Célula madre

En los organismos multicelulares, las células madre son células indiferenciadas o parcialmente diferenciadas que pueden diferenciarse en varios tipos de células y proliferar indefinidamente para producir más de la misma célula madre. Son el tipo más antiguo de célula en un linaje celular. Se encuentran tanto en organismos embrionarios como adultos, pero tienen propiedades ligeramente diferentes en cada uno. Por lo general, se distinguen de las células progenitoras, que no pueden dividirse indefinidamente, y de las células precursoras o blásticas, que generalmente se comprometen a diferenciarse en un tipo de célula.

En los mamíferos, aproximadamente de 50 a 150 células forman la masa celular interna durante la etapa de blastocisto del desarrollo embrionario, alrededor de los días 5 a 14. Estos tienen capacidad de células madre. In vivo, eventualmente se diferencian en todos los tipos de células del cuerpo (haciéndolas pluripotentes). Este proceso comienza con la diferenciación en las tres capas germinales, el ectodermo, el mesodermo y el endodermo, en la etapa de gastrulación. Sin embargo, cuando se aíslan y cultivan in vitro, se pueden mantener en la etapa de células madre y se conocen como células madre embrionarias (ESC).

Las células madre adultas se encuentran en algunos lugares seleccionados del cuerpo, conocidos como nichos, como los de la médula ósea o las gónadas. Existen para reponer los tipos de células que se pierden rápidamente y son multipotentes o unipotentes, lo que significa que solo se diferencian en unos pocos tipos de células o en un tipo de célula. En los mamíferos, incluyen, entre otras, las células madre hematopoyéticas, que reponen las células sanguíneas e inmunitarias, las células basales, que mantienen el epitelio de la piel, y las células madre mesenquimales, que mantienen las células óseas, cartilaginosas, musculares y grasas. Las células madre adultas son una pequeña minoría de células; son ampliamente superados en número por las células progenitoras y las células diferenciadas terminalmente en las que se diferencian.

La investigación sobre células madre surgió de los hallazgos de los biólogos canadienses Ernest McCulloch, James Till y Andrew J. Becker en la Universidad de Toronto y el Instituto del Cáncer de Ontario en la década de 1960. A partir de 2016, la única terapia médica establecida que utiliza células madre es el trasplante de células madre hematopoyéticas, realizado por primera vez en 1958 por el oncólogo francés Georges Mathé. Sin embargo, desde 1998, ha sido posible cultivar y diferenciar células madre embrionarias humanas (en líneas de células madre). El proceso de aislamiento de estas células ha sido controvertido, porque generalmente resulta en la destrucción del embrión. Las fuentes para aislar ESC se han restringido en algunos países europeos y Canadá, pero otros como el Reino Unido y China han promovido la investigación.La transferencia nuclear de células somáticas es un método de clonación que se puede utilizar para crear un embrión clonado para el uso de sus células madre embrionarias en la terapia con células madre. En 2006, un equipo japonés dirigido por Shinya Yamanaka descubrió un método para convertir células corporales maduras en células madre. Estas se denominaron células madre pluripotentes inducidas (iPSC).

Historia

El término célula madre fue acuñado por Theodor Boveri y Valentin Haecker a finales del siglo XIX. Artur Pappenheim, Alexander Maximow, Franz Ernst Christian Neumann y Franz Ernst Christian Neumann realizaron trabajos pioneros en la teoría de las células madre sanguíneas a principios del siglo XX.

Las propiedades clave de una célula madre fueron definidas por primera vez por Ernest McCulloch y James Till en la Universidad de Toronto y el Instituto del Cáncer de Ontario a principios de la década de 1960. Descubrieron la célula madre formadora de sangre, la célula madre hematopoyética (HSC), a través de su trabajo pionero en ratones. McCulloch y Till comenzaron una serie de experimentos en los que se inyectaron células de médula ósea en ratones irradiados. Observaron bultos en los bazos de los ratones que eran linealmente proporcionales al número de células de médula ósea inyectadas. Supusieron que cada bulto (colonia) era un clon que surgía de una sola célula de la médula (célula madre). En un trabajo posterior, McCulloch y Till, junto con el estudiante graduado Andrew John Becker y el científico senior Louis Siminovitch, confirmaron que cada bulto, de hecho, surgió de una sola célula. Sus resultados fueron publicados enNature en 1963. En ese mismo año, Siminovitch fue el investigador principal de los estudios que encontraron que las células formadoras de colonias eran capaces de autorrenovarse, que es una propiedad clave que define a las células madre que habían teorizado Till y McCulloch.

La primera terapia con células madre fue un trasplante de médula ósea realizado por el oncólogo francés Georges Mathé en 1958 a cinco trabajadores del Instituto Nuclear de Vinča en Yugoslavia que habían resultado afectados por un accidente de criticidad. Todos los trabajadores sobrevivieron.

En 1981, los biólogos británicos Martin Evans y Matthew Kaufman aislaron y cultivaron con éxito por primera vez células madre embrionarias (ES) utilizando blastocistos de ratón. Esto permitió la formación de modelos genéticos murinos, un sistema en el que los genes de los ratones se eliminan o alteran para estudiar su función en patología. En 1998, las células madre embrionarias fueron aisladas por primera vez por el biólogo estadounidense James Thomson, lo que hizo posible tener nuevos métodos de trasplante o varios tipos de células para probar nuevos tratamientos. En 2006, el equipo de Shinya Yamanaka en Kyoto, Japón, convirtió fibroblastos en células madre pluripotentes modificando la expresión de solo cuatro genes. La hazaña representa el origen de las células madre pluripotentes inducidas, conocidas como células iPS.

En 2011, una loba guarida, atropellada por un camión, se sometió a un tratamiento con células madre en el Zoológico de Brasilia, siendo este el primer caso registrado del uso de células madre para curar heridas en un animal salvaje.

Propiedades

La definición clásica de una célula madre requiere que posea dos propiedades:

• Autorrenovación: la capacidad de pasar por numerosos ciclos de crecimiento celular y división celular, conocida como proliferación celular, mientras se mantiene el estado indiferenciado.
• Potencia: la capacidad de diferenciarse en tipos de células especializadas. En el sentido más estricto, esto requiere que las células madre sean totipotentes o pluripotentes, para poder dar lugar a cualquier tipo de célula madura, aunque las células progenitoras multipotentes o unipotentes a veces se denominan células madre. Aparte de esto, se dice que la función de las células madre está regulada en un mecanismo de retroalimentación.

Autorrenovación

Dos mecanismos aseguran que se mantenga una población de células madre (que no se reduzca de tamaño):

1. División celular asimétrica: una célula madre se divide en una célula madre, que es idéntica a la célula madre original, y otra célula hija, que se diferencia.

Cuando una célula madre se autorrenueva, se divide y no interrumpe el estado indiferenciado. Esta autorrenovación exige el control del ciclo celular, así como el mantenimiento de la multipotencia o pluripotencia, todo lo cual depende de la célula madre.

2. Diferenciación estocástica: cuando una célula madre crece y se divide en dos células hijas diferenciadas, otra célula madre sufre mitosis y produce dos células madre idénticas a la original.

Las células madre utilizan la telomerasa, una proteína que restaura los telómeros, para proteger su ADN y ampliar su límite de división celular (el límite de Hayflick).

Significado de potencia

La potencia especifica el potencial de diferenciación (el potencial para diferenciarse en diferentes tipos de células) de la célula madre.

• Las células madre totipotentes (también conocidas como omnipotentes) pueden diferenciarse en tipos de células embrionarias y extraembrionarias. Tales células pueden construir un organismo completo y viable. Estas células se producen a partir de la fusión de un óvulo y un espermatozoide. Las células producidas por las primeras divisiones del óvulo fertilizado también son totipotentes.
• Las células madre pluripotentes son descendientes de las células totipotentes y pueden diferenciarse en casi todas las células, es decir, células derivadas de cualquiera de las tres capas germinales.
• Las células madre multipotentes pueden diferenciarse en varios tipos de células, pero solo en aquellas de una familia de células estrechamente relacionada.
• Las células madre oligopotentes pueden diferenciarse en solo unos pocos tipos de células, como las células madre linfoides o mieloides.
• Las células unipotentes pueden producir sólo un tipo celular propio, pero tienen la propiedad de autorrenovarse, lo que las distingue de las células no madre (por ejemplo, las células progenitoras, que no pueden autorrenovarse).

Identificación

En la práctica, las células madre se identifican por si pueden regenerar tejido. Por ejemplo, la prueba que define la médula ósea o las células madre hematopoyéticas (HSC) es la capacidad de trasplantar las células y salvar a un individuo sin HSC. Esto demuestra que las células pueden producir nuevas células sanguíneas a largo plazo. También debería ser posible aislar células madre del individuo trasplantado, que a su vez pueden trasplantarse a otro individuo sin HSC, demostrando que la célula madre pudo autorrenovarse.

Las propiedades de las células madre se pueden ilustrar in vitro, utilizando métodos como los ensayos clonogénicos, en los que se evalúa la capacidad de las células individuales para diferenciarse y autorrenovarse. Las células madre también se pueden aislar por su posesión de un conjunto distintivo de marcadores de superficie celular. Sin embargo, las condiciones de cultivo in vitro pueden alterar el comportamiento de las células, por lo que no está claro si las células se comportarán de manera similar in vivo. Existe un debate considerable sobre si algunas poblaciones de células adultas propuestas son realmente células madre.

Embrionario

Las células madre embrionarias (ESC) son las células de la masa celular interna de un blastocisto, formadas antes de la implantación en el útero. En el desarrollo embrionario humano, la etapa de blastocisto se alcanza 4 a 5 días después de la fertilización, momento en el que consta de 50 a 150 células. Las ESC son pluripotentes y dan lugar durante el desarrollo a todos los derivados de las tres capas germinales: ectodermo, endodermo y mesodermo. En otras palabras, pueden convertirse en cada uno de los más de 200 tipos de células del cuerpo adulto cuando reciben la estimulación suficiente y necesaria para un tipo de célula específico. No contribuyen a las membranas extraembrionarias ni a la placenta.

Durante el desarrollo embrionario, las células de la masa celular interna se dividen continuamente y se vuelven más especializadas. Por ejemplo, una porción del ectodermo en la parte dorsal del embrión se especializa como 'neurectodermo', que se convertirá en el futuro sistema nervioso central. Más adelante en el desarrollo, la neurulación hace que el neurectodermo forme el tubo neural. En la etapa del tubo neural, la porción anterior sufre encefalización para generar o "patronar" la forma básica del cerebro. En esta etapa de desarrollo, el tipo de célula principal del SNC se considera una célula madre neural.

Las células madre neurales se autorrenuevan y, en algún momento, se transforman en células progenitoras gliales radiales (RGP). Las RGP formadas tempranamente se autorrenuevan por división simétrica para formar un grupo reservorio de células progenitoras. Estas células pasan a un estado neurogénico y comienzan a dividirse asimétricamente para producir una gran diversidad de muchos tipos de neuronas diferentes, cada una con características morfológicas, funcionales y de expresión génica únicas. El proceso de generación de neuronas a partir de células gliales radiales se denomina neurogénesis. La célula glial radial tiene una morfología bipolar distintiva con procesos muy alargados que abarcan el grosor de la pared del tubo neural. Comparte algunas características gliales, sobre todo la expresión de la proteína ácida fibrilar glial (GFAP). La célula glial radial es la célula madre neural primaria del SNC de vertebrados en desarrollo, y su cuerpo celular reside en la zona ventricular, adyacente al sistema ventricular en desarrollo. Las células madre neurales están comprometidas con los linajes neuronales (neuronas, astrocitos y oligodendrocitos) y, por lo tanto, su potencia está restringida.

Casi toda la investigación hasta la fecha ha hecho uso de células madre embrionarias de ratón (mES) o células madre embrionarias humanas (hES) derivadas de la masa celular interna temprana. Ambos tienen las características esenciales de las células madre, pero requieren entornos muy diferentes para mantener un estado indiferenciado. Las células ES de ratón se cultivan en una capa de gelatina como matriz extracelular (como apoyo) y requieren la presencia del factor inhibidor de la leucemia (LIF) en los medios de suero. También se ha demostrado que un cóctel de fármacos que contiene inhibidores de GSK3B y de la vía MAPK/ERK, llamado 2i, mantiene la pluripotencia en el cultivo de células madre. Las ESC humanas se cultivan en una capa alimentadora de fibroblastos embrionarios de ratón y requieren la presencia del factor de crecimiento de fibroblastos básico (bFGF o FGF-2). Sin condiciones óptimas de cultivo ni manipulación genética,las células madre embrionarias se diferenciarán rápidamente.

Una célula madre embrionaria humana también se define por la expresión de varios factores de transcripción y proteínas de superficie celular. Los factores de transcripción Oct-4, Nanog y Sox2 forman la red reguladora central que asegura la supresión de los genes que conducen a la diferenciación y al mantenimiento de la pluripotencialidad. Los antígenos de superficie celular más utilizados para identificar células hES son los antígenos embrionarios 3 y 4 específicos de la etapa de glicolípidos, y los antígenos de queratán sulfato Tra-1-60 y Tra-1-81. La definición molecular de una célula madre incluye muchas más proteínas y continúa siendo un tema de investigación.

Mediante el uso de células madre embrionarias humanas para producir células especializadas como células nerviosas o células cardíacas en el laboratorio, los científicos pueden obtener acceso a células humanas adultas sin extraer tejido de los pacientes. Luego pueden estudiar estas células adultas especializadas en detalle para tratar de discernir las complicaciones de las enfermedades o para estudiar las reacciones celulares a los nuevos medicamentos propuestos.

Debido a sus capacidades combinadas de expansión ilimitada y pluripotencia, las células madre embrionarias siguen siendo teóricamente una fuente potencial para la medicina regenerativa y el reemplazo de tejidos después de una lesión o enfermedad. Sin embargo, actualmente no existen tratamientos aprobados que utilicen células ES. El primer ensayo en humanos fue aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. en enero de 2009. Sin embargo, el ensayo en humanos no se inició hasta el 13 de octubre de 2010 en Atlanta para la investigación de lesiones de la médula espinal. El 14 de noviembre de 2011, la empresa que realizó el ensayo (Geron Corporation) anunció que interrumpirá el desarrollo de sus programas de células madre. Diferenciar las células ES en células utilizables y evitar el rechazo del trasplante son solo algunos de los obstáculos que aún enfrentan los investigadores de células madre embrionarias.Las células madre embrionarias, al ser pluripotentes, requieren señales específicas para su correcta diferenciación; si se inyectan directamente en otro cuerpo, las células ES se diferenciarán en muchos tipos diferentes de células, provocando un teratoma. Las consideraciones éticas con respecto al uso de tejido humano no nacido son otra razón de la falta de tratamientos aprobados que utilicen células madre embrionarias. Muchas naciones actualmente tienen moratorias o limitaciones en la investigación de células ES humanas o en la producción de nuevas líneas de células ES humanas.

• Células madre embrionarias de ratón con marcador fluorescente
• Colonia de células madre embrionarias humanas en la capa alimentadora de fibroblastos embrionarios de ratón

Células madre mesenquimales

Se sabe que las células madre mesenquimales (MSC) son multipotentes, que se pueden encontrar en tejidos adultos, por ejemplo, en el músculo, el hígado y la médula ósea. Las células madre mesenquimales generalmente funcionan como soporte estructural en varios órganos como se mencionó anteriormente y controlan el movimiento de sustancias. MSC puede diferenciarse en numerosas categorías de células como una ilustración de adipocitos, osteocitos y condrocitos, derivados de la capa mesodérmica.Donde la capa de mesodermo proporciona un aumento a los elementos esqueléticos del cuerpo, como en relación con el cartílago o el hueso. El término “meso” significa medio, infusión originado del griego, lo que significa que las células mesenquimales pueden extenderse y viajar en el crecimiento embrionario temprano entre las capas ectodérmica y endodérmica. Este mecanismo ayuda al llenado de espacios, por lo tanto, clave para reparar heridas en organismos adultos que tienen que ver con células mesenquimales en la dermis (piel), hueso o músculo.

Se sabe que las células madre mesenquimales son esenciales para la medicina regenerativa. Se estudian ampliamente en ensayos clínicos. Dado que se aíslan fácilmente y obtienen un alto rendimiento, una gran plasticidad, lo que los hace capaces de facilitar la inflamación y fomentar el crecimiento celular, la diferenciación celular y la restauración del tejido derivado de la inmunomodulación y la inmunosupresión. Las MSC provienen de la médula ósea, lo que requiere un procedimiento agresivo a la hora de aislar la cantidad y calidad de la célula aislada, y varía según la edad del donante. Al comparar las tasas de MSC en los aspirados de médula ósea y el estroma de la médula ósea, los aspirados tienden a tener tasas más bajas de MSC que el estroma. Se sabe que las MSC son heterogéneas y expresan un alto nivel de marcadores pluripotentes en comparación con otros tipos de células madre, como las células madre embrionarias.

Control del ciclo celular

Las células madre embrionarias (ESC) tienen la capacidad de dividirse indefinidamente mientras mantienen su pluripotencialidad, lo que es posible gracias a mecanismos especializados de control del ciclo celular. En comparación con las células somáticas en proliferación, las ESC tienen características únicas del ciclo celular, como una división celular rápida causada por una fase G1 acortada, una fase G0 ausente y modificaciones en los puntos de control del ciclo celular, lo que deja a las células principalmente en la fase S en un momento dado. La rápida división de las ESC se demuestra por su corto tiempo de duplicación, que oscila entre 8 y 10 horas, mientras que las células somáticas tienen un tiempo de duplicación de aproximadamente 20 horas o más.A medida que las células se diferencian, estas propiedades cambian: las fases G1 y G2 se alargan, lo que lleva a ciclos de división celular más prolongados. Esto sugiere que una estructura específica del ciclo celular puede contribuir al establecimiento de la pluripotencialidad.

Particularmente porque la fase G1 es la fase en la que las células tienen una mayor sensibilidad a la diferenciación, la G1 acortada es una de las características clave de las ESC y juega un papel importante en el mantenimiento del fenotipo indiferenciado. Aunque el mecanismo molecular exacto aún se comprende solo parcialmente, varios estudios han mostrado información sobre cómo los ESC progresan a través de G1, y potencialmente a otras fases, tan rápidamente.

El ciclo celular está regulado por una red compleja de ciclinas, cinasas dependientes de ciclina (Cdk), inhibidores de cinasas dependientes de ciclina (Cdkn), proteínas de bolsillo de la familia del retinoblastoma (Rb) y otros factores accesorios. La comprensión fundamental de la regulación distintiva del ciclo celular ESC se obtuvo mediante estudios en ESC de ratón (mESC).mESCs mostró un ciclo celular con fase G1 muy abreviada, lo que permitió a las células alternar rápidamente entre la fase M y la fase S. En un ciclo celular somático, se observa la actividad oscilatoria de los complejos Cyclin-Cdk en acción secuencial, que controla reguladores cruciales del ciclo celular para inducir transiciones unidireccionales entre fases: Cyclin D y Cdk4/6 están activos en la fase G1, mientras que Cyclin E y Cdk2 están activos durante la última fase G1 y la fase S; y Cyclin A y Cdk2 están activos en la fase S y G2, mientras que Cyclin B y Cdk1 están activos en la fase G2 y M.Sin embargo, en mESCs, esta actividad típicamente ordenada y oscilatoria de los complejos Cyclin-Cdk está ausente. Más bien, el complejo Cyclin E/Cdk2 es constitutivamente activo a lo largo del ciclo, manteniendo la proteína del retinoblastoma (pRb) hiperfosforilada y, por lo tanto, inactiva. Esto permite la transición directa de la fase M a la fase G1 tardía, lo que conduce a la ausencia de ciclinas de tipo D y, por lo tanto, a una fase G1 más corta. La actividad de Cdk2 es crucial tanto para la regulación del ciclo celular como para las decisiones sobre el destino celular en las mESC; la regulación a la baja de la actividad de Cdk2 prolonga la progresión de la fase G1, establece un ciclo celular similar a una célula somática e induce la expresión de marcadores de diferenciación.

En ESC humanos (hESC), la duración de G1 se acorta drásticamente. Esto se ha atribuido a los altos niveles de ARNm de los genes de ciclina D2 y Cdk4 relacionados con G1 y a los bajos niveles de proteínas reguladoras del ciclo celular que inhiben la progresión del ciclo celular en G1, como p21, p27 y p57. Además, los reguladores de la actividad de Cdk4 y Cdk6, como los miembros de la familia Ink de inhibidores (p15, p16, p18 y p19), se expresan en niveles bajos o no se expresan en absoluto. Por lo tanto, de manera similar a las mESC, las hESC muestran una alta actividad de Cdk, y Cdk2 exhibe la actividad de quinasa más alta. También similares a mESCs, hESCs demuestran la importancia de Cdk2 en la regulación de fase G1 al mostrar que la transición de G1 a S se retrasa cuando se inhibe la actividad de Cdk2 y G1 se detiene cuando Cdk2 es derribado.Sin embargo, a diferencia de las mESC, las hESC tienen una fase G1 funcional. Las hESC muestran que las actividades de los complejos ciclina E/Cdk2 y ciclina A/Cdk2 dependen del ciclo celular y el punto de control Rb en ​​G1 es funcional.

Los ESC también se caracterizan por la falta de funcionalidad del punto de control G1, aunque el punto de control G1 es crucial para mantener la estabilidad genómica. En respuesta al daño en el ADN, las ESC no se detienen en G1 para reparar los daños en el ADN, sino que dependen de los puntos de control S y G2/M o sufren apoptosis. La ausencia del punto de control G1 en los ESC permite la eliminación de células con ADN dañado y, por lo tanto, evita posibles mutaciones debido a una reparación incorrecta del ADN. De acuerdo con esta idea, los ESC son hipersensibles al daño del ADN para minimizar las mutaciones que se transmiten a la próxima generación.

Fetal

Las células madre primitivas que se encuentran en los órganos de los fetos se denominan células madre fetales.

Hay dos tipos de células madre fetales:

1. Las células madre fetales propiamente dichas provienen del tejido del feto propiamente dicho y generalmente se obtienen después de un aborto. Estas células madre no son inmortales pero tienen un alto nivel de división y son multipotentes.
2. Las células madre fetales extraembrionarias provienen de membranas extraembrionarias y generalmente no se distinguen de las células madre adultas. Estas células madre se adquieren después del nacimiento, no son inmortales pero tienen un alto nivel de división celular y son pluripotentes.

Adulto

Las células madre adultas, también llamadas células madre somáticas (del griego σωματικóς, "del cuerpo"), son células madre que mantienen y reparan el tejido en el que se encuentran. Se pueden encontrar en niños, así como en adultos.

Hay tres fuentes accesibles conocidas de células madre adultas autólogas en humanos:

1. Médula ósea, que requiere extracción por recolección, generalmente de huesos pélvicos mediante cirugía.
2. Tejido adiposo (células grasas), que requiere extracción mediante liposucción.
3. Sangre, que requiere extracción mediante aféresis, en la que se extrae sangre del donante (similar a una donación de sangre) y se pasa a través de una máquina que extrae las células madre y devuelve otras porciones de la sangre al donante.

Las células madre también pueden extraerse de la sangre del cordón umbilical justo después del nacimiento. De todos los tipos de células madre, la recolección autóloga implica el menor riesgo. Por definición, las células autólogas se obtienen del propio cuerpo, del mismo modo que uno puede depositar su propia sangre para procedimientos quirúrgicos electivos.

Las células madre adultas pluripotentes son raras y generalmente pequeñas en número, pero se pueden encontrar en la sangre del cordón umbilical y otros tejidos. La médula ósea es una rica fuente de células madre adultas, que se han utilizado en el tratamiento de varias afecciones, como la cirrosis hepática, la isquemia crónica de las extremidades y la insuficiencia cardíaca terminal. La cantidad de células madre de la médula ósea disminuye con la edad y es mayor en los hombres que en las mujeres durante los años reproductivos. Gran parte de la investigación con células madre adultas hasta la fecha ha tenido como objetivo caracterizar su potencia y capacidades de autorrenovación. El daño al ADN se acumula con la edad tanto en las células madre como en las células que componen el entorno de las células madre. Se considera que esta acumulación es responsable, al menos en parte, del aumento de la disfunción de las células madre con el envejecimiento (consulte la teoría del envejecimiento del daño del ADN).

La mayoría de las células madre adultas son de linaje restringido (multipotentes) y generalmente se denominan por su origen tisular (células madre mesenquimales, células madre derivadas de tejido adiposo, células madre endoteliales, células madre de la pulpa dental, etc.). Las células de musa (células resistentes al estrés de diferenciación de múltiples linajes) son un tipo de células madre pluripotentes descubiertas recientemente que se encuentran en múltiples tejidos adultos, incluidos el tejido adiposo, los fibroblastos dérmicos y la médula ósea. Si bien es raro, las células de musa son identificables por su expresión de SSEA-3, un marcador para células madre indiferenciadas, y marcadores generales de células madre mesenquimales como CD105. Cuando se someten a un cultivo de suspensión de células individuales, las células generarán grupos que son similares a los cuerpos embrioides en morfología y expresión génica, incluidos los marcadores canónicos de pluripotencia Oct4, Sox2 y Nanog.

Los tratamientos con células madre adultas se han utilizado con éxito durante muchos años para tratar la leucemia y los cánceres de huesos/sangre relacionados a través de trasplantes de médula ósea. Las células madre adultas también se utilizan en medicina veterinaria para tratar lesiones de tendones y ligamentos en caballos.

El uso de células madre adultas en investigación y terapia no es tan controvertido como el uso de células madre embrionarias, porque la producción de células madre adultas no requiere la destrucción de un embrión. Además, en los casos en que las células madre adultas se obtienen del receptor previsto (un autoinjerto), el riesgo de rechazo es esencialmente inexistente. En consecuencia, se están proporcionando más fondos del gobierno de EE. UU. para la investigación con células madre adultas.

Con la creciente demanda de células madre humanas adultas para fines clínicos y de investigación (normalmente se requieren de 1 a 5 millones de células por kg de peso corporal por tratamiento), se vuelve de suma importancia cerrar la brecha entre la necesidad de expandir las células in vitro y la capacidad de aprovechar los factores subyacentes a la senescencia replicativa. Se sabe que las células madre adultas tienen una vida útil limitada in vitro y que entran en senescencia replicativa de manera casi indetectable al comenzar el cultivo in vitro.

Amniótico

También llamadas células madre perinatales, estas células madre multipotentes se encuentran en el líquido amniótico y en la sangre del cordón umbilical. Estas células madre son muy activas, se expanden extensamente sin alimentadores y no son tumorigénicas. Las células madre amnióticas son multipotentes y pueden diferenciarse en células de líneas adipogénicas, osteogénicas, miogénicas, endoteliales, hepáticas y también neuronales. Las células madre amnióticas son un tema de investigación activa.

El uso de células madre del líquido amniótico supera las objeciones éticas al uso de embriones humanos como fuente de células. La enseñanza católica romana prohíbe el uso de células madre embrionarias en la experimentación; en consecuencia, el periódico vaticano "Osservatore Romano" llamó a las células madre amnióticas "el futuro de la medicina".

Es posible recolectar células madre amnióticas para donantes o para uso autólogo: el primer banco de células madre amnióticas de EE. UU. fue abierto en 2009 en Medford, MA, por Biocell Center Corporation y colabora con varios hospitales y universidades de todo el mundo.

Pluripotente inducido

Las células madre adultas tienen limitaciones con su potencia; a diferencia de las células madre embrionarias (ESC), no pueden diferenciarse en células de las tres capas germinales. Como tales, se consideran multipotentes.

Sin embargo, la reprogramación permite la creación de células pluripotentes, células madre pluripotentes inducidas (iPSC), a partir de células adultas. No se trata de células madre adultas, sino de células somáticas (p. ej., células epiteliales) reprogramadas para dar lugar a células con capacidades pluripotentes. Utilizando la reprogramación genética con factores de transcripción de proteínas, se han derivado células madre pluripotentes con capacidades similares a las ESC. Shinya Yamanaka y sus colegas de la Universidad de Kyoto realizaron la primera demostración de células madre pluripotentes inducidas. Utilizaron los factores de transcripción Oct3/4, Sox2, c-Myc y Klf4 para reprogramar células de fibroblastos de ratón en células pluripotentes. El trabajo posterior utilizó estos factores para inducir pluripotencia en células de fibroblastos humanos.Junying Yu, James Thomson y sus colegas de la Universidad de Wisconsin-Madison utilizaron un conjunto diferente de factores, Oct4, Sox2, Nanog y Lin28, y llevaron a cabo sus experimentos con células de prepucio humano. Sin embargo, pudieron replicar el hallazgo de Yamanaka de que era posible inducir pluripotencia en células humanas.

Las células madre pluripotentes inducidas difieren de las células madre embrionarias. Comparten muchas propiedades similares, como la pluripotencialidad y el potencial de diferenciación, la expresión de genes de pluripotencialidad, patrones epigenéticos, formación de cuerpos embrioides y teratomas, y formación de quimeras viables, pero hay muchas diferencias dentro de estas propiedades. La cromatina de las iPSC parece estar más "cerrada" o metilada que la de las ESC. De manera similar, el patrón de expresión génica entre ESC e iPSC, o incluso iPSC, proviene de diferentes orígenes. Por lo tanto, existen dudas sobre la "integridad" de la reprogramación y la memoria somática de las células madre pluripotentes inducidas. A pesar de esto, parece viable inducir a las células somáticas a ser pluripotentes.

Como resultado del éxito de estos experimentos, Ian Wilmut, quien ayudó a crear el primer animal clonado, la oveja Dolly, ha anunciado que abandonará la transferencia nuclear de células somáticas como vía de investigación.

IPSC ha ayudado significativamente al campo de la medicina al encontrar numerosas formas de curar enfermedades. Dado que el IPSCc humano ha dado la ventaja de hacer modelos in vitro para estudiar toxinas y patogénesis.

Además, las células madre pluripotentes inducidas proporcionan varias ventajas terapéuticas. Al igual que los ESC, son pluripotentes. Por lo tanto, tienen un gran potencial de diferenciación; teóricamente, podrían producir cualquier célula dentro del cuerpo humano (si la reprogramación a la pluripotencia estaba "completa"). Además, a diferencia de los ESC, potencialmente podrían permitir a los médicos crear una línea de células madre pluripotentes para cada paciente individual. Las muestras de sangre congelada se pueden utilizar como una fuente valiosa de células madre pluripotentes inducidas. Las células madre específicas del paciente permiten la detección de efectos secundarios antes del tratamiento farmacológico, así como la reducción del riesgo de rechazo del trasplante. A pesar de su uso terapéutico actual limitado, las iPSC tienen un gran potencial para su uso futuro en el tratamiento médico y la investigación.

Control del ciclo celular

Los factores clave que controlan el ciclo celular también regulan la pluripotencia. Por lo tanto, la manipulación de genes relevantes puede mantener la pluripotencia y reprogramar las células somáticas a un estado pluripotente inducido. Sin embargo, la reprogramación de células somáticas suele ser de baja eficiencia y se considera estocástica.

Con la idea de que un ciclo celular más rápido es un componente clave de la pluripotencia, se puede mejorar la eficiencia de la reprogramación. Los métodos para mejorar la pluripotencia mediante la manipulación de los reguladores del ciclo celular incluyen: sobreexpresión de Cyclin D/Cdk4, fosforilación de Sox2 en S39 y S253, sobreexpresión de Cyclin A y Cyclin E, eliminación de Rb y eliminación de miembros de la familia Cip/Kip o la familia de la tinta. Además, la eficiencia de la reprogramación se correlaciona con el número de divisiones celulares ocurridas durante la fase estocástica, lo que sugiere la creciente ineficiencia de la reprogramación de células más antiguas o de inmersión lenta.

Linaje

El linaje es un procedimiento importante para analizar embriones en desarrollo. Dado que los linajes celulares muestran la relación entre las células en cada división. Esto ayuda a analizar los linajes de células madre en el camino, lo que ayuda a reconocer la eficacia de las células madre, la vida útil y otros factores. Con la técnica de linaje celular se pueden analizar genes mutantes en clones de células madre que pueden ayudar en rutas genéticas. Estas vías pueden regular el desempeño de las células madre.

Para garantizar la autorrenovación, las células madre se someten a dos tipos de división celular (consulte el diagrama de división y diferenciación de células madre). La división simétrica da lugar a dos células hijas idénticas, ambas dotadas de propiedades de células madre. La división asimétrica, por otro lado, produce solo una célula madre y una célula progenitora con un potencial de autorrenovación limitado. Los progenitores pueden pasar por varias rondas de división celular antes de diferenciarse terminalmente en una célula madura. Es posible que la distinción molecular entre divisiones simétricas y asimétricas resida en la segregación diferencial de las proteínas de la membrana celular (como los receptores) entre las células hijas.

Una teoría alternativa es que las células madre permanecen indiferenciadas debido a señales ambientales en su nicho particular. Las células madre se diferencian cuando dejan ese nicho o ya no reciben esas señales. Los estudios en Drosophila germarium han identificado las señales decapentapléjicas y las uniones adherentes que evitan que las células madre de germarium se diferencien.

Terapias

La terapia con células madre es el uso de células madre para tratar o prevenir una enfermedad o afección. El trasplante de médula ósea es una forma de terapia con células madre que se ha utilizado durante muchos años porque ha demostrado ser eficaz en ensayos clínicos.

La implantación de células madre puede ayudar a fortalecer el ventrículo izquierdo del corazón, así como a retener el tejido cardíaco en pacientes que han sufrido ataques cardíacos en el pasado.

Ventajas

Los tratamientos con células madre pueden reducir los síntomas de la enfermedad o afección que se está tratando. La disminución de los síntomas puede permitir a los pacientes reducir la ingesta de fármacos de la enfermedad o afección. El tratamiento con células madre también puede proporcionar conocimiento a la sociedad para mejorar la comprensión de las células madre y los tratamientos futuros. El credo de los médicos sería no hacer daño, y las células madre lo hacen más simple que nunca. Los procesos quirúrgicos por su carácter son nocivos. El tejido debe dejarse caer como una forma de alcanzar un resultado exitoso. Uno puede prevenir los peligros de las intervenciones quirúrgicas utilizando células madre. Además, existe la posibilidad de enfermedad y, si el procedimiento falla, es posible que se requiera una cirugía adicional. Los riesgos asociados con la anestesia también se pueden eliminar con células madre.Además de eso, las células madre se recolectaron del cuerpo del paciente y se redistribuyeron donde se necesitaban. Dado que provienen del propio cuerpo del paciente, esto se denomina tratamiento autólogo. Se cree que los remedios autólogos son los más seguros porque es probable que no haya probabilidad de rechazo de la sustancia donante.

Desventajas

Los tratamientos con células madre pueden requerir inmunosupresión debido a la necesidad de radiación antes del trasplante para eliminar las células anteriores de la persona, o porque el sistema inmunitario del paciente puede atacar las células madre. Un enfoque para evitar la segunda posibilidad es utilizar células madre del mismo paciente que está siendo tratado.

La pluripotencialidad en ciertas células madre también podría dificultar la obtención de un tipo de célula específico. También es difícil obtener el tipo de célula exacto necesario, porque no todas las células de una población se diferencian uniformemente. Las células indiferenciadas pueden crear tejidos distintos de los tipos deseados.

Algunas células madre forman tumores después del trasplante; la pluripotencia está relacionada con la formación de tumores, especialmente en células madre embrionarias, células madre propias del feto, células madre pluripotentes inducidas. Las células madre fetales propias forman tumores a pesar de la multipotencia.

También se plantean preocupaciones éticas sobre la práctica de usar o investigar células madre embrionarias. La recolección de células del blastocisto da como resultado la muerte del blastocisto. La preocupación es si el blastocisto debe o no ser considerado como una vida humana. El debate sobre este tema es principalmente filosófico, no científico.

Turismo de células madre

El turismo de células madre es la industria en la que los pacientes (ya veces sus familias) viajan a otra jurisdicción para obtener procedimientos con células madre que no están aprobados pero que se anuncian en Internet como curas comprobadas.

Estados Unidos, en los últimos años, ha tenido una explosión de "clínicas de células madre". Los procedimientos con células madre son muy rentables para las clínicas. La publicidad suena autorizada pero la eficacia y seguridad de los procedimientos no está probada. Los pacientes a veces experimentan complicaciones, como tumores en la columna vertebral y la muerte. El alto gasto también puede conducir a la ruina financiera. Según los investigadores, existe la necesidad de educar al público, los pacientes y los médicos sobre este tema.

Según la Sociedad Internacional para la Investigación de Células Madre, la organización académica más grande que aboga por la investigación con células madre, las terapias con células madre están en desarrollo y aún no se puede decir que estén probadas. Los médicos deben informar a los pacientes que los ensayos clínicos continúan investigando si estas terapias son seguras y efectivas, pero que las clínicas poco éticas las presentan como probadas.

Investigar

Algunas de las patentes fundamentales que cubren las células madre embrionarias humanas son propiedad de la Fundación de Investigación de Antiguos Alumnos de Wisconsin (WARF): son las patentes 5.843.780, 6.200.806 y 7.029.913 inventadas por James A. Thomson. WARF no hace valer estas patentes contra científicos académicos, pero sí las hace valer contra empresas.

En 2006, la Public Patent Foundation presentó una solicitud para que la Oficina de Patentes y Marcas Registradas de EE. UU. (USPTO) reexaminara las tres patentes en nombre de su cliente, el grupo de vigilancia de patentes sin fines de lucro Consumer Watchdog (anteriormente Foundation for Derechos del Contribuyente y del Consumidor). En el proceso de revisión, que involucra varias rondas de discusión entre la USPTO y las partes, la USPTO inicialmente estuvo de acuerdo con Consumer Watchdog y rechazó todos los reclamos en las tres patentes, sin embargo, en respuesta, WARF modificó los reclamos de las tres patentes para hacerlos más estrechos, y en 2008 la USPTO encontró que las reivindicaciones enmendadas en las tres patentes eran patentables. La decisión sobre una de las patentes (7.029.913) era apelable, mientras que las decisiones sobre las otras dos no lo eran.Consumer Watchdog apeló la concesión de la patente '913 ante la Junta de Apelaciones e Interferencias de Patentes (BPAI) de la USPTO, que concedió la apelación, y en 2010 la BPAI decidió que las reivindicaciones modificadas de la patente '913 no eran patentables. Sin embargo, WARF pudo reabrir el enjuiciamiento del caso y así lo hizo, modificando nuevamente las reivindicaciones de la patente '913 para hacerlas más estrechas, y en enero de 2013 se permitieron las reivindicaciones modificadas.

En julio de 2013, Consumer Watchdog anunció que apelaría la decisión de permitir los reclamos de la patente '913 ante la Corte de Apelaciones del Circuito Federal (CAFC) de EE. UU., la corte federal de apelaciones que escucha los casos de patentes. En una audiencia en diciembre de 2013, CAFC planteó la cuestión de si Consumer Watchdog tenía capacidad legal para apelar; el caso no podía proceder hasta que se resolviera ese problema.

Investigaciones

Las enfermedades y condiciones en las que se está investigando el tratamiento con células madre incluyen:

• Diabetes
• Alopecia androgénica y caída del cabello
• Artritis Reumatoide
• enfermedad de Parkinson
• enfermedad de alzheimer
• Osteoartritis
• Reparación de accidentes cerebrovasculares y lesiones cerebrales traumáticas
• Dificultad de aprendizaje debido a un trastorno congénito
• Reparación de lesiones de la médula espinal
• infarto de corazon
• Tratamientos contra el cáncer
• Reversión de la calvicie
• Reemplazar los dientes perdidos
• Reparación de audición
• Restaurar la visión y reparar el daño a la córnea
• La esclerosis lateral amiotrófica
• enfermedad de Crohn
• Cicatrización de la herida
• Infertilidad masculina por ausencia de células madre espermatogoniales. En estudios recientes, los científicos han encontrado una forma de resolver este problema reprogramando una célula y convirtiéndola en un espermatozoide. Otros estudios han demostrado la restauración de la espermatogénesis mediante la introducción de células iPSC humanas en testículos de ratones. Esto podría significar el fin de la azoospermia.
• Infertilidad femenina: ovocitos elaborados a partir de células madre embrionarias. Los científicos han encontrado las células madre ováricas, un tipo raro de células (0,014%) que se encuentran en el ovario. Podrían usarse como tratamiento no solo para la infertilidad, sino también para la insuficiencia ovárica prematura.

Se están realizando investigaciones para desarrollar diversas fuentes de células madre y aplicar tratamientos con células madre para enfermedades y afecciones neurodegenerativas, diabetes, enfermedades cardíacas y otras afecciones. También se están realizando investigaciones para generar organoides utilizando células madre, lo que permitiría una mayor comprensión del desarrollo humano, la organogénesis y el modelado de enfermedades humanas.

En años más recientes, con la capacidad de los científicos para aislar y cultivar células madre embrionarias, y con la capacidad cada vez mayor de los científicos para crear células madre mediante transferencia nuclear de células somáticas y técnicas para crear células madre pluripotentes inducidas, ha surgido controversia, ambas relacionadas con la política del aborto y la clonación humana.

La hepatotoxicidad y el daño hepático inducido por fármacos representan una cantidad sustancial de fracasos de nuevos fármacos en desarrollo y retirada del mercado, lo que destaca la necesidad de ensayos de detección, como células similares a hepatocitos derivadas de células madre, que son capaces de detectar la toxicidad de forma temprana en el fármaco. proceso de desarrollo.

Estudios notables

En agosto de 2021, los investigadores del Princess Margaret Cancer Center de la University Health Network publicaron su descubrimiento de un mecanismo de latencia en células madre clave que podría ayudar a desarrollar tratamientos contra el cáncer en el futuro.