Las células miosatélite , también conocidas como células satélite , células madre musculares o MuSC , son pequeñas células multipotentes con muy poco citoplasma que se encuentran en el músculo maduro . [1] Las células satélite son precursoras de las células del músculo esquelético , capaces de dar lugar a células satélite o células del músculo esquelético diferenciadas. [2] Tienen el potencial de proporcionar mionúcleos adicionales a su fibra muscular original o regresar a un estado de reposo. [3] Más específicamente, tras la activación, las células satélite pueden volver a entrar en el ciclo celular para proliferar y diferenciarse en mioblastos . [4]
Las células miosatélites se encuentran entre la membrana basal y el sarcolema de las fibras musculares, [5] y pueden ubicarse en surcos paralelos o transversales al eje longitudinal de la fibra. Su distribución a lo largo de la fibra puede variar significativamente. Las células miosatélites inactivas y no proliferativas, que se unen a los músculos esqueléticos en reposo, pueden identificarse por su ubicación distintiva entre el sarcolema y la lámina basal, una alta proporción de volumen nuclear-citoplasmático, pocos orgánulos (p. ej., ribosomas, retículo endoplásmico, mitocondrias, complejos de Golgi). ), tamaño nuclear pequeño y una gran cantidad de heterocromatina nuclear en relación con los mionúcleos. Por otro lado, las células satélite activadas tienen un mayor número de caveolas , orgánulos citoplasmáticos y niveles disminuidos de heterocromatina. [2] Las células satélite son capaces de diferenciarse y fusionarse para aumentar las fibras musculares existentes y formar nuevas fibras. Estas células representan el nicho de células madre adultas más antiguo conocido y están involucradas en el crecimiento normal del músculo, así como en la regeneración después de una lesión o enfermedad .
En el músculo no dañado, la mayoría de las células satélite están inactivas ; no se diferencian ni sufren división celular. En respuesta a la tensión mecánica, las células satélite se activan . Las células satélite activadas proliferan inicialmente como mioblastos esqueléticos antes de sufrir una diferenciación miogénica . [1]
Las células satélite expresan una serie de marcadores genéticos distintivos . La idea actual es que la mayoría de las células satélite expresan PAX7 y PAX3 . [6] Las células satélite de la musculatura de la cabeza tienen un programa de desarrollo único, [7] y son Pax3 negativas. Además, las células satélite humanas activadas y en reposo pueden identificarse mediante la molécula de adhesión de células neurales unida a la membrana (N-CAM/CD56/Leu-19), una glicoproteína de la superficie celular. El factor nuclear de miocitos (MNF) y el protooncogén c-met (receptor del factor de crecimiento de hepatocitos ( HGF )) son marcadores que se utilizan con menos frecuencia. [2]
Los marcadores CD34 y Myf5 definen específicamente la mayoría de las células satélite inactivas. [8] Las células satélite activadas resultan problemáticas de identificar, especialmente porque sus marcadores cambian con el grado de activación; por ejemplo, una mayor activación da como resultado la pérdida progresiva de la expresión de Pax7 a medida que entran en la etapa proliferativa. Sin embargo, Pax7 se expresa de manera destacada después de la diferenciación de las células satélite. [9] Una mayor activación también da como resultado una mayor expresión de los factores de transcripción miogénicos básicos hélice-bucle-hélice MyoD , miogenina y MRF4 , todos responsables de la inducción de genes específicos de miocitos. [10] La prueba de HGF también se utiliza para identificar células satélite activas. [2] Las células satélite activadas también comienzan a expresar proteínas filamentosas específicas del músculo, como la desmina , a medida que se diferencian.
El campo de la biología de células satélite adolece de las mismas dificultades técnicas que otros campos de células madre. Los estudios se basan casi exclusivamente en la citometría de flujo y el análisis de clasificación de células activadas por fluorescencia (FACS), que no proporciona información sobre el linaje o el comportamiento celular. Como tal, el nicho de las células satelitales está relativamente mal definido y es probable que esté formado por múltiples subpoblaciones.
Cuando las células musculares sufren una lesión, se liberan células satélite inactivas debajo de la membrana basal . Se activan y vuelven a entrar en el ciclo celular. Estas células en división se conocen como el "grupo amplificador de tránsito" antes de sufrir una diferenciación miogénica para formar nuevos miotubos (postmitóticos). También hay evidencia que sugiere que estas células son capaces de fusionarse con las miofibras existentes para facilitar el crecimiento y la reparación. [1]
El proceso de regeneración muscular implica una remodelación considerable de la matriz extracelular y, cuando se produce un daño importante, es incompleto. Los fibroblastos dentro del músculo depositan tejido cicatricial, que puede alterar la función muscular y es una parte importante de la patología de las distrofias musculares .
Las células satélite proliferan después de un traumatismo muscular [11] y forman nuevas miofibras mediante un proceso similar al desarrollo del músculo fetal. [12] Después de varias divisiones celulares, las células satélite comienzan a fusionarse con los miotubos dañados y experimentan más diferenciación y maduración, con núcleos periféricos como sello distintivo. [12] Una de las primeras funciones descritas para el IGF-1 fue su participación en la proliferación y diferenciación de células satélite. Además, la expresión de IGF-1 en el músculo esquelético amplía la capacidad de activar la proliferación de células satélite (Charkravarthy, et al., 2000), aumentando y prolongando los efectos beneficiosos para el músculo envejecido. [13] [14]
La activación de las células satélite se mide por el grado de proliferación y diferenciación. Normalmente, el contenido de células satélite se expresa por fibra muscular o como porcentaje del contenido nuclear total, la suma de los núcleos y mionúcleos de las células satélite. Si bien la respuesta adaptativa al ejercicio varía en gran medida de forma individual en función de factores como la genética, la edad, la dieta, la aclimatación al ejercicio y el volumen de ejercicio, los estudios en humanos han demostrado tendencias generales. [2]
Se sugiere que el ejercicio desencadena la liberación de moléculas de señalización, incluidas sustancias inflamatorias, citocinas y factores de crecimiento de los tejidos conectivos circundantes y los músculos esqueléticos activos. [2] En particular, el HGF , una citocina, se transfiere desde la matriz extracelular a los músculos a través de la vía dependiente del óxido nítrico. Se cree que el HGF activa las células satélite, mientras que el factor de crecimiento similar a la insulina I ( IGF-1 ) y el factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) mejoran la tasa de proliferación de las células satélite después de la activación. [15] Los estudios han demostrado que el ejercicio intenso generalmente aumenta la producción de IGF-1, aunque las respuestas individuales varían significativamente. [16] [17] Más específicamente, el IGF-1 existe en dos isoformas: factor de crecimiento mecánico (MGF) e IGF-IEa. [18] Mientras que el primero induce la activación y la proliferación, el segundo provoca la diferenciación de las células satélite en proliferación. [18]
Los estudios en humanos han demostrado que tanto el entrenamiento de alta resistencia como el entrenamiento de resistencia han producido un mayor número de células satélite. [9] [19] Estos resultados sugieren que un régimen ligero de entrenamiento de resistencia puede ser útil para contrarrestar la disminución de las células satélite correlacionada con la edad. [2] En el entrenamiento de alta resistencia, la activación y proliferación de células satélite se evidencian por el aumento de los niveles de ARNm de ciclina D1 y ARNm de p21 . Esto es consistente con el hecho de que la regulación positiva de ciclina D1 y p21 se correlaciona con la división y diferenciación de las células. [3]
La activación de las células satélite también se ha demostrado a nivel ultraestructural después del ejercicio. Se ha demostrado que el ejercicio aeróbico aumenta significativamente el retículo endoplasmático granular , los ribosomas libres y las mitocondrias de los grupos de músculos estimulados. Además, se ha demostrado que las células satélite se fusionan con las fibras musculares, desarrollando nuevas fibras musculares. [20] Otra evidencia ultraestructural de células satélite activadas incluye una mayor concentración del aparato de Golgi y vesículas pinocitoticas. [21]
Las células satélite tienen un papel crucial en la regeneración muscular debido a su capacidad para proliferar, diferenciarse y autorrenovarse. Antes de una lesión muscular grave, las células satélite se encuentran en un estado inactivo. Puede producirse una ligera proliferación en momentos de lesiones leves, pero las lesiones graves requieren una mayor cantidad de células satélite para activarse. La activación de las células satélite desde su estado latente se controla mediante señales procedentes del nicho muscular. Esta señalización induce una respuesta inflamatoria en el tejido muscular. El comportamiento de las células satélite es un proceso altamente regulado para lograr el equilibrio entre los estados inactivos y activos. [22] En momentos de lesión, las células satélite de las miofibras reciben señales para proliferar a partir de proteínas en el músculo esquelético aplastado. Las miofibras son elementos fundamentales del músculo formados por miofibrillas de actina y miosina. Las proteínas responsables de señalar la activación de las células satélite se denominan mitógenos. Un mitógeno es una pequeña proteína que induce a una célula a entrar en el ciclo celular. Cuando las células reciben señales de las neuronas, las miofibras se despolarizan y liberan calcio del retículo sarcoplásmico. La liberación de calcio induce a los filamentos de actina y miosina a mover y contraer el músculo. Los estudios encontraron que las células satélite trasplantadas en miofibras respaldaban múltiples regeneraciones de tejido muscular nuevo. Estos hallazgos apoyan la hipótesis de que las células satélite son las células madre de los músculos. Dependiendo de su posición relativa con respecto a las células hijas en las miofibras, las células satélite se someten a una división simétrica y asimétrica. El nicho y ubicación determina el comportamiento de las células satélite en su proliferación y diferenciación. En general, el músculo esquelético de los mamíferos es relativamente estable con poco recambio de mionucleos. Las lesiones menores causadas por las actividades diarias se pueden reparar sin inflamación ni muerte celular. Las lesiones importantes contribuyen a la necrosis de las miofibras, a la inflamación y hacen que las células satélite se activen y proliferen. El proceso de necrosis de miofibras hasta la formación de miofibras da como resultado la regeneración muscular. [23]
La regeneración muscular se produce en tres etapas superpuestas. La respuesta inflamatoria, la activación y diferenciación de las células satélite y la maduración de las nuevas miofibras son fundamentales para la regeneración muscular. Este proceso comienza con la muerte de las fibras musculares dañadas, donde la disolución del sarcolema de miofibras conduce a un aumento de la permeabilidad de las miofibras. La alteración de la integridad de las miofibras se observa en un aumento de los niveles plasmáticos de proteínas musculares. La muerte de las miofibras impulsa una entrada de calcio desde el retículo sarcoplásmico para inducir la degradación del tejido. A la necrosis de las miofibras sigue una respuesta inflamatoria. Durante los momentos de crecimiento y regeneración muscular, las células satélite pueden viajar entre las miofibras y los músculos y sobre las barreras del tejido conectivo. Las señales del entorno dañado inducen estos cambios de comportamiento en las células satélite. [23]
Tras una estimulación mínima, las células satélite in vitro o in vivo se someterán a un programa de diferenciación miogénica.
Desafortunadamente, parece que las células satélite trasplantadas tienen una capacidad de migración limitada y sólo son capaces de regenerar músculo en la región del lugar del parto. Por lo tanto, no es posible realizar tratamientos sistémicos o incluso tratar un músculo completo de esta manera. Sin embargo, se ha demostrado que otras células del cuerpo, como los pericitos y las células madre hematopoyéticas, pueden contribuir a la reparación muscular de manera similar a la célula satélite endógena. La ventaja de utilizar estos tipos de células para la terapia de enfermedades musculares es que pueden administrarse sistémicamente y migrar de forma autónoma al lugar de la lesión. Recientemente ha tenido especial éxito la introducción de células mesoangioblastos en el modelo de perro Golden Retriever con distrofia muscular de Duchenne , que curó eficazmente la enfermedad. [24] Sin embargo, el tamaño de la muestra utilizada fue relativamente pequeño y desde entonces el estudio ha sido criticado por la falta de controles adecuados para el uso de fármacos inmunosupresores. Recientemente, se ha informado que las células que expresan Pax7 contribuyen a la reparación de heridas dérmicas al adoptar un fenotipo fibrótico a través de un proceso mediado por Wnt/β-catenina. [25]
Se sabe poco sobre la regulación de las células satélite. Mientras que PAX3 y PAX7 juntos forman actualmente los marcadores satélite definitivos, los genes Pax son activadores transcripcionales notoriamente deficientes. La dinámica de activación, inactividad y la inducción del programa miogénico a través de los factores reguladores miogénicos , Myf5 , MyoD , myogenin y MRF4 aún están por determinar. [26]
Hay algunas investigaciones que indican que las células satélite están reguladas negativamente por una proteína llamada miostatina . Los niveles elevados de miostatina regulan positivamente un inhibidor de la quinasa dependiente de ciclina llamado p21 y, por lo tanto, inhiben la diferenciación de las células satélite. [27]
Las células miosatélites son las que más contribuyen a la regeneración y reparación muscular. [23] Esto los convierte en un objetivo principal para el campo del cultivo de carne . Estas células satélite son la fuente principal de la mayoría de la formación de células musculares posnatalmente, siendo los mioblastos embrionarios los responsables de la generación de músculo prenatal. Una sola célula satélite puede proliferar y convertirse en una mayor cantidad de células musculares. [28]
Con el conocimiento de que las células miosatélites son las progenitoras de la mayoría de las células del músculo esquelético , se teorizó que si estas células pudieran cultivarse en un laboratorio y colocarse en andamios para producir fibras, las células musculares podrían usarse para la producción de alimentos. [29] Se ha demostrado que esta teoría es cierta gracias a muchas empresas que surgen en todo el mundo en el campo de la carne cultivada, incluidas Mosa Meat en los Países Bajos y Upside Foods en los EE. UU. [30] [31]
Una descripción general del proceso de cultivo implica primero la selección de una fuente celular. Esta etapa inicial es donde ocurre la selección de un tipo de carne, por ejemplo si el producto deseado es carne de res entonces se toman células de una vaca. La siguiente parte consiste en aislar y clasificar las células miosatélites de cualquiera que sea la fuente celular seleccionada. Después de separarse en los componentes celulares, las células miosatélite deben proliferar mediante el uso de un biorreactor , un dispositivo utilizado para cultivar microorganismos o células en un medio que se puede controlar fácilmente. [32] Cualquiera que sea el medio elegido simulará que las células están en óptimas condiciones para proliferar dentro de un organismo. Después de la proliferación, las células se moldean utilizando un andamio. Estos andamios pueden ser una estructura orgánica como tejidos vegetales o animales descelularizados, inorgánica como la poliacrilamida , o una mezcla de ambas. [33] Una vez que las células se han adherido al andamio y han madurado por completo, se han convertido en un producto cárnico crudo. El paso final incluirá cualquier proceso alimentario necesario para obtener el producto final deseado. [34]