Oct3/4, Klif4.

Para 2009, varios laboratorios habían logrado producir ratones adultos fértiles a partir de iPSC derivados de fibroblastos embrionarios de ratón. Esto demuestra que las iPSC son solo capaces de impulsar el desarrollo completo (pluripotencia) como células madre embrionarias.

¡La reprogramación también funciona en humanos! Usando los mismos cuatro genes, el laboratorio de Yamanaka en Japón informó el 20 de noviembre de 2007, que ahora habían reprogramado las células de la piel humana para que se convirtieran en células madre pluripotentes inducidas (iPSC). Y el laboratorio Thomson en Wisconsin logró lo mismo usando SOX2, OCT4, NANOG y LIN28.

Otra evidencia del notable papel desempeñado por estos pocos genes es el hallazgo de que durante el desarrollo embrionario normal del pez cebra, los mismos o similares genes (SoxB1, Oct4, Nanog) son los responsables de encender los genes del cigoto. Anteriormente en el desarrollo de la blástula, todos los genes que se expresan (incluidos estos) son los mRNAs de la madre y las proteínas que la madre depositó en el óvulo no fertilizado. Tiene sentido que las mismas proteínas que pueden reprogramar una célula diferenciada en un estado pluripotente (iPSC) sean las que producen las células pluripotentes del embrión temprano.

Estos logros abren la posibilidad de

• la creación de células para el estudio de laboratorio de la base de enfermedades genéticas.
  Ejemplos: los investigadores han logrado derivar iPSC de
  • pacientes con esclerosis lateral amiotrófica (ELA, “enfermedad de Lou Gehrig”), y luego haciendo que se diferencien en neuronas motoras (las células afectadas en la enfermedad) para el estudio de sus propiedades;
  • las células de la piel de un paciente con una enfermedad cardíaca hereditaria (síndrome de QT largo) y haciendo que éstas se diferencien en células cardíacas latientes para su estudio en el laboratorio.
  • El laboratorio de Jaenisch informó en la edición del 6 de marzo de 2009 de Cell que han logrado fabricar iPSCs (los llaman hiSCs) a partir de fibroblastos tomados de pacientes con enfermedad de Parkinson. Luego, las células se diferenciaron en células liberadoras de dopamina, las células que carecen de esta enfermedad. Lo que es particularmente emocionante es que lograron esto después de usar el sistema Cre-lox para eliminar todos los genes (por ejemplo, SOX2, OCT4, KLF4) necesarios para reprogramar los fibroblastos a una condición similar a células madre embrionarias.
  • Desde ese reporte, otros laboratorios —utilizando otros métodos— también han creado iPSC de las que se ha eliminado todo el ADN extraño (vector y transgenes). No solo dichas células deben ser más seguras de usar en terapia, sino que estos resultados muestran que el estímulo para reprogramar una célula diferenciada en un estado pluripotente solo necesita ser transitorio.
• crear trasplantes celulares específicos del paciente —evitando la amenaza de rechazo inmunológico— que podrían ser utilizados para la terapia humana.

  La terapia con iPSC ya se ha demostrado en ratones. Tres ejemplos:

  1. El laboratorio Jaenisch en Cambridge, MA informó (en Science, 21 de diciembre de 2007) que habían tratado con éxito ratones knock-in que producen hemoglobina falciforme con los genes β ^S humanos (y muestran muchos de los signos de la enfermedad falciforme en humanos ) por
  • recolectar algunos fibroblastos completamente diferenciados de un ratón falciforme;
  • reprogramar estos para que se conviertan en iPSC infectándolos con Oct4, Sox2, Klif4 y c-Myc;
  • luego retirar (usando el sistema Cre-lox) el c-Myc para evitar el peligro de que este oncogén provoque posteriormente cáncer en los ratones receptores;
  • reemplazar los genes β ^S en las iPSC por genes β ^A humanos normales;
  • inducir, con un cóctel de citocinas, a estas iPSC para que se diferencien in vitro en precursores hematopoyéticos (células sanguíneas);
  • inyectándolos en ratones falciformes que habían sido irradiados para destruir su propia médula ósea (como se hace con los trasplantes de médula ósea humana). (Aunque los ratones receptores eran animales diferentes del donante de fibroblastos, eran de la misma cepa endogámica y, por lo tanto, genéticamente iguales, como gemelos humanos idénticos. Por lo que el procedimiento califica completamente como "específico del paciente “, es decir, sin peligro de que las células inyectadas sean rechazadas por el sistema inmune del receptor.)

  El resultado: todos los signos de enfermedad falciforme (por ejemplo, anemia) en los animales tratados mostraron una marcada mejoría.

  2. En la edición del 25 de julio de 2013 de Nature, un equipo de científicos japoneses reportan que pudieron fabricar cogollos tridimensionales de células hepáticas humanas. Su proceso:
  • crear iPSC humanas a partir de fibroblastos humanos usando las técnicas descritas anteriormente;
  • tratarlos con las sustancias necesarias para que se diferencien en precursores de células hepáticas;
  • cultivar estos con una mezcla de células endoteliales humanas y células madre mesenquimales (para imitar las condiciones que ocurren en el desarrollo embrionario normal del hígado);
  • implantar las masas sólidas resultantes (brotes) de células hepáticas en ratones inmunodeficientes.

  El resultado: los brotes implantados desarrollaron un suministro de sangre y los ratones comenzaron a secretar albúmina humana, alfa-1-antitripsina humana, y a desintoxicar los químicos inyectados tal como lo hacen los hígados humanos.

  3. Trabajadores del laboratorio Melton de la Universidad de Harvard informaron en la edición del 9 de octubre de 2014 de Cell que habían logrado diferenciar un gran número de células beta humanas de iPSC humanas (así como de células ES humanas). Cuando se trasplantaron a ratones diabéticos, estas células volvieron a bajar sus niveles elevados de azúcar en la sangre.

Esperemos que lo que funciona en ratones algún día pueda convertirse en una terapia segura que funcione en humanos. (En el caso de la diabetes mellitus tipo 1, sin embargo, incluso las células beta derivadas del paciente seguirán estando en riesgo del mismo rechazo autoinmune que causó la enfermedad en primer lugar).

A pesar de estos éxitos, las iPSC pueden no ser capaces de reemplazar completamente la necesidad de células madre embrionarias e incluso pueden ser peligrosas de usar en terapia humana. Varios grupos han encontrado que las iPSC humanas contienen mutaciones así como patrones epigenéticos (por ejemplo, metilación de su ADN) que no se encuentran en las células madre embrionarias. Algunas de las mutaciones también se encuentran comúnmente en las células cancerosas.

Otros enfoques que se están explorando

• Las células ES pueden derivarse de una sola célula extraída de una mórula de 8 células. El éxito del diagnóstico genético preimplantacional (DGP) en humanos muestra que extraer una sola célula de la mórula no la destruye; las células restantes pueden convertirse en blastocisto, implantarse y convertirse en un bebé sano. Además, primero se puede permitir que la célula individual eliminada para PGD se divida con una hija utilizada para PGD y la otra una fuente potencial de una línea celular ES.

Figura\(\PageIndex{1}\): Preimplantación mediante células ES

• En la transferencia nuclear alterada (ANT) —una versión modificada de SCNT (transferencia nuclear de células somáticas )— un gen necesario para su posterior implantación (Cdx2 — que codifica un factor de transcripción homeobox) se apaga (por interferencia de ARN) en el núcleo donante antes de que el núcleo se inserte en el huevo. El blastocisto que se desarrolla
  • tiene un trofoblasto defectuoso que no puede implantarse en un útero
  • pero las células de la masa celular interna aún son capaces de desarrollarse en cultivos de células ES. (El gen que codifica el ARN interferente se puede eliminar mediante la técnica Cre/ loxP).
• José Cibelli y su equipo de Tecnología Celular Avanzada informaron en la edición del 1 de febrero de 2002 de Science que habían tenido éxito enSi esta forma de clonación por partenogénesis funciona en humanos [¡Lo hace! — el éxito con óvulos humanos no fertilizados se reportó en junio de 2007.], habría
  • estimular a los ovocitos de mono para que comiencen a dividirse sin completar la meiosis II (por lo tanto,
  • cultivando estos hasta la etapa de blastocisto, de la cual pudieron cosechar
  • Celdas ES.
  • la ventaja de que no se podrían producir bebés si se implantara el blastocisto (dos genomas idénticos no pueden producir un mamífero viable, probablemente debido a una impresión incorrecta);
  • la desventaja de que solo ayudará a las hembras (¡porque solo ellas pueden proporcionar un ovocito!) (Pero los hombres pueden tener un procedimiento que les funcione a continuación).
• El 24 de marzo de 2006, Nature publicó un informe en línea según el cual un grupo de científicos alemanes habían podido derivar células madre pluripotentes de las células madre que producen espermatogonia en el ratón. Tanto in vitro como cuando se inyectan en blastocistos de ratón, estas células se diferenciaron de diversas maneras incluyendo representantes de las tres capas germinales. Si esto pudiera funcionar en humanos,
  • proporcionar una fuente de células madre cuyos descendientes serían “específicos del paciente”; es decir, podrían ser trasplantados de nuevo al donante (¡solo hombres!) sin temor al rechazo inmune.
  • evitar la controversia en torno a la necesidad de destruir blastocistos humanos para proporcionar células madre embrionarias.
• El número 7 de enero de 2007 de Nature Biotechnology informa sobre la producción exitosa de células madre derivadas del líquido amniótico (“AFS”). Estos están presentes en el líquido amniótico extraído durante la amniocentesis. Con las condiciones de cultivo adecuadas, se ha demostrado que son capaces de diferenciarse en una variedad de tipos celulares incluyendo por lo que estas células son pluripotentes. Aunque quizás no sean tan versátiles como las células madre embrionarias, son más versátiles que las células madre adultas.
  • ectodermo (tejido neural)
  • mesodermo (por ejemplo, hueso, músculo)
  • endodermo (p. ej., hígado)

Aplicado a los humanos, ninguno de los procedimientos anteriores implicaría la destrucción de una vida humana potencial.