Las células miosatélites , 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 musculares esqueléticas diferenciadas. [2] Tienen el potencial de proporcionar mionúcleos adicionales a su fibra muscular original o volver a un estado inactivo. [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 estar en surcos paralelos o transversales al eje longitudinal de la fibra. Su distribución a través de la fibra puede variar significativamente. Las células miosatélites quiescentes y no proliferativas, que se encuentran junto a los músculos esqueléticos en reposo, se pueden identificar por su ubicación distintiva entre el sarcolema y la lámina basal, una alta relación de volumen nuclear a citoplasmático, pocos orgánulos (por ejemplo, ribosomas, retículo endoplasmático, 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 pueden 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 experimentan división celular. En respuesta a la tensión mecánica, las células satélite se activan . Las células satélite activadas proliferan inicialmente como mioblastos esqueléticos antes de experimentar la 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 en la musculatura de la cabeza tienen un programa de desarrollo único, [7] y son Pax3-negativas. Además, tanto las células satélite humanas inactivas como las activadas pueden identificarse por la molécula de adhesión celular neuronal unida a la membrana (N-CAM/CD56/Leu-19), una glucoproteína de la superficie celular. El factor nuclear del miocito (MNF) y el protooncogén c-met (receptor del factor de crecimiento de los hepatocitos ( HGF )) son marcadores menos utilizados. [2]
Los marcadores CD34 y Myf5 definen específicamente la mayoría de las células satélite quiescentes. [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 forma 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 básicos miogénicos hélice-bucle-hélice MyoD , miogenina y MRF4 , todos ellos responsables de la inducción de genes específicos de los 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 sufre las mismas dificultades técnicas que otros campos de las células madre. Los estudios se basan casi exclusivamente en la citometría de flujo y el análisis de separación de células activadas por fluorescencia (FACS), que no proporciona información sobre el linaje o el comportamiento celular. Por ello, el nicho de las células satélite 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 de debajo de la membrana basal , que se activan y vuelven a entrar en el ciclo celular. Estas células en división se conocen como el "grupo de amplificación de tránsito" antes de experimentar una diferenciación miogénica para formar nuevos miotubos (posmitóticos). También hay evidencia que sugiere que estas células son capaces de fusionarse con 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 perjudicar la función muscular y es una parte importante de la patología de las distrofias musculares .
Las células satélite proliferan tras un traumatismo muscular [11] y forman nuevas miofibras a través de un proceso similar al desarrollo muscular fetal. [12] Tras varias divisiones celulares, las células satélite comienzan a fusionarse con los miotubos dañados y experimentan más diferenciaciones y maduración, con núcleos periféricos como característica distintiva. [12] Una de las primeras funciones descritas para el IGF-1 fue su participación en la proliferación y diferenciación de las 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 de las células satélite y los mionúcleos. 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 que incluyen 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 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 causa la diferenciación de las células satélite proliferantes. [18]
Los estudios realizados en humanos han demostrado que tanto el entrenamiento de alta resistencia como el entrenamiento de resistencia han producido un aumento en la cantidad de células satélite. [9] [19] Estos resultados sugieren que un régimen de entrenamiento de resistencia ligero puede ser útil para contrarrestar la disminución de células satélite relacionada 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 p21 . Esto es coherente con el hecho de que la regulación positiva de ciclina D1 y p21 se correlaciona con la división y diferenciación de las células. [3]
También se ha demostrado la activación de las células satélite 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 musculares estimulados. Además, se ha demostrado que las células satélite se fusionan con las fibras musculares, desarrollando nuevas fibras musculares. [20] Otra evidencia ultraestructural de las células satélite activadas incluye una mayor concentración del aparato de Golgi y vesículas pinocíticas. [21]
Las células satélite tienen un papel crucial en la regeneración muscular debido a su capacidad de proliferar, diferenciarse y autorenovarse. Antes de una lesión grave en el músculo, las células satélite están en un estado latente. Puede ocurrir una ligera proliferación en momentos de lesiones leves, pero las lesiones mayores requieren un mayor número de células satélite para activarse. La activación de las células satélite desde su estado latente se controla a través de señales 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 acomodar el equilibrio entre los estados latente y activo. [22] En momentos de lesión, las células satélite en las miofibras reciben señales para proliferar de las proteínas en el músculo esquelético aplastado. Las miofibras son elementos fundamentales en el músculo formados por miofibrillas de actina y miosina. Las proteínas responsables de la señalización de la activación de las células satélite se denominan mitógenos. Un mitógeno es una proteína pequeña que induce a una célula a entrar en el ciclo celular. Cuando las células reciben señales de las neuronas, esto hace que las miofibras se despolaricen y liberen calcio del retículo sarcoplásmico. La liberación de calcio induce a los filamentos de actina y miosina a moverse y contraer el músculo. Los estudios encontraron que las células satélite trasplantadas en miofibras apoyaron múltiples regeneraciones de nuevo tejido muscular. Estos hallazgos respaldan la hipótesis de que las células satélite son las células madre en los músculos. Dependiendo de su posición relativa con respecto a las células hijas en las miofibras, las células satélite experimentan una división asimétrica y simétrica. El nicho y la ubicación determinan 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 mionúcleos. Las lesiones menores de las actividades diarias se pueden reparar sin inflamación ni muerte celular. Las lesiones mayores contribuyen a la necrosis de las miofibras, la inflamación y hacen que las células satélite se activen y proliferen. El proceso de necrosis de las miofibras a la formación de las 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 esenciales para la regeneración muscular. Este proceso comienza con la muerte de las fibras musculares dañadas, donde la disolución del sarcolema de las miofibras conduce a un aumento de la permeabilidad de las miofibras. La alteración de la integridad de las miofibras se observa en el aumento de los niveles plasmáticos de proteínas musculares. La muerte de las miofibras impulsa un influjo de calcio desde el retículo sarcoplásmico para inducir la degradación tisular. Una respuesta inflamatoria sigue a la necrosis de las miofibras. Durante los períodos de crecimiento y regeneración muscular, las células satélite pueden viajar entre las miofibras y el músculo y sobre las barreras de tejido conectivo. Las señales del entorno dañado inducen estos cambios de comportamiento en las células satélite. [23]
Con una estimulación mínima, las células satélite in vitro o in vivo experimentarán un programa de diferenciación miogénica.
Desafortunadamente, parece que las células satélite trasplantadas tienen una capacidad limitada para migrar y solo pueden regenerar el músculo en la región del sitio de administración. Como tal, los tratamientos sistémicos o incluso el tratamiento de un músculo entero de esta manera no son posibles. 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 usar estos tipos de células para la terapia en enfermedades musculares es que se pueden administrar sistémicamente, migrando de forma autónoma al sitio de la lesión. Recientemente, ha tenido especial éxito la administración de células mesoangioblastos en el modelo de perro Golden Retriever de distrofia muscular de Duchenne , que curó eficazmente la enfermedad. [24] Sin embargo, el tamaño de muestra utilizado fue relativamente pequeño y desde entonces el estudio ha sido criticado por la falta de controles apropiados para el uso de medicamentos 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. Si bien PAX3 y PAX7 juntos forman actualmente los marcadores satélite definitivos, los genes Pax son notoriamente malos activadores transcripcionales. La dinámica de activación y quiescencia y la inducción del programa miogénico a través de los factores reguladores miogénicos Myf5 , MyoD , miogenina 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 cinasa 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 las convierte en un objetivo primordial para el campo del cultivo de carne . Estas células satélite son la fuente principal de la mayor parte de la formación de células musculares postnatales, y los mioblastos embrionarios son responsables de la generación muscular prenatal. Una sola célula satélite puede proliferar y convertirse en una mayor cantidad de células musculares. [28]
Con el entendimiento 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 hacer fibras, las células musculares podrían luego usarse para la producción de alimentos. [29] Esta teoría ha demostrado ser cierta con 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 de células. 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 implica aislar y clasificar las células miosatélites de la fuente de células seleccionada. Después de separarlas en los componentes celulares, las células miosatélites deben proliferarse mediante el uso de un biorreactor , un dispositivo utilizado para cultivar microorganismos o células en un medio que se puede controlar fácilmente. [32] Cualquier medio elegido simulará que las células están en condiciones óptimas 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, inorgánicos como la poliacrilamida , o una mezcla de ambos. [33] Una vez que las células se han adherido al andamio y madurado por completo, se han convertido en un producto de carne cruda. El paso final incluirá cualquier proceso alimentario necesario para el producto final deseado. [34]