Transferencia nuclear de células somáticas

La transferencia nuclear celular somática puede crear clones con fines tanto reproductivos como terapéuticos. El diagrama muestra la eliminación del núcleo donante para fines esquemáticos; en la práctica se transfiere toda la célula donante.

En genética y biología del desarrollo, la transferencia nuclear de células somáticas (SCNT) es una estrategia de laboratorio para crear un embrión viable a partir de una célula corporal y un óvulo. La técnica consiste en tomar un ovocito (óvulo) enucleado e implantarle un núcleo donante a partir de una célula somática (cuerpo). Se utiliza tanto en clonación terapéutica como reproductiva. En 1996, la oveja Dolly se hizo famosa por ser el primer caso exitoso de clonación reproductiva de un mamífero. En enero de 2018, un equipo de científicos de Shanghái anunció la clonación exitosa de dos macacos cangrejeros hembra (llamados Zhong Zhong y Hua Hua) a partir de núcleos fetales.

"Clonación terapéutica" se refiere al uso potencial de SCNT en medicina regenerativa; este enfoque se ha defendido como una respuesta a los muchos problemas relacionados con las células madre embrionarias (ESC) y la destrucción de embriones viables para uso médico, aunque quedan dudas sobre qué tan homólogos son realmente los dos tipos de células.

Introducción

La transferencia nuclear de células somáticas es una técnica de clonación en la que el núcleo de una célula somática se transfiere al citoplasma de un óvulo enucleado. Después de las transferencias de células somáticas, los factores citoplasmáticos afectan el núcleo para convertirse en un cigoto. El óvulo desarrolla la etapa de blastocisto para ayudar a crear células madre embrionarias a partir de la masa celular interna del blastocisto. El primer animal en desarrollar esta técnica fue Dolly, la oveja, en 1996.

Proceso

El proceso de transferencia nuclear de células somáticas involucra a dos células diferentes. El primero es un gameto femenino, conocido como óvulo (óvulo/ovocito). En los experimentos SCNT humanos, estos óvulos se obtienen a través de donantes consentidas, utilizando estimulación ovárica. El segundo es una célula somática, refiriéndose a las células del cuerpo humano. Las células de la piel, las células grasas y las células del hígado son solo algunos ejemplos. El material genético del óvulo donado se extrae y desecha, dejándolo 'desprogramado'. Lo que queda es una célula somática y un óvulo enucleado. Estos luego se fusionan insertando la célula somática en el 'vacío' óvulo. Después de insertarse en el óvulo, el núcleo de la célula somática es reprogramado por su óvulo huésped. El óvulo, que ahora contiene el núcleo de la célula somática, se estimula con una descarga y comenzará a dividirse. El óvulo ahora es viable y capaz de producir un organismo adulto que contenga toda la información genética necesaria de un solo padre. El desarrollo seguirá normalmente y después de muchas divisiones mitóticas, la célula individual forma un blastocisto (un embrión en etapa temprana con aproximadamente 100 células) con un genoma idéntico al del organismo original (es decir, un clon). Luego, las células madre pueden obtenerse mediante la destrucción de este embrión clonado para su uso en la clonación terapéutica o, en el caso de la clonación reproductiva, el embrión clonado se implanta en una madre anfitriona para un mayor desarrollo y se lleva a término.

Aplicaciones

Investigación con células madre

El trasplante nuclear de células somáticas se ha convertido en un foco de estudio en la investigación con células madre. El objetivo de llevar a cabo este procedimiento es obtener células pluripotentes a partir de un embrión clonado. Estas células coincidían genéticamente con el organismo donante del que procedían. Esto les da la capacidad de crear células pluripotentes específicas del paciente, que luego podrían usarse en terapias o investigación de enfermedades.

Las células madre embrionarias son células indiferenciadas de un embrión. Se considera que estas células tienen un potencial pluripotente porque tienen la capacidad de dar lugar a todos los tejidos que se encuentran en un organismo adulto. Esta capacidad permite que las células madre creen cualquier tipo de célula, que luego podría trasplantarse para reemplazar las células dañadas o destruidas. La controversia rodea el trabajo ESC humano debido a la destrucción de embriones humanos viables, lo que lleva a los científicos a buscar métodos alternativos para obtener células madre pluripotentes, SCNT es uno de esos métodos.

Un uso potencial de las células madre genéticamente compatibles con un paciente sería crear líneas celulares que tengan genes vinculados a la enfermedad particular de un paciente. Al hacerlo, se podría crear un modelo in vitro, que sería útil para estudiar esa enfermedad en particular, descubrir potencialmente su fisiopatología y descubrir terapias. Por ejemplo, si una persona con la enfermedad de Parkinson donara sus células somáticas, las células madre resultantes de la SCNT tendrían genes que contribuyen a la enfermedad de Parkinson. Las líneas de células madre específicas de la enfermedad podrían entonces estudiarse para comprender mejor la afección.

Otra aplicación de la investigación con células madre SCNT es el uso de líneas de células madre específicas del paciente para generar tejidos o incluso órganos para trasplante en el paciente específico. Las células resultantes serían genéticamente idénticas a las del donante de células somáticas, evitando así cualquier complicación por el rechazo del sistema inmunitario.

Solo un puñado de laboratorios en el mundo utilizan actualmente técnicas SCNT en la investigación con células madre humanas. En los Estados Unidos, los científicos del Instituto de Células Madre de Harvard, la Universidad de California en San Francisco, el Oregon Health & Science University, Stemagen (La Jolla, CA) y posiblemente Advanced Cell Technology están investigando actualmente una técnica para utilizar la transferencia nuclear de células somáticas para producir células madre embrionarias. En el Reino Unido, la Autoridad de Fertilización y Embriología Humana ha concedido permiso a grupos de investigación del Instituto Roslin y del Newcastle Center for Life. SCNT también puede estar ocurriendo en China.

En 2005, un equipo de investigación de Corea del Sur dirigido por el profesor Hwang Woo-suk, publicó afirmaciones de haber derivado líneas de células madre a través de SCNT, pero respaldaron esas afirmaciones con datos fabricados. La evidencia reciente ha demostrado que, de hecho, creó una línea de células madre a partir de un partenote.

Aunque ha habido numerosos éxitos con la clonación de animales, quedan dudas sobre los mecanismos de reprogramación en el óvulo. A pesar de muchos intentos, el éxito en la creación de células madre embrionarias de transferencia nuclear humana ha sido limitado. Existe un problema en la capacidad de la célula humana para formar un blastocisto; las células no logran progresar más allá de la etapa de desarrollo de ocho células. Se cree que esto se debe a que el núcleo de la célula somática no puede activar genes embrionarios cruciales para un desarrollo adecuado. Estos experimentos anteriores utilizaron procedimientos desarrollados en animales no primates con poco éxito.

Un grupo de investigación de Oregon Health & La Universidad de Ciencias demostró con éxito los procedimientos SCNT desarrollados para primates usando células de la piel. La clave de su éxito fue utilizar ovocitos en la metafase II (MII) del ciclo celular. Los óvulos en MII contienen factores especiales en el citoplasma que tienen una habilidad especial para reprogramar núcleos de células somáticas implantadas en células con estados pluripotentes. Cuando se extrae el núcleo del óvulo, la célula pierde su información genética. Se ha culpado a esto de por qué los huevos enucleados se ven obstaculizados en su capacidad de reprogramación. Se teoriza que los genes embrionarios críticos están físicamente vinculados a los cromosomas de los ovocitos, la enucleación afecta negativamente a estos factores. Otra posibilidad es que la extracción del núcleo del óvulo o la inserción del núcleo somático dañen el citoplasto y afecten la capacidad de reprogramación.

Teniendo esto en cuenta, el grupo de investigación aplicó su nueva técnica en un intento de producir células madre SCNT humanas. En mayo de 2013, el grupo de Oregón informó sobre la obtención exitosa de líneas de células madre embrionarias humanas obtenidas a través de SCNT, utilizando células de donantes fetales e infantiles. Utilizando ovocitos MII de voluntarias y su procedimiento SCNT mejorado, se produjeron con éxito embriones de clones humanos. Estos embriones eran de mala calidad, carecían de una masa celular interna sustancial y un trofoectodermo mal construido. Los embriones imperfectos impidieron la adquisición de ESC humana. La adición de cafeína durante la extracción del núcleo del óvulo y la fusión de la célula somática y el óvulo mejoró la formación de blastocistos y el aislamiento de ESC. Se encontró que la obtención de ESC era capaz de producir teratomas, expresaba factores de transcripción pluripotentes y expresaba un cariotipo 46XX normal, lo que indica que estos SCNT eran de hecho similares a ESC. Esta fue la primera instancia de uso exitoso de SCNT para reprogramar células somáticas humanas. Este estudio utilizó células somáticas fetales e infantiles para producir su ESC.

En abril de 2014, un equipo de investigación internacional amplió este avance. Quedaba la cuestión de si se podía lograr el mismo éxito utilizando células somáticas adultas. Se pensaba que los cambios epigenéticos y relacionados con la edad posiblemente obstaculizaban la capacidad de reprogramación de las células somáticas adultas. Al implementar el procedimiento iniciado por el grupo de investigación de Oregón, de hecho pudieron cultivar células madre generadas por SCNT utilizando células adultas de dos donantes de 35 y 75 años, lo que indica que la edad no impide la capacidad de reprogramación de una célula.

A fines de abril de 2014, la New York Stem Cell Foundation logró crear células madre SCNT derivadas de células somáticas adultas. Una de estas líneas de células madre se derivó de las células de un donante de un diabético tipo 1. Luego, el grupo pudo cultivar con éxito estas células madre e inducir la diferenciación. Cuando se inyectó en ratones, se formaron con éxito células de las tres capas germinales. Las más importantes de estas células eran las que expresaban insulina y eran capaces de secretar la hormona. Estas células productoras de insulina podrían usarse para la terapia de reemplazo en diabéticos, lo que demuestra el potencial terapéutico real de las células madre SCNT.

El ímpetu de la investigación con células madre basadas en SCNT ha disminuido debido al desarrollo y la mejora de métodos alternativos para generar células madre. Los métodos para reprogramar células corporales normales en células madre pluripotentes se desarrollaron en humanos en 2007. Al año siguiente, este método logró un objetivo clave de la investigación de células madre basadas en SCNT: la derivación de líneas de células madre pluripotentes que tienen todos los genes vinculados a diversas enfermedades.. Algunos científicos que trabajan en la investigación de células madre basadas en SCNT se han pasado recientemente a los nuevos métodos de células madre pluripotentes inducidas. Aunque estudios recientes han puesto en duda cuán similares son las células iPS a las células madre embrionarias. La memoria epigenética en iPS afecta el linaje celular en el que se puede diferenciar. Por ejemplo, una célula iPS derivada de un glóbulo que utiliza solo los factores yamanaka será más eficiente para diferenciarse en glóbulos, mientras que será menos eficiente para crear una neurona. Sin embargo, estudios recientes indican que los cambios en la memoria epigenética de las iPSC que utilizan moléculas pequeñas pueden restablecerlas a un estado de pluripotencia casi ingenuo. Los estudios incluso han demostrado que a través de la complementación tetraploide, se puede crear un organismo viable completo únicamente a partir de iPSC. Se ha descubierto que las células madre SCNT tienen desafíos similares. La causa de los bajos rendimientos en la clonación SCNT bovina se ha atribuido, en los últimos años, a la memoria epigenética previamente oculta de las células somáticas que se estaban introduciendo en el ovocito.

Clonación reproductiva

Generador de electrofusión BTX ECM 2001 utilizado para aplicaciones SCNT y Cloning

Esta técnica es actualmente la base para la clonación de animales (como la famosa oveja Dolly), y se ha propuesto como una posible forma de clonar humanos. El uso de SCNT en la clonación reproductiva ha resultado difícil con un éxito limitado. Las altas muertes fetales y neonatales hacen que el proceso sea muy ineficiente. La descendencia clonada resultante también está plagada de trastornos del desarrollo y de la impronta en especies no humanas. Por estas razones, junto con las objeciones morales y éticas, la clonación reproductiva en humanos está proscrita en más de 30 países. La mayoría de los investigadores cree que en un futuro previsible no será posible utilizar la técnica de clonación actual para producir un clon humano que se desarrolle a término. Sigue siendo una posibilidad, aunque se requerirán ajustes críticos para superar las limitaciones actuales durante el desarrollo embrionario temprano en SCNT humano.

También existe la posibilidad de tratar enfermedades asociadas con mutaciones en el ADN mitocondrial. Estudios recientes muestran que la SCNT del núcleo de una célula corporal afectada por una de estas enfermedades en un ovocito sano impide la herencia de la enfermedad mitocondrial. Este tratamiento no involucra la clonación pero produciría un niño con tres padres genéticos. Un padre aporta un espermatozoide, una madre aporta el núcleo del óvulo y otra madre aporta el óvulo enucleado.

En 2018, se informó sobre la primera clonación exitosa de primates mediante transferencia nuclear de células somáticas, el mismo método que la oveja Dolly, con el nacimiento de dos clones hembra vivos (macacos cangrejeros llamados Zhong Zhong y Hua Hua).

Transferencia nuclear entre especies

La transferencia nuclear entre especies (iSCNT) es un medio de transferencia nuclear de células somáticas que se utiliza para facilitar el rescate de especies en peligro de extinción, o incluso para restaurar especies después de su extinción. La técnica es similar a la clonación SCNT, que generalmente se realiza entre animales domésticos y roedores, o donde hay un suministro listo de ovocitos y animales sustitutos. Sin embargo, la clonación de especies extintas o en peligro de extinción requiere el uso de un método alternativo de clonación. La transferencia nuclear entre especies utiliza un huésped y un donante de dos organismos diferentes que son especies estrechamente relacionadas y dentro del mismo género. En 2000, Robert Lanza pudo producir un feto clonado de un gaur, Bos gaurus, combinándolo con éxito con una vaca doméstica, Bos taurus.

La transferencia nuclear entre especies proporciona evidencia de la universalidad del mecanismo desencadenante de la reprogramación del núcleo celular. Por ejemplo, Gupta et al. exploraron la posibilidad de producir embriones clonados transgénicos mediante la transferencia nuclear de células somáticas entre especies (iSCNT) de células de donantes de ganado, ratones y pollos en ovocitos de cerdo enucleados. Además, el medio NCSU23, que fue diseñado para el cultivo in vitro de embriones de cerdo, fue capaz de apoyar el desarrollo in vitro de embriones iSCNT de bovino, ratón y pollo hasta la etapa de blastocisto. Además, el citoplasto de ovocitos ovinos puede usarse para remodelar y reprogramar células somáticas humanas de vuelta a la etapa embrionaria.

En 2017, nació el primer camello bactriano clonado a través de iSCNT, utilizando ovocitos de dromedario y células de fibroblastos de piel de un camello bactriano adulto como núcleos donantes.

Limitaciones

La transferencia nuclear de células somáticas (SCNT, por sus siglas en inglés) puede ser ineficaz debido a las tensiones que se ejercen tanto sobre el óvulo como sobre el núcleo introducido. Esto puede resultar en un bajo porcentaje de células reprogramadas con éxito. Por ejemplo, en 1996 nació la oveja Dolly después de que se usaron 277 óvulos para SCNT, lo que creó 29 embriones viables, lo que le dio una mísera eficiencia del 0,3 %. Solo tres de estos embriones sobrevivieron hasta el nacimiento, y solo uno sobrevivió hasta la edad adulta. Millie, la descendencia que sobrevivió, tomó 95 intentos para producir. Debido a que el procedimiento no estaba automatizado y tenía que realizarse manualmente bajo un microscopio, SCNT requería muchos recursos. Otra razón por la que existe una tasa de mortalidad tan alta con la descendencia clonada se debe a que el feto es más grande que incluso otras crías grandes, lo que provoca la muerte poco después del nacimiento. La bioquímica involucrada en la reprogramación del núcleo de células somáticas diferenciadas y la activación del óvulo receptor también estaba lejos de comprenderse. Otra limitación es tratar de utilizar embriones de una sola célula durante la SCNT. Cuando se utilizan embriones clonados de una sola célula, el experimento tiene un 65% de posibilidades de fallar en el proceso de fabricación de mórula o blastocisto. La bioquímica también tiene que ser extremadamente precisa, ya que la mayoría de las muertes tardías de fetos clonados son el resultado de una placentación inadecuada. Sin embargo, en 2014, los investigadores informaron tasas de éxito del 70-80 % con la clonación de cerdos y en 2016 se informó que una empresa coreana, Sooam Biotech, producía 500 embriones clonados por día.

En SCNT, no se transfiere toda la información genética de la célula donante, ya que quedan atrás las mitocondrias de la célula donante que contienen su propio ADN mitocondrial. Las células híbridas resultantes conservan las estructuras mitocondriales que originalmente pertenecían al óvulo. Como consecuencia, los clones como Dolly que nacen de SCNT no son copias perfectas del donante del núcleo. Este hecho también puede obstaculizar los beneficios potenciales de los tejidos y órganos derivados de SCNT para la terapia, ya que puede haber una respuesta inmunológica al ADNmt no propio después del trasplante.

Controversia

Blaster humano, mostrando la masa celular interior (top, derecha)

Las técnicas de transferencia nuclear presentan un conjunto diferente de consideraciones éticas que las asociadas con el uso de otras células madre, como las células madre embrionarias, que son controvertidas por su requisito de destruir un embrión. Estas diferentes consideraciones han llevado a algunas personas y organizaciones que no se oponen a la investigación con células madre embrionarias humanas a preocuparse oa oponerse a la investigación SCNT.

Una preocupación es que la creación de blástula en la investigación de células madre humanas basada en SCNT conducirá a la clonación reproductiva de humanos. Ambos procesos usan el mismo primer paso: la creación de un embrión transferido nuclearmente, probablemente a través de SCNT. Aquellos que tienen esta preocupación a menudo abogan por una fuerte regulación de SCNT para impedir la implantación de cualquier producto derivado con la intención de reproducción humana, o su prohibición.

Una segunda preocupación importante es la fuente adecuada de los óvulos que se necesitan. SCNT requiere óvulos humanos, que solo se pueden obtener de mujeres. La fuente más común de estos óvulos en la actualidad son los óvulos que se producen y superan la necesidad clínica durante el tratamiento de FIV. Este es un procedimiento mínimamente invasivo, pero conlleva algunos riesgos para la salud, como el síndrome de hiperestimulación ovárica.

Una visión para el éxito de las terapias con células madre es crear líneas de células madre personalizadas para los pacientes. Cada línea de células madre personalizada consistiría en una colección de células madre idénticas, cada una de las cuales llevaría el propio ADN del paciente, lo que reduciría o eliminaría cualquier problema de rechazo cuando las células madre se trasplantaran para el tratamiento. Por ejemplo, para tratar a un hombre con la enfermedad de Parkinson, el núcleo celular de una de sus células se trasplantaría mediante SCNT a un óvulo de una donante de óvulos, creando un linaje único de células madre casi idénticas a las del paciente. 39;s propias células. (Habría diferencias. Por ejemplo, el ADN mitocondrial sería el mismo que el de la donante de óvulos. En comparación, sus propias células llevarían el ADN mitocondrial de su madre).

Potencialmente, millones de pacientes podrían beneficiarse de la terapia con células madre, y cada paciente necesitaría una gran cantidad de óvulos donados para crear con éxito una única línea de células madre terapéuticas personalizadas. Una cantidad tan grande de óvulos donados excedería la cantidad de óvulos que actualmente quedan y están disponibles de parejas que intentan tener hijos a través de la tecnología de reproducción asistida. Por lo tanto, sería necesario inducir a las mujeres jóvenes sanas a vender óvulos para usarlos en la creación de líneas de células madre personalizadas que luego podrían ser compradas por la industria médica y vendidas a los pacientes. Hasta el momento no está claro de dónde vendrían todos estos huevos.

Los expertos en células madre consideran poco probable que un número tan grande de donaciones de óvulos humanos ocurra en un país desarrollado debido a los efectos desconocidos a largo plazo para la salud pública del tratamiento de un gran número de mujeres jóvenes sanas con altas dosis de hormonas para inducir Hiperovulación (ovulación de varios óvulos a la vez). Aunque tales tratamientos se han realizado durante varias décadas, los efectos a largo plazo no se han estudiado ni se ha declarado seguro para su uso a gran escala en mujeres por lo demás sanas. Se sabe que los tratamientos a largo plazo con dosis mucho más bajas de hormonas aumentan la tasa de cáncer décadas más tarde. Se desconoce si los tratamientos hormonales para inducir la hiperovulación podrían tener efectos similares. También hay cuestiones éticas en torno al pago de huevos. En general, la comercialización de partes del cuerpo se considera poco ética y está prohibida en la mayoría de los países. Los óvulos humanos han sido una notable excepción a esta regla durante algún tiempo.

Para abordar el problema de crear un mercado de óvulos humanos, algunos investigadores de células madre están investigando la posibilidad de crear óvulos artificiales. Si tiene éxito, no se necesitarían donaciones de óvulos humanos para crear líneas de células madre personalizadas. Sin embargo, esta tecnología puede estar muy lejos.

Políticas con respecto a SCNT humana

La SCNT con células humanas es actualmente legal para fines de investigación en el Reino Unido, ya que se incorporó a la Ley de Fertilización y Embriología Humana de 1990. Se debe obtener el permiso de la Autoridad de Fertilización y Embriología Humana para realizar o intentar la SCNT.

En los Estados Unidos, la práctica sigue siendo legal, ya que no ha sido abordada por la ley federal. Sin embargo, en 2002, una moratoria sobre la financiación federal de los Estados Unidos para SCNT prohíbe la financiación de la práctica con fines de investigación. Por lo tanto, aunque legal, SCNT no puede ser financiado por el gobierno federal. Los académicos estadounidenses han argumentado recientemente que debido a que el producto de SCNT es un embrión clonado, en lugar de un embrión humano, estas políticas son moralmente incorrectas y deben revisarse.

En 2003, las Naciones Unidas adoptaron una propuesta presentada por Costa Rica, llamando a los estados miembros a "prohibir todas las formas de clonación humana en la medida en que sean incompatibles con la dignidad humana y la protección de la vida humana&. #34; Esta frase puede incluir SCNT, según la interpretación.

El Convenio sobre Derechos Humanos y Biomedicina del Consejo de Europa y su Protocolo Adicional al Convenio para la Protección de los Derechos Humanos y la Dignidad del Ser Humano con respecto a la Aplicación de Biología y Medicina, sobre la Prohibición de la Clonación de Seres Humanos parecen prohibir SCNT de seres humanos. De los 45 estados miembros del Consejo, la Convención ha sido firmada por 31 y ratificada por 18. El Protocolo Adicional ha sido firmado por 29 naciones miembros y ratificado por 14