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Célula madre pluripotente inducida

Imagen de microscopio confocal de una colonia de células madre pluripotentes inducidas humanas derivadas de un paciente con albinismo oculocutáneo . El rojo indica el factor de transcripción Oct-4 , el verde la proteína SSEA4 y el azul los núcleos de las células .
Colonias de células iPS humanas. Las células fusiformes del fondo son fibroblastos de ratón. Solo las células que componen la colonia central son células iPS humanas.

Las células madre pluripotentes inducidas (también conocidas como células iPS o iPSC ) son un tipo de células madre pluripotentes que se pueden generar directamente a partir de una célula somática . La tecnología de las iPSC fue desarrollada por Shinya Yamanaka y Kazutoshi Takahashi en Kioto , Japón , quienes juntos demostraron en 2006 que la introducción de cuatro genes específicos (denominados Myc , Oct3/4 , Sox2 y Klf4 ), conocidos colectivamente como factores Yamanaka, que codifican factores de transcripción , podrían convertir células somáticas en células madre pluripotentes. [1] Shinya Yamanaka recibió el Premio Nobel de 2012 junto con Sir John Gurdon "por el descubrimiento de que las células maduras pueden reprogramarse para volverse pluripotentes". [2]

Las células madre pluripotentes son prometedoras en el campo de la medicina regenerativa . [3] Debido a que pueden propagarse indefinidamente, así como dar origen a todos los demás tipos de células del cuerpo (como neuronas, células cardíacas, pancreáticas y hepáticas), representan una fuente única de células que podrían usarse para reemplazar las que se pierden por daños o enfermedades.

El tipo más conocido de célula madre pluripotente es la célula madre embrionaria . Sin embargo, dado que la generación de células madre embrionarias implica la destrucción (o al menos la manipulación) [4] del embrión en la etapa de preimplantación, ha habido mucha controversia en torno a su uso. Ahora se pueden obtener líneas de células madre embrionarias compatibles con el paciente mediante transferencia nuclear de células somáticas (SCNT). [ cita requerida ]

Dado que las iPSC pueden derivarse directamente de tejidos adultos, no solo evitan la necesidad de embriones, sino que también pueden generarse de manera que cada paciente pueda tener su propia línea de células madre pluripotentes. Estos suministros ilimitados de células autólogas podrían usarse para generar trasplantes sin el riesgo de rechazo inmunológico. Si bien la tecnología de las iPSC aún no ha avanzado hasta una etapa en la que los trasplantes terapéuticos se consideren seguros, las iPSC se están utilizando fácilmente en esfuerzos de descubrimiento de fármacos personalizados y para comprender la base específica de la enfermedad en cada paciente. [5]

Yamanaka nombró a las iPSC con una "i" minúscula debido a la popularidad del iPod y otros productos. [6] [7] [8] [9] [10] [ dudoso – discutir ]

En su seminario Nobel, Yamanaka citó el trabajo seminal anterior de Harold Weintraub sobre el papel de la proteína de determinación de mioblastos 1 (MyoD) en la reprogramación del destino celular a un linaje muscular como un precursor importante para el descubrimiento de las iPSC. [11]

Producción

Esquema de la generación de células madre pluripotentes inducidas (IPS). (1) Aislar y cultivar células donantes. (2) Transducir genes asociados a células madre en las células mediante vectores virales. Los glóbulos rojos indican las células que expresan los genes exógenos. (3) Recolectar y cultivar las células de acuerdo con el cultivo de células madre embrionarias , utilizando células alimentadoras inactivadas mitóticamente (gris claro). (4) Un pequeño subconjunto de las células transfectadas se convierten en células iPS y generan colonias similares a las células madre embrionarias .

Las iPSC se obtienen típicamente introduciendo productos de conjuntos específicos de genes asociados a la pluripotencia, o "factores de reprogramación", en un tipo de célula determinado. El conjunto original de factores de reprogramación (también denominados factores de Yamanaka) son los factores de transcripción Oct4 (Pou5f1), Sox2 , Klf4 y cMyc . Si bien esta combinación es la más convencional para producir iPSC, cada uno de los factores puede reemplazarse funcionalmente por factores de transcripción relacionados, miRNAs , moléculas pequeñas o incluso genes no relacionados, como especificadores de linaje. [12] También está claro que los factores promitóticos como C-MYC/L-MYC o la represión de los puntos de control del ciclo celular, como p53, son conductos para crear un estado celular compatible para la reprogramación de iPSC. [13]

La obtención de iPSC es un proceso lento e ineficiente que suele tardar entre una y dos semanas en el caso de las células de ratón y entre tres y cuatro semanas en el caso de las células humanas, con una eficiencia de entre el 0,01 y el 0,1 %. Sin embargo, se han logrado avances considerables en la mejora de la eficiencia y el tiempo que lleva obtener iPSC. Tras la introducción de factores de reprogramación, las células comienzan a formar colonias que se asemejan a las células madre pluripotentes, que pueden aislarse en función de su morfología, las condiciones que las seleccionan para su crecimiento o mediante la expresión de marcadores de superficie o genes reporteros .

Primera generación (ratón)

Las células madre pluripotentes inducidas fueron generadas por primera vez por Shinya Yamanaka y Kazutoshi Takahashi en la Universidad de Kioto , Japón, en 2006. [1] Plantearon la hipótesis de que los genes importantes para la función de las células madre embrionarias (CME) podrían ser capaces de inducir un estado embrionario en células adultas. Eligieron veinticuatro genes previamente identificados como importantes en las CME y utilizaron retrovirus para entregar estos genes a fibroblastos de ratón . Los fibroblastos fueron diseñados de modo que cualquier célula que reactivara el gen específico de las CME, Fbx15 , pudiera aislarse mediante selección con antibióticos.

Tras la administración de los veinticuatro factores, surgieron colonias similares a las de las células madre embrionarias que reactivaron el marcador Fbx15 y pudieron propagarse indefinidamente. Para identificar los genes necesarios para la reprogramación, los investigadores eliminaron un factor a la vez del conjunto de veinticuatro. Mediante este proceso, identificaron cuatro factores, Oct4, Sox2, cMyc y Klf4, que eran necesarios y, en conjunto, suficientes para generar colonias similares a las de las células madre embrionarias bajo selección para la reactivación de Fbx15.

Segunda generación (ratón)

En junio de 2007, tres grupos de investigación independientes, entre ellos el de Yamanaka, una colaboración entre Harvard y la Universidad de California en Los Ángeles , y un grupo del MIT , publicaron estudios que mejoraron sustancialmente el método de reprogramación, dando lugar a células madre pluripotentes indistinguibles de las células madre embrionarias. A diferencia de la primera generación de células madre pluripotentes, estas células madre pluripotentes de segunda generación produjeron ratones quiméricos viables y contribuyeron a la línea germinal del ratón, logrando así el "patrón oro" de las células madre pluripotentes.

Estas iPSC de segunda generación se derivaron de fibroblastos de ratón mediante la expresión mediada por retrovirus de los mismos cuatro factores de transcripción (Oct4, Sox2, cMyc, Klf4). Sin embargo, en lugar de utilizar Fbx15 para seleccionar células pluripotentes, los investigadores utilizaron Nanog , un gen que es funcionalmente importante en las células madre embrionarias. Al utilizar esta estrategia diferente, los investigadores crearon iPSC que eran funcionalmente idénticas a las células madre embrionarias. [14] [15] [16] [17]

Células madre pluripotentes inducidas humanas

Generación a partir de fibroblastos humanos

En noviembre de 2007, dos grupos de investigación independientes informaron sobre la reprogramación de células humanas a iPSC: Shinya Yamanaka , de la Universidad de Kioto (Japón), que fue pionero en el método original de iPSC, y James Thomson, de la Universidad de Wisconsin-Madison, que fue el primero en obtener células madre embrionarias humanas. Con el mismo principio utilizado en la reprogramación de ratones, el grupo de Yamanaka transformó con éxito fibroblastos humanos en iPSC con los mismos cuatro genes fundamentales, Oct4, Sox2, Klf4 y cMyc, utilizando un sistema retroviral [18], mientras que Thomson y sus colegas utilizaron un conjunto diferente de factores, Oct4, Sox2, Nanog y Lin28, utilizando un sistema lentiviral [19] .

Generación a partir de tipos de células adicionales

La obtención de fibroblastos para producir células madre pluripotentes in vitro (CMIPI) implica una biopsia de piel, y se ha impulsado la identificación de tipos de células que sean más fácilmente accesibles. [20] [21] En 2008, las CMIPI se derivaron de queratinocitos humanos, que se podían obtener de un solo pelo. [22] [23] En 2010, las CMIPI se derivaron de células de sangre periférica, [24] [25] y en 2012, las CMIPI se fabricaron a partir de células epiteliales renales en la orina. [26]

Otras consideraciones para el tipo de célula inicial incluyen la carga mutacional (por ejemplo, las células de la piel pueden albergar más mutaciones debido a la exposición a los rayos UV), [20] [21] el tiempo que lleva expandir la población de células iniciales, [20] y la capacidad de diferenciarse en un tipo de célula determinado. [27]

Genes utilizados para producir células madre pluripotentes inducidas (iPSC)

[ cita requerida ]

La generación de células pluripotentes inducidas depende fundamentalmente de los factores de transcripción utilizados para la inducción.

Se ha identificado que el gen Oct-3/4 y ciertos productos de la familia de genes Sox (Sox1, Sox2, Sox3 y Sox15) son reguladores transcripcionales cruciales que participan en el proceso de inducción, cuya ausencia hace que la inducción sea imposible. Sin embargo, se ha identificado que otros genes, incluidos ciertos miembros de la familia Klf (Klf1, Klf2, Klf4 y Klf5), la familia Myc (c-myc, L-myc y N-myc), Nanog y LIN28 , aumentan la eficiencia de la inducción.

Desafíos en la reprogramación de células hacia la pluripotencia

Aunque los métodos iniciados por Yamanaka y otros han demostrado que las células adultas pueden reprogramarse para convertirse en células iPS, aún existen desafíos asociados con esta tecnología:

  1. Baja eficiencia: en general, la conversión a células iPS ha sido increíblemente baja. Por ejemplo, la tasa a la que las células somáticas se reprogramaron en células iPS en el estudio original de Yamanaka en ratones fue de 0,01-0,1%. [1] La baja tasa de eficiencia puede reflejar la necesidad de una sincronización precisa, equilibrio y niveles absolutos de expresión de los genes de reprogramación. También puede sugerir la necesidad de cambios genéticos o epigenéticos raros en la población de células somáticas original o en el cultivo prolongado. Sin embargo, recientemente se encontró un camino para la reprogramación eficiente que requería la regulación negativa del complejo de remodelación y desacetilación de nucleosomas ( NuRD ). La sobreexpresión de Mbd3, una subunidad de NuRD, inhibe la inducción de iPSC. El agotamiento de Mbd3, por otro lado, mejora la eficiencia de la reprogramación, [33] que da como resultado una reprogramación de células iPS determinista y sincronizada (casi 100% de eficiencia en siete días a partir de células de ratón y humanas). [34]
  2. Inserción genómica: la integración genómica de los factores de transcripción limita la utilidad del enfoque de los factores de transcripción debido al riesgo de que se inserten mutaciones en el genoma de la célula diana. [35] Una estrategia común para evitar la inserción genómica ha sido utilizar un vector diferente para la entrada. Se han explorado los plásmidos , los adenovirus y los vectores de transposones , pero estos suelen tener como contrapartida un menor rendimiento. [36] [37] [38]
  3. Tumorigenicidad: Dependiendo de los métodos utilizados, la reprogramación de células adultas para obtener iPSC puede plantear riesgos significativos que podrían limitar su uso en humanos. Por ejemplo, si se utilizan virus para alterar genómicamente las células, potencialmente se puede desencadenar la expresión de oncogenes (genes que causan cáncer). En febrero de 2008, los científicos anunciaron el descubrimiento de una técnica que podría eliminar oncogenes después de la inducción de pluripotencia, aumentando así el uso potencial de células iPS en enfermedades humanas. [39] En otro estudio, Yamanaka informó que se pueden crear iPSC sin el oncogén c-Myc. El proceso tomó más tiempo y no fue tan eficiente, pero las quimeras resultantes no desarrollaron cáncer. [40] La inactivación o eliminación del supresor tumoral p53, que es un regulador clave del cáncer, aumenta significativamente la eficiencia de la reprogramación. [41] Por lo tanto, parece haber una compensación entre la eficiencia de la reprogramación y la generación de tumores.
  4. Reprogramación incompleta: la reprogramación también se enfrenta al reto de la completitud. Esto es particularmente complicado porque el código epigenético de todo el genoma debe reformatearse al del tipo de célula diana para poder reprogramar completamente una célula. Sin embargo, tres grupos separados lograron encontrar células iPS derivadas de fibroblastos embrionarios de ratón (MEF) que podían inyectarse en blastocistos tetraploides y dieron como resultado el nacimiento vivo de ratones derivados completamente de células iPS, poniendo así fin al debate sobre la equivalencia de las células madre embrionarias (ESC) y las iPS con respecto a la pluripotencia. [42]

La tabla de la derecha resume las estrategias y técnicas clave utilizadas para desarrollar células iPS en los primeros cinco años después del gran avance de Yamanaka et al. en 2006. Las filas de colores similares representan estudios que utilizaron estrategias similares para la reprogramación.

Esta cronología resume las estrategias y técnicas clave utilizadas para desarrollar células iPS en los primeros cinco años posteriores al gran avance de Yamanaka et al. en 2006. Las filas de colores similares representan estudios que utilizaron estrategias similares para la reprogramación.

Enfoques alternativos

Imitación de factores de transcripción con productos químicos

Una de las principales estrategias para evitar los problemas (1) y (2) ha sido utilizar pequeñas moléculas que puedan imitar los efectos de los factores de transcripción. Estos compuestos pueden compensar un factor de reprogramación que no se dirige eficazmente al genoma o falla en la reprogramación por otra razón; por lo tanto, aumentan la eficiencia de la reprogramación. También evitan el problema de la integración genómica, que en algunos casos contribuye a la génesis del tumor. Estudios clave que utilizan dicha estrategia se llevaron a cabo en 2008. Melton et al. estudiaron los efectos del inhibidor de la histona desacetilasa (HDAC), el ácido valproico. Encontraron que aumentaba la eficiencia de la reprogramación 100 veces (en comparación con el método tradicional de factor de transcripción de Yamanaka). [43] Los investigadores propusieron que este compuesto imitaba la señalización que generalmente es causada por el factor de transcripción c-Myc. Se propuso un tipo similar de mecanismo de compensación para imitar los efectos de Sox2 . En 2008, Ding et al. En julio de 2013, Deng et al., de la Universidad de Pekín , utilizaron la inhibición de la metiltransferasa de histonas (HMT) con BIX-01294 en combinación con la activación de los canales de calcio en la membrana plasmática para aumentar la eficiencia de la reprogramación. [44] Deng et al., de la Universidad de Pekín, informaron que se pueden crear células madre pluripotentes inducidas sin ninguna modificación genética. Utilizaron un cóctel de siete compuestos de moléculas pequeñas, incluido DZNep, para inducir las células somáticas de ratón en células madre a las que llamaron células CiPS con una eficiencia (del 0,2 %) comparable a las que utilizan técnicas de producción de iPSC estándar. Las células CiPS se introdujeron en embriones de ratón en desarrollo y se descubrió que contribuían a todos los tipos principales de células, lo que demuestra su pluripotencia. [45] [46]

Ding et al . demostraron una alternativa a la reprogramación de factores de transcripción mediante el uso de sustancias químicas similares a fármacos. Al estudiar el proceso de transición mesenquimal-epitelial (MET) en el que los fibroblastos son empujados a un estado similar al de las células madre, el grupo de Ding identificó dos sustancias químicas (el inhibidor de ALK5 SB431412 y el inhibidor de MEK (proteína quinasa activada por mitógeno) PD0325901) que se descubrió que aumentaban la eficiencia del método genético clásico en 100 veces. Al agregar un tercer compuesto conocido por estar involucrado en la vía de supervivencia celular, la tiazovivina aumenta aún más la eficiencia en 200 veces. El uso de la combinación de estos tres compuestos también redujo el proceso de reprogramación de los fibroblastos humanos de cuatro semanas a dos semanas. [47] [48]

En abril de 2009, se demostró que la generación de células iPS es posible sin ninguna alteración genética de la célula adulta: un tratamiento repetido de las células con ciertas proteínas canalizadas hacia las células a través de anclajes de poliarginina fue suficiente para inducir la pluripotencia. [49] El acrónimo dado para esas iPSC es piPSC (células madre pluripotentes inducidas por proteínas).

Vectores alternativos

Otra estrategia clave para evitar problemas como la tumorogénesis y el bajo rendimiento ha sido utilizar formas alternativas de vectores: adenovirus , plásmidos y compuestos proteicos o de ADN desnudo.

En 2008, Hochedlinger et al. utilizaron un adenovirus para transportar los cuatro factores de transcripción necesarios al ADN de las células de la piel y el hígado de ratones, lo que dio como resultado células idénticas a las células madre embrionarias. El adenovirus es único en comparación con otros vectores, como los virus y los retrovirus, porque no incorpora ninguno de sus propios genes en el huésped objetivo y evita la posibilidad de mutagénesis por inserción. [44] En 2009, Freed et al. demostraron una reprogramación exitosa de fibroblastos humanos a células iPS. [50] Otra ventaja de usar adenovirus es que solo necesitan estar presentes durante un breve período de tiempo para que se produzca una reprogramación efectiva.

También en 2008, Yamanaka et al. descubrieron que podían transferir los cuatro genes necesarios con un plásmido. [36] El grupo de Yamanaka reprogramó con éxito células de ratón mediante la transfección con dos construcciones de plásmidos que portaban los factores de reprogramación; el primer plásmido expresaba c-Myc, mientras que el segundo expresaba los otros tres factores ( Oct4 , Klf4 y Sox2 ). Aunque los métodos de plásmidos evitan los virus, aún requieren genes promotores del cáncer para lograr la reprogramación. El otro problema principal con estos métodos es que tienden a ser mucho menos eficientes en comparación con los métodos retrovirales. Además, se ha demostrado que los plásmidos transfectados se integran en el genoma del huésped y, por lo tanto, aún plantean el riesgo de mutagénesis insercional. Debido a que los enfoques no retrovirales han demostrado niveles de eficiencia tan bajos, los investigadores han intentado rescatar eficazmente la técnica con lo que se conoce como el Sistema de transposón PiggyBac . Varios estudios han demostrado que este sistema puede entregar eficazmente los factores de reprogramación clave sin dejar mutaciones de huella en el genoma de la célula huésped. El sistema de transposón PiggyBac implica la reexcisión de genes exógenos, lo que elimina el problema de la mutagénesis insercional. [ cita requerida ]

Adquisición de células pluripotenciales desencadenada por estímulos

En enero de 2014, se publicaron dos artículos que afirmaban que se puede generar un tipo de célula madre pluripotente sometiendo las células a ciertos tipos de estrés (toxina bacteriana, un pH bajo de 5,7 o compresión física); las células resultantes se denominaron células STAP ( adquisición de pluripotencia desencadenada por estímulo ). [51]

En vista de las dificultades que otros laboratorios tuvieron para replicar los resultados del sorprendente estudio, en marzo de 2014, uno de los coautores solicitó que se retractaran los artículos. [52] El 4 de junio de 2014, la autora principal, Obokata , aceptó retractarse de ambos artículos [53] después de que se descubriera que había cometido "mala conducta en la investigación", como se concluyó en una investigación de RIKEN el 1 de abril de 2014. [54]

Moléculas de ARN

Los microARN son moléculas cortas de ARN que se unen a secuencias complementarias en el ARN mensajero y bloquean la expresión de un gen. La medición de las variaciones en la expresión de microARN en células iPS se puede utilizar para predecir su potencial de diferenciación. [55] La adición de microARN también se puede utilizar para mejorar el potencial de las iPS. Se han propuesto varios mecanismos. [55] Las moléculas de microARN específicas de células madre embrionarias (como miR-291, miR-294 y miR-295) mejoran la eficiencia de la pluripotencia inducida al actuar aguas abajo de c-Myc. [56] Los microARN también pueden bloquear la expresión de represores de los cuatro factores de transcripción de Yamanaka, y puede haber mecanismos adicionales que induzcan la reprogramación incluso en ausencia de factores de transcripción exógenos añadidos. [55]

Identidad

Tres células/tejidos de la línea germinal diferenciados a partir de iPSC: neuronas ( ectodermo ), cartílago (hueso blando, mesodermo ) y células caliciformes en el intestino ( endodermo ).

Las células madre pluripotentes inducidas son similares a las células madre pluripotentes naturales, como las células madre embrionarias, en muchos aspectos, como la expresión de ciertos genes y proteínas de células madre, los patrones de metilación de la cromatina , el tiempo de duplicación, la formación del cuerpo embrionario , la formación de teratomas , la formación de quimeras viables y la potencia y diferenciabilidad, pero aún se está evaluando el alcance total de su relación con las células madre pluripotentes naturales. [1]

Se encontró que la expresión génica y las H3K4me3 y H3K27me3 a nivel de genoma eran extremadamente similares entre las células ES y las iPS. [57] [ cita requerida ] Las iPSC generadas fueron notablemente similares a las células madre pluripotentes aisladas naturalmente (como las células madre embrionarias de ratón y humanas, mESC y hESC, respectivamente) en los siguientes aspectos, lo que confirma la identidad, autenticidad y pluripotencia de las iPSC con respecto a las células madre pluripotentes aisladas naturalmente:

Seguridad

Investigación médica

La tarea de producir células iPS sigue siendo un desafío debido a los seis problemas mencionados anteriormente. Un compromiso clave que superar es el que existe entre la eficiencia y la integración genómica. La mayoría de los métodos que no dependen de la integración de transgenes son ineficientes, mientras que los que sí dependen de la integración de transgenes enfrentan los problemas de la reprogramación incompleta y la génesis tumoral, aunque se ha intentado una gran cantidad de técnicas y métodos. Otro gran conjunto de estrategias es realizar una caracterización proteómica de las células iPS. [59] Estudios adicionales y nuevas estrategias deberían generar soluciones óptimas para los cinco desafíos principales. Un enfoque podría intentar combinar los atributos positivos de estas estrategias en una técnica en última instancia efectiva para reprogramar células a células iPS.

Otro enfoque es el uso de células iPS derivadas de pacientes para identificar fármacos terapéuticos capaces de rescatar un fenotipo. Por ejemplo, las líneas de células iPS derivadas de pacientes afectados por el síndrome de displasia ectodérmica (EEC), en el que el gen p63 está mutado, muestran un compromiso epitelial anormal que podría ser rescatado parcialmente por un compuesto pequeño. [68]

Modelado de enfermedades y desarrollo de fármacos

Una característica atractiva de las células iPS humanas es la capacidad de obtenerlas de pacientes adultos para estudiar la base celular de las enfermedades humanas. Dado que las células iPS se autorrenuevan y son pluripotentes, representan una fuente teóricamente ilimitada de células derivadas de pacientes que pueden convertirse en cualquier tipo de célula del cuerpo. Esto es particularmente importante porque muchos otros tipos de células humanas derivadas de pacientes tienden a dejar de crecer después de unos pocos pases en un cultivo de laboratorio. Se han generado células iPS para una amplia variedad de enfermedades genéticas humanas, incluidos trastornos comunes como el síndrome de Down y la enfermedad renal poliquística. [69] [70] [71] En muchos casos, las células iPS derivadas de pacientes presentan defectos celulares que no se observan en las células iPS de sujetos sanos, lo que proporciona información sobre la fisiopatología de la enfermedad. [72] [73] En 2012 se formó un proyecto de colaboración internacional, StemBANCC, para crear una colección de líneas de células iPS para la detección de fármacos para una variedad de enfermedades. Gestionado por la Universidad de Oxford , el esfuerzo reunió fondos y recursos de 10 compañías farmacéuticas y 23 universidades. El objetivo es generar una biblioteca de 1.500 líneas de células iPS que se utilizarán en pruebas tempranas de fármacos proporcionando un entorno de enfermedad humana simulado. [74] Además, la combinación de la tecnología de hiPSC y los indicadores de voltaje y calcio de moléculas pequeñas o codificados genéticamente proporcionó una plataforma a gran escala y de alto rendimiento para la detección de la seguridad de los fármacos cardiovasculares. [75] [76] [77] [78] [79]

Síntesis de órganos

Investigadores japoneses han publicado un estudio de prueba de concepto sobre el uso de células madre pluripotentes inducidas (iPSC) para generar órganos humanos para trasplantes . Se han cultivado "brotes hepáticos " humanos (iPSC-LB) a partir de una mezcla de tres tipos diferentes de células madre: hepatocitos (para la función hepática) obtenidos a partir de iPSC; células madre endoteliales (para formar el revestimiento de los vasos sanguíneos ) a partir de la sangre del cordón umbilical ; y células madre mesenquimales (para formar tejido conectivo ). Este nuevo enfoque permite que diferentes tipos de células se autoorganicen en un órgano complejo, imitando el proceso del desarrollo fetal . Después de crecer in vitro durante unos días, los brotes hepáticos se trasplantaron a ratones, donde el "hígado" se conectó rápidamente con los vasos sanguíneos del huésped y continuó creciendo. Lo más importante es que realizó funciones hepáticas regulares, como metabolizar fármacos y producir proteínas específicas del hígado. Estudios posteriores controlarán la longevidad del órgano trasplantado en el cuerpo del huésped (capacidad de integrarse o evitar el rechazo ) y si se transformará en tumores . [80] [81]

Regeneración de órganos

En 2021, se demostró en ratones un enfoque basado en la reprogramación de factores Yamanaka conmutables para la regeneración del corazón dañado sin formación de tumores, y tuvo éxito si la intervención se llevó a cabo inmediatamente antes o después de un ataque cardíaco. [82]

Reparación de tejidos

Las células de sangre del cordón umbilical embrionarias se indujeron a convertirse en células madre pluripotentes utilizando ADN plasmídico. Utilizando los marcadores endoteliales/pericíticos de la superficie celular CD31 y CD146 , los investigadores identificaron el "progenitor vascular", las células madre vasculares multipotentes de alta calidad. Después de que las células iPS se inyectaran directamente en el vítreo de la retina dañada de ratones, las células madre se injertaron en la retina, crecieron y repararon los vasos vasculares . [83] [84]

Se demostró que las células madre neurales derivadas de iPSC marcadas inyectadas en animales de laboratorio con lesiones cerebrales migraron a las lesiones y se observó cierta mejora en la función motora. [85]

Cardiomiocitos

Las células musculares cardíacas palpitantes, cardiomiocitos derivados de iPSC , se pueden producir en masa utilizando protocolos de diferenciación definidos químicamente. [86] [87] Estos protocolos normalmente modulan las mismas vías de señalización del desarrollo requeridas para el desarrollo del corazón . [88] Estos cardiomiocitos de iPSC pueden recapitular arritmias genéticas y respuestas a fármacos cardíacos, ya que exhiben el mismo trasfondo genético que el paciente del que se derivaron. [89] [90] [91] [92]

En junio de 2014, Takara Bio recibió una transferencia de tecnología de iHeart Japan, una empresa de capital de riesgo del Instituto de Investigación de Células iPS de la Universidad de Kioto, para hacer posible el uso exclusivo de tecnologías y patentes que inducen la diferenciación de células iPS en cardiomiocitos en Asia. La empresa anunció la idea de vender cardiomiocitos a empresas farmacéuticas y universidades para ayudar a desarrollar nuevos medicamentos para enfermedades cardíacas. [93]

El 9 de marzo de 2018, el Comité de Medicina Regenerativa Específica de la Universidad de Osaka aprobó oficialmente el primer plan de investigación clínica del mundo para trasplantar una "lámina miocárdica" hecha de células iPS al corazón de pacientes con insuficiencia cardíaca grave. La Universidad de Osaka anunció que había presentado una solicitud ante el Ministerio de Salud, Trabajo y Bienestar Social el mismo día.

El 16 de mayo de 2018, el plan de investigación clínica fue aprobado por el grupo de expertos del Ministerio de Salud, Trabajo y Bienestar Social con una condición. [94] [95]

En octubre de 2019, un grupo de la Universidad de Okayama desarrolló un modelo de cardiopatía isquémica utilizando cardiomiocitos diferenciados de células iPS. [96]

Glóbulos rojos

Aunque una pinta de sangre donada contiene alrededor de dos billones de glóbulos rojos y se recolectan más de 107 millones de donaciones de sangre en todo el mundo, todavía existe una necesidad crítica de sangre para transfusiones. En 2014, se sintetizaron glóbulos rojos tipo O en el Servicio Nacional de Transfusión de Sangre de Escocia a partir de células madre pluripotentes inducidas (iPSC). Se indujo a las células a convertirse en mesodermo y luego en glóbulos rojos y luego en glóbulos sanguíneos. El paso final fue hacer que expulsaran sus núcleos y maduraran adecuadamente. El tipo O puede transfundirse a todos los pacientes. No se esperaba que los ensayos clínicos en humanos comenzaran antes de 2016. [97]

Ensayo clínico

El primer ensayo clínico en humanos con iPSC autólogas fue aprobado por el Ministerio de Salud de Japón y se iba a realizar en 2014 en el Centro Riken de Biología del Desarrollo en Kobe . Sin embargo, el ensayo se suspendió después de que las nuevas leyes de medicina regenerativa de Japón entraran en vigor en noviembre de 2015. [98] Más específicamente, se fortaleció un conjunto existente de pautas para que tuviera fuerza de ley (anteriormente meras recomendaciones). [99] Las iPSC derivadas de células de la piel de seis pacientes con degeneración macular húmeda relacionada con la edad se reprogramaron para diferenciarse en células del epitelio pigmentario de la retina (EPR). La capa de células se trasplantaría a la retina afectada donde se extirpó el tejido EPR degenerado. El monitoreo de seguridad y restauración de la visión debía durar de uno a tres años. [100] [101]

En marzo de 2017, un equipo dirigido por Masayo Takahashi completó el primer trasplante exitoso de células de retina derivadas de iPS de un donante en el ojo de una persona con degeneración macular avanzada. [102] Sin embargo, se informó que ahora están teniendo complicaciones. [103] Los beneficios de usar iPSC autólogas son que teóricamente no hay riesgo de rechazo y que elimina la necesidad de usar células madre embrionarias. Sin embargo, estas iPSC se derivaron de otra persona. [101]

Actualmente se están llevando a cabo nuevos ensayos clínicos con células madre pluripotentes in vitro no solo en Japón, sino también en Estados Unidos y Europa. [104] Una investigación realizada en 2021 en el registro de ensayos Clinicaltrials.gov identificó 129 listados de ensayos que mencionaban células madre pluripotentes in vitro, pero la mayoría no eran intervencionistas. [105]

Estrategia para la obtención de células madre pluripotentes universales

Para que las tecnologías de medicina regenerativa basadas en iPSC estén disponibles para más pacientes, es necesario crear iPSC universales que puedan trasplantarse independientemente de los haplotipos de HLA . La estrategia actual para la creación de iPSC universales tiene dos objetivos principales: eliminar la expresión de HLA y prevenir los ataques de las células NK debido a la eliminación de HLA. Se ha informado que la eliminación de los genes B2M y CIITA utilizando el sistema CRISPR/Cas9 suprime la expresión de HLA de clase I y clase II, respectivamente. Para evitar los ataques de las células NK, se ha utilizado la transducción de ligandos que inhiben las células NK, como HLA-E y CD47 . [106] HLA-C se deja sin cambios, ya que los 12 alelos comunes de HLA-C son suficientes para cubrir el 95% de la población mundial. [106]

Propiedades antienvejecimiento

Una célula madre mesenquimal multipotente, cuando se la induce a la pluripotencia, es muy prometedora para frenar o revertir los fenotipos del envejecimiento. Estas propiedades antienvejecimiento se demostraron en los primeros ensayos clínicos en 2017. [107] En 2020, los investigadores de la Universidad de Stanford concluyeron, después de estudiar ratones ancianos, que las células humanas viejas, cuando se las somete a los factores de Yamanaka, podrían rejuvenecer y volverse casi indistinguibles de sus contrapartes más jóvenes. [108]

Véase también

Referencias

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