¿Para qué sirven las células madre?

Las células madre son aquellas que tienen la capacidad de dividirse a través de la mitosis, de forma asimétrica, dando como resultado células que pueden diferenciarse a una célula específica en alguna etapa del desarrollo y células hijas con sus mismas características (auto-renovación).

Este concepto es objeto de debate pues algunas de las células consideradas como madre no poseen capacidad de renovación durante toda la vida y además la capacidad de diferenciación a otras células específicas también es diferente.

Es muy común que las células madre se clasifiquen de acuerdo a la capacidad de diferenciación que tengan, también llamada potencia. Aquellas células madre que pueden diferenciarse en cualquier tipo de tejido son conocidas como totipotentes y pluripotentes, las primeras entre las que está el cigoto y las células que forman la mórula, se dividen en células extraembrionarias y células embrionarias, que tienen la capacidad de formar un organismo completo. Las pluripotentes por su parte provienen de las totipotentes y pueden diferenciarse en cualquier tipo de célula, pero no pueden llegar a formar un organismo en su totalidad. En este grupo se encuentran las células madre embrionarias, que son las que forman parte del blastocito.

Tipos de células que se incluyen en el concepto de células madre

Existen otros tipos de células que normalmente se incluyen en el concepto de células madre, estas son las multipotentes y las unipotentes:

Las células multipotentes

Son las que pueden diferenciarse en células de cualquiera de los tejidos pertenecientes a su linaje embrionario.

Células unipotentes

Como unipotentes se les conoce a las células que se pueden diferenciar en un único tipo de tejido.

En otros casos las células madre se agrupan de acuerdo a la etapa del desarrollo de un organismo en la que se pueden encontrar. De aquí que las células madre embrionarias son las que se pueden aislar de un embrión en sus primeros estados de formación, que es llamado blastocito; las fetales, como su nombre lo indica, serán las que pueden aislarse de fetos y las adultas son las que podemos encontrar en los organismos ya adultos.

Dentro de estos grupos también podemos encontrar otras clasificaciones como son las células madre embrionarias germinales y de carcinomas, por ejemplo. Cada uno de los grupos en que se clasifican las células madre depende de la funcionalidad de las mismas y de la capacidad de proliferación que tienen.

Células madre con pluripotencialidad inducida

En aras de intentar dilucidar los diferentes aspectos de la potencialidad celular y los mecanismos de plasticidad se han desarrollado técnicas de reprogramación, mediante las cuales células unipotentes adquieren pluripotencialidad. A partir de células somáticas diferenciadas pertenecientes a diferentes linajes se pueden obtener células pluripotentes, las células obtenidas por estas técnicas de reprogramación se les denomina células madre con pluripotencialidad inducida (iPSC).

Los estudios llevados a cabo con este tipo de células tienen gran importancia en el tratamiento y diagnóstico de diversas enfermedades. Gracias a estos se está avanzando en las diferentes terapias celulares y génicas. Estas células tienen características muy similares a las pluripotentes que pueden ser obtenidas del blastocito, pero se diferencian en que mantienen rasgos epigenéticos de las células originales.

La desventaja principal del uso de las iPSC es su tendencia a la formación de tumores, ya que las mutaciones acumuladas en las células de origen se mantienen una vez que han alcanzado la pluripotencialidad, pero es indudable que abren una perspectiva muy amplia, resolviendo a la vez un problema ético. Muchos investigadores debatían el hecho de usar células embrionarias porque existe la posibilidad de clonación, sin embargo estas células tienen la pluripotencialidad de las embrionarias pero pueden ser extraídas de cualquier tejido adulto, evitando el uso de embriones, sobre todo los humanos que son los que más controversia generan.

El otro problema que existía con las células madre con pluripotencia inducida era que para su obtención se usaban agentes víricos, por lo que no era viable su uso clínico. Pero este inconveniente se resolvió con el uso de proteínas recombinantes u otros métodos que no impliquen el uso de genes víricos que pueden contaminar el cultivo final.

En el campo de la investigación de las enfermedades neurológicas, las células iPSC han abierto la posibilidad de usar técnicas de reprogramación para tratar estas enfermedades. Actualmente se puede observar el comportamiento de células vivas de pacientes que sufren enfermedades neurodegenerativas y a pesar de la gran variabilidad que existe, se podrían desarrollar terapias específicas para cada fenotipo.

Recientemente se ha comprobado que las células madre con pluripotencialidad inducida obtenidas de células neuronales tienen la misma variación en el número de copias que las que se encuentran diferenciadas en el organismo. Sin embargo la variabilidad genética de estas células es menor que las que le dieron origen, de lo cual se puede deducir que la variación en las neuronas ocurre en etapas más avanzadas de diferenciación, con lo que ello implica para el desarrollo de enfermedades neurológicas.

El descubrimiento de las células madre con pluripotencialidad inducida, a pesar de ser reciente, ha dado un vuelco en las investigaciones relacionadas con las células madre. Cada día en el mercado aparecen más productos para satisfacer la demanda que genera este tipo de investigaciones, un ejemplo de ello son las enzimas histona deacetilasas. Las histona deacetilasas (HDAC) juegan un rol muy importante en la formación de la estructura de la cromatina, que son las proteínas que rodean el ADN genómino. La transcripción del ADN genómico está regulada por diferentes transcriptores, entre ellos se encuentran las histonas acetiltransferasas que promueven la transferencia de un grupo acetilo de la acetil coenzima A, a los grupos aminos de la lisina ubicada en posición epsilon. Las HDAC revierten la acción de las histonas acetiltransferasas, inhibiendo la transcripción del ADN. La inhibición de la transcripción del ADN genómico permite mantener las células madre embrionarias o con pluripotencialidad inducida en un estado no diferenciado.

Para evitar la proliferación de células madre en cultivos usados en las investigaciones Wako comercializa diferentes productos que actúan como inhibidores de histona deacetilasa y en algunos casos como activadores de SIRT1. Algunos de estos productos y sus funciones se presentan a continuación:

Durante años los científicos han intentado controlar las respuestas inmunes indeseadas del organismo a través de la manipulación de los mecanismos regulatorios endógenos. En los últimos años se ha visto la posibilidad de la regulación de la transcripción de los genes por inhibición de la histona deacetilasa. Además las posibilidades terapéuticas que abre el uso de inhibidores de la histona deacetilasa son innumerables, ya que además de desacetilar los residuos de lisina terminales de histones también catalizan la desacetilación de otras proteínas no histonas. Entre las proteínas sobre las que actúan las histonas deacetilasas se encuentra el factor de transcripción FOXP3, que cumple un papel muy importante en el desarrollo y regulación de las células T.

Uso de células madre en el tratamiento de enfermedades

Muchas enfermedades que padecen los seres humanos están dadas por problemas de regeneración de tejidos que en teoría pueden ser tratadas con células madre. Al aislar cultivos de células madre se han abierto grandes posibilidades para usar estas células en la regeneración de tejidos con fines terapéuticos. Las células madre hematopoyéticas fueron las primeras que se identificaron como útiles para este fin. Luego se descubrió que a partir de una única célula madre mesenquimal también se pueden formar huesos, cartílagos y otros tejidos mesenquimales. Estas células al ser clonadas se diferencian en varios tipos de linajes que incluyen osteoblastos, condrocitos y adipocitos. También se pueden diferenciar como precursoras de neuronas, células musculares y de otros tipos. Actualmente se han realizado ensayos clínicos en humanos, haciendo uso de células madre, para el tratamiento de enfermedades tan diversas como.

• Enfermedades de la sangre y del sistema linfático (principalmente leucemia, también se han tratado algunos tipos de anemias, problemas de coagulación de la sangre, linfoma no-Hodgkin).

• Enfermedades causadas por bacterias y hongos (micosis, enfermedades de transmisión sexual, infecciones por bacterias Gram positivas).

• Trastornos mentales y del comportamiento (demencia, agresión, Alzheimer).

• Diversos tipos de cáncer y otras neoplasias.

• Enfermedades del sistema digestivo.

• Enfermedades y anomalías presentadas antes y durante el nacimiento.

• Enfermedades del sistema inmune (enfermedad de Hodgkin, desórdenes inmunoproliferativos, linfoma de Burkitt).

• Enfermedades que afectan a los músculos, huesos y cartílagos (osteoartritis, reuma).

• Afecciones del tracto urinario y los órganos sexuales.

• Enfermedades virales, en especial en terapias contra el VIH.

• Heridas y traumatismos.

Se puede decir que la terapia con células madre está aún en los comienzos, aunque ya se reportan muchos casos de curaciones y de ensayos clínicos satisfactorios, se prevé que en el futuro será mucho más común el uso de este tipo de terapia. Entre las técnicas que se llevan a cabo actualmente se encuentra la terapia regenerativa (también llamada terapia celular o ingeniería de tejidos), donde se sustituyen células dañadas; el trasplante de progenitores hematopoyéticos; la terapia génica (en este caso se sustituye un gen defectuoso o ausente que causa una enfermedad) y las terapias modificadoras de la respuesta biológica o inmunoterapias. En general se puede decir que todas estas terapias se basan en la inducción de factores de crecimiento y de fenómenos antiinflamatorios y autoinmunes por parte de las células madre.

Para usar las células madre en las diferentes terapias hay que tener varios factores en cuenta. La selección de las células madre que van a ser utilizadas en las terapias es de suma importancia al existir reportes de diferentes líneas celulares que son potencialmente teratogénicas. Además hay que tener en cuenta que la dosis de células utilizadas en las terapias puede afectar el éxito de las mismas y que en el proceso de proliferación la información genética se mantenga estable.

Para cultivar las células madre que van a ser utilizadas en terapia se requiere que el medio de cultivo esté libre de componentes animales. La composición del medio de cultivo es clave para el desarrollo de los cultivos y para su posterior conservación. El suero más comúnmente usado es el de suero fetal bovino, compuesto por sustancias como hormonas, factores de crecimiento y vitaminas, por ejemplo en concentraciones desconocidas, lo que puede acarrear problemas de reproducibilidad de los ensayos y de contaminación de los cultivos por virus o agentes infecciosos bovinos. Todo esto, unido a que las proteínas de origen animal pueden causar alergias en los humanos hace necesario el uso de nuevos medios de cultivo libres de suero. Entre ellos podemos destacar el medio de congelación BAMBANKER™, que se puede utilizar tanto para células iPSC, como tumorales y de otros tipos. Este medio no contiene suero y evita la utilización de nitrógeno líquido para conservar los cultivos celulares. Con el uso de este medio de Wako fabricantes de reactivos, se pueden criopreservar los cultivos durante largos períodos a -80ºC.

Sistema inmune humano y células madre

En las terapias que conllevan trasplante de órganos o de médula ósea el tratamiento puede provocar la aparición de la enfermedad conocida como injerto-contra-huésped (EICH), que afecta fundamentalmente la piel, el tracto gastrointestinal y el hígado. Esta enfermedad es provocada por la reacción que se produce al comenzar a actuar el sistema inmunológico del donante en el individuo que recibe el trasplante, a través de las células madre. Es por ello que después de algunos trasplantes de células madre se indica un tratamiento con inmunosupresores. El tratamiento de la EICH conlleva a que el paciente pueda ser atacado por algún patógeno, al estar su sistema inmune deprimido, como es el caso del citomegalovirus.

Las células mesenquimatosas expresan niveles intermedios de antígenos leucocitarios humanos (HLA por sus siglas en inglés), el complejo mayor de histocompatibilidad de clase I y pueden inducir la expresión de otros tipos de antígenos. Sin embargo no inducen la expresión de moléculas coestimulatorias y no activan las células T aloreactivas, de hecho se ha comprobado que suprimen la proliferación de células T, mediando la inmunosupresión. Esta propiedad es muy importante en investigaciones relacionadas con trasplantes de órganos. Estudiando más a fondo la relación entre las células mesenquimatosas y la respuesta inmune se observó que alteran la secreción de citoquina, aumentan la proporción de células T regulatorias e inhiben la secreción de interferón por la células NK (natural killer, o células asesinas).

Por otro lado se han logrado obtener células NK de células madre embrionarias y de células madre embrionarias inducidas. Las células NK están siendo estudiadas en terapias contra el VIH y tienen un papel muy importante en la lucha contra el cáncer y contra infecciones víricas. Se han desarrollado numerosas investigaciones en los últimos años para comprender los mecanismos por los que actúan las células NK, relacionados con terapia génica y con las enfermedades mencionadas anteriormente, para conducir estos estudios la compañía Wako comercializa el antisuero de conejo contra asialo GM1. Este antisuero elimina la actividad de las células NK tanto in vitro como in vivo. Este antisuero policlonal de conejo reacciona con los anticuerpos antigangliósido asialo-GM1.

Perspectivas futuras del uso de células madre

Recientemente la revista científica Cell Stem Cell ha publicado un número con artículos sobre las posibilidades a futuro que tiene la utilización de las células madre. Uno de los potenciales usos de las células madre es el modelaje de enfermedades humanas para comprender la base molecular de los procesos. Las terapias desarrolladas una vez que se modelen las enfermedades podrán ser más precisas, con menos efectos colaterales y que logren curar a mayor porcentaje de enfermos que las que existen hoy en día. Además estos modelos servirán para definir los genes involucrados, establecer dianas terapéuticas más precisas y desarrollar fármacos más efectivos.

Después de los adelantos en las investigaciones sobre la diferenciación celular y la regeneración de tejidos, en un futuro se pretende lograr la organogénesis a partir de cultivos de células madre en 3D. Para la diferenciación celular en la fase embrionaria existen señales, que provienen de lo que se podría llamar regiones organizadoras, para proveer a las células de información sobre su futura localización y función.

Las órdenes enviadas a las células suelen bastar para crear un sistema autónomo. No obstante se han identificado pocos organizadores, y no basta con conocer cómo funcionan estos para saber cómo se forma un órgano complejo como puede ser el cerebro de los mamíferos. Por otro lado al observar el comportamiento de los teratomas y de células pluripotentes que han sido introducidas en un blastocito tetraploide y llegan a formar de embrión de ratón, se puede afirmar que las células madre pluripotentes tienen la capacidad de generar estructuras de tejidos con cierto grado de organización espontáneamente. El crecimiento organizado de las células madre hasta formar estructuras complejas puede ser entendido como un comportamiento social, donde la manipulación del comportamiento colectivo puede dotar a la medicina regenerativa de herramientas para simular situaciones reales.

El cultivo de células madre en 3D también puede usarse con fines sintéticos y a largo plazo modular las interacciones entre los genes durante el crecimiento celular y lograr diseñar estructuras complejas a partir de unas condiciones iniciales predeterminadas. Todos estos estudios posibilitarán la formación de tejidos nuevos más funcionales que los tejidos humanos que se usan en los trasplantes. Se pretende que las células madre sirvan para desarrollar la medicina regenerativa a partir del control espacio temporal de las interacciones celulares dinámicas.

Un paso significativo en relación con las células madre de pluripotencia inducida es que estas pueden obtenerse también in vivo. Ya se ha demostrado que la pluripotencialidad se puede inducir en ratones vivos que han sido manipulados genéticamente. En estas investigaciones se ha observado que las células iPSC que se obtienen in vivo llegan a tener las características de las totipotentes, o sea pueden dar lugar a todos los tipos de células. Este es uno de los ejemplos que demuestra que el futuro de las investigaciones con células madre es muy prometedor y que seguirán obteniéndose resultados alentadores para la cura de enfermedades y la comprensión de los mecanismos por lo que opera la vida.

Existen otros usos potenciales de las células madre en el futuro, como puede ser la elaboración de comida a partir de carne obtenida en un laboratorio, que ya probaron su efectividad los científicos holandeses que crearon una hamburguesa a partir de células madre extraídas de una vaca y que auguran que por cuestiones medioambientales y éticas podría ser la comida del futuro, claro que aún habría que reducir los costes que lleva el proceso y lograr que pueda ser escalado para su producción industrial. También se han logrado obtener huesos usando láminas de carbón que soportan las células y logran promover el crecimiento de tejido óseo en los huesos, por lo que la medicina regenerativa se considera que va a extenderse a todos los tipos de tejido del cuerpo humano.

Uno de los avances a destacar usando las células madre con pluripotencia inducida es la obtención de un ovario a partir de óvulos en el laboratorio. Además de obtenerse óvulos y espermatozoides en ratones que son sometidos a tratamientos con células madre, se sabe que lo mismo ocurre en humanos, resultados que traen una gran esperanza para personas con problemas de fertilidad y un debate ético que continúa cambiando de matices a medida que avanzan los descubrimientos. En realidad queda mucho camino por andar, pues se cuenta con una forma de tener células adultas de cualquier persona que logren curar sus padecimientos sin los problemas que presentan las células ajenas, con la compatibilidad, por los desórdenes inmunológicos que pueden causar.