Engañan a células madre para regenerar hueso y músculo cardiaco rápidamente

Actualizado 15/07/2016 7:44:43 CET
El amor nunca muere, corazón, esqueleto, huesos
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   MADRID, 15 Jul. (EUROPA PRESS) -

   Investigadores de la Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford, en Palo Alto, California, Estados Unidos, han identificado los grupos de señales biológicas y químicas necesarias para que células madre de embriones humanos se conviertan rápida y eficientemente en poblaciones puras de cualquiera de los 12 tipos de células, incluyendo de hueso, músculo cardiaco y cartílago.

   La capacidad de hacer poblaciones puras de estas células en cuestión de días en lugar de semanas o meses como requerían antes es un paso clave hacia la medicina regenerativa clínicamente útil, potencialmente posibilitando a los investigadores generar nuevas células de latidos del corazón para reparar el daño después de un ataque cardiaco o para crear cartílago o hueso con el fin de reactivar las articulaciones débiles o curar del trauma.

   El estudio también pone de relieve los patrones de expresión génica clave, pero de corta duración, que se producen durante la segmentación del embrión humano y confirma que el desarrollo humano parece basarse en procesos que están conservados evolutivamente entre muchos animales. Estas ideas pueden conducir a entender mejor cómo se producen los defectos congénitos.

   "La medicina regenerativa se basa en la capacidad de convertir células madre humanas pluripotentes en células madre de tejidos especializados que se injertan y funcionan en los pacientes", señala el doctor Irving Weissman, director del Instituto de Stanford de Biología de Células Madre y Medicina Regenerativa, y también de su Centro de Cáncer Ludwig.

   "Nos llevó años poder aislar células madre formadoras de la sangre y el cerebro. Aquí hemos utilizado nuestro conocimiento de la biología del desarrollo de muchos otros modelos animales para proporcionar factores de señalización positivos y negativos para guiar las decisiones de desarrollo de células madre de estos tejidos y de órganos. Entre cinco y nueve días podemos generar prácticamente todas las poblaciones de células puras que necesitemos", explica.

   Weissman y Lay Teng Ang, del Instituto del Genoma de Singapur, son los autores principales del estudio, que se detalla en un artículo que se publica este jueves en 'Cell. El estudiante graduado Kyle Loh, y la asistente de investigación, Angela Chen, ambos de Stanford, también están entre los principales autores del trabajo.

GRANDES PASOS HACIA LA MEDICINA REGENERATIVA

   Las células madre embrionarias son pluripotentes, lo que significa que pueden convertirse en cualquier tipo de célula del cuerpo al responder a una variedad de señales de tiempo y lugar dentro del embrión en desarrollo que les llevan a convertirse en tipos celulares específicos. Los investigadores han aprendido mucho acerca de cómo se controla este proceso en los animales, como peces, ratones y ranas.

   En contraste con muchos otros animales, el desarrollo embrionario humano es un proceso misterioso, sobre todo en las primeras semanas después de la concepción porque está prohibido en muchos países y socieades científicas el cultivo de un embrión humano durante más de 14 días. Lo que sí se sabe es que igual que otros animales, el embrión humano en sus primeras etapas consta de tres componentes principales conocidos como capas germinales: ectodermo, endodermo y mesodermo.

   Cada una de estas capas germinales es responsable de generar ciertos tipos de células durante el desarrollo del embrión. El mesodermo, por ejemplo, da lugar a tipos de células principales, como de músculo cardiaco y esquelético, tejido conectivo, hueso, vasos sanguíneos, de la sangre, cartílago y partes de los riñones y la piel.

   "La capacidad de generar poblaciones puras de estos tipos de células es muy importante para cualquier tipo de medicina regenerativa clínicamente importante -subraya Loh--, así como para diseñar un plan de acción fundamental para el desarrollo embrionario humano. Anteriormente, generar estos tipos de células llevaban entre semanas y meses, principalmente porque no era posible controlar con precisión el destino celular. Como resultado, los investigadores terminaban con una mezcolanza de tipos de células".

   Loh y Chen querían saber qué señales impulsan la formación de cada uno de los tipos de células derivadas del mesodermo. Para ello, empezaron con una línea de células madre embrionarias humanas, que químicamente impulsaron para convertirse en células formadoras de lo que se conoce como la línea primitiva en la bola hueca de células del embrión temprano. A continuación, experimentaron con diferentes combinaciones de moléculas de señalización bien conocidas, como WNT, BMP y Hedgehog, como una manera de lograr que estas células se conviertan en células precursoras cada vez más especializadas.

UN PROCESO DOBLE: ACTIVAR Y BLOQUEAR

   Así, aprendieron que a menudo las células avanzaban por el camino del desarrollo a través de una serie de elecciones consecutivas entre dos opciones posibles. La forma más rápida y más eficiente de micro-gestionar las decisiones de desarrollo de las células era aplicar una combinación simultánea de factores que animó a la diferenciación en un linaje a la vez que bloqueó de forma activa un destino diferente de las células, una especie de estrategia de "sí" y "no".

   Por ejemplo, las células de la línea primitiva pueden ser de endodermo o uno de los dos tipos de mesodermo. La inhibición de la actividad de una molécula de señalización llamada TGF beta impulsa las células a un destino mesodérmico. La adición de una molécula de señalización llamada WNT, al tiempo que bloquea la actividad de otra molécula conocida como BMP, promueve la diferenciación en un tipo de célula de mesodermo; por el contrario, la adición de BMP, mientras bloquea WNT impulsa a las células a convertirse en otro tipo de mesodermo.

   "Hemos aprendido durante este proceso que es igualmente importante entender cómo se desarrollan los tipos de células no deseadas y encontrar una manera de bloquear este proceso fomentando al mismo tiempo la vía de desarrollo que queremos", resalta Loh. Este experto, junto con Chen, logró generar células precursoras de hueso, las cuales forman hueso humano al ser implantadas en ratones de laboratorio, y células musculares del corazón, así como otros diez linajes de células derivadas del mesodermo.

   En cada etapa de desarrollo, los investigadores llevaron a cabo la secuenciación de ARN de una sola célula para identificar patrones únicos de expresión de genes y evaluar la pureza de las poblaciones de células individuales. Al observar el perfil de expresión génica en las células individuales, consiguieron identificar los estados transitorios hasta ahora desconocidas que tipifican la progresión desde precursoras a células más especializadas.

   En particular, observaron por primera vez un impulso transitorio de la expresión génica que precede a la segmentación del embrión humano en partes discretas que se convertirán en la cabeza, el tronco y las extremidades del cuerpo. El proceso refleja lo que se sabe que ocurre en otros animales y confirma que el proceso de segmentación en el desarrollo humano se ha conservado evolutivamente.

   "La segmentación del embrión es un paso fundamental en el desarrollo humano", afirma Loh. "Ahora podemos ver que, evolutivamente, es un proceso muy conservado", añade. Entender cuándo y cómo se producen la segmentación y otros pasos clave del desarrollo podría aportar pistas importantes en cuanto a la forma en la que surgen defectos congénitos de nacimiento cuando estos pasos van mal.

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