Las células madre neurales ( NSC ) son células multipotentes y autorrenovables que generan en primer lugar las células progenitoras gliales radiales que generan las neuronas y la glía del sistema nervioso de todos los animales durante el desarrollo embrionario . [1] Algunas células madre progenitoras neurales persisten en regiones muy restringidas del cerebro de los vertebrados adultos y continúan produciendo neuronas durante toda la vida. Las diferencias en el tamaño del sistema nervioso central se encuentran entre las distinciones más importantes entre las especies y, por tanto, las mutaciones en los genes que regulan el tamaño del compartimento de las células madre neurales se encuentran entre los impulsores más importantes de la evolución de los vertebrados. [2]
Las células madre se caracterizan por su capacidad de diferenciarse en múltiples tipos de células. [3] Se someten a una división celular simétrica o asimétrica en dos células hijas. En la división celular simétrica, ambas células hijas también son células madre. En la división asimétrica, una célula madre produce una célula madre y una célula especializada. [4] Las NSC se diferencian principalmente en neuronas , astrocitos y oligodendrocitos .
En el cerebro de los mamíferos adultos, la zona subgranular en la circunvolución dentada del hipocampo, la zona subventricular alrededor de los ventrículos laterales y el hipotálamo (precisamente en la región dorsal α1, α2 y la “región proliferativa hipotalámica”, ubicada en la eminencia media adyacente) Se ha informado que contienen células madre neurales [5] .
Hay dos tipos básicos de células madre: células madre adultas , que tienen una capacidad limitada para diferenciarse , y células madre embrionarias (ESC), que son pluripotentes y tienen la capacidad de diferenciarse en cualquier tipo de célula. [3]
Las células madre neurales son más especializadas que las CME porque solo generan células gliales radiales que dan origen a las neuronas y a la glía del sistema nervioso central (SNC). [4] Durante el desarrollo embrionario de los vertebrados, las NSC pasan a células gliales radiales (CGR), también conocidas como células progenitoras gliales radiales (RGP), y residen en una zona transitoria llamada zona ventricular (VZ). [1] [6] Las neuronas son generadas en grandes cantidades por (RGP) durante un período específico de desarrollo embrionario a través del proceso de neurogénesis , y continúan generándose en la vida adulta en regiones restringidas del cerebro adulto. [7] Las NSC adultas se diferencian en nuevas neuronas dentro de la zona subventricular adulta (SVZ), un remanente del neuroepitelio germinal embrionario , así como de la circunvolución dentada del hipocampo . [7]
Las NSC adultas se aislaron por primera vez del cuerpo estriado de un ratón a principios de los años 1990. Son capaces de formar neuroesferas multipotentes cuando se cultivan in vitro . Las neuroesferas pueden producir células especializadas que se renuevan y proliferan por sí mismas. Estas neuroesferas pueden diferenciarse para formar las neuronas, células gliales y oligodendrocitos específicos. [7] En estudios anteriores, se trasplantaron neuroesferas cultivadas en el cerebro de ratones neonatales inmunodeficientes y se demostró injerto, proliferación y diferenciación neuronal. [7]
Las NSC son estimuladas para comenzar la diferenciación a través de señales exógenas del microambiente o nicho de células madre. Algunas células neurales migran desde la SVZ a lo largo de la corriente migratoria rostral que contiene una estructura similar a una médula con células ependimarias y astrocitos cuando se estimula. Las células ependimarias y los astrocitos forman tubos gliales utilizados por los neuroblastos migratorios . Los astrocitos en los tubos brindan apoyo a las células migratorias, así como aislamiento de las señales eléctricas y químicas liberadas por las células circundantes. Los astrocitos son los principales precursores de la rápida amplificación celular. Los neuroblastos forman cadenas apretadas y migran hacia el sitio específico de daño celular para reparar o reemplazar las células neurales. Un ejemplo es un neuroblasto que migra hacia el bulbo olfatorio para diferenciarse en neuronas periglomerculares o granulares que tienen un patrón de migración radial en lugar de tangencial. [8]
La proliferación de células madre neuronales disminuye como consecuencia del envejecimiento . [9] Se han adoptado varios enfoques para contrarrestar este descenso relacionado con la edad. [10] Debido a que las proteínas FOX regulan la homeostasis de las células madre neurales , [11] las proteínas FOX se han utilizado para proteger las células madre neurales mediante la inhibición de la señalización Wnt . [12]
El factor de crecimiento epidérmico (EGF) y el factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) son mitógenos que promueven el crecimiento de células madre y progenitores neurales in vitro , aunque también se requieren otros factores sintetizados por las poblaciones de células madre y progenitores neurales para un crecimiento óptimo. [13] Se plantea la hipótesis de que la neurogénesis en el cerebro adulto se origina a partir de NSC. El origen y la identidad de las NSC en el cerebro adulto aún están por definirse.
El modelo más ampliamente aceptado de un NSC adulto es una célula positiva para proteína ácida fibrilar glial radial . Las células madre inactivas son de tipo B que pueden permanecer en estado inactivo debido al tejido renovable proporcionado por los nichos específicos compuestos por vasos sanguíneos, astrocitos, microglía , células ependimarias y matriz extracelular presentes en el cerebro. Estos nichos proporcionan alimento, soporte estructural y protección a las células madre hasta que son activadas por estímulos externos. Una vez activadas, las células tipo B se convierten en células tipo C, células intermedias en proliferación activa, que luego se dividen en neuroblastos que consisten en células tipo A. Los neuroblastos indiferenciados forman cadenas que migran y se desarrollan hasta convertirse en neuronas maduras. En el bulbo olfatorio, maduran hasta convertirse en neuronas granulares GABAérgicas, mientras que en el hipocampo maduran hasta convertirse en células granulares dentadas. [14]
Las modificaciones epigenéticas son reguladores importantes de la expresión genética en la diferenciación de células madre neurales . Las modificaciones epigenéticas clave incluyen la metilación de la citosina del ADN para formar 5-metilcitosina y la desmetilación de 5-metilcitosina . [15] [16] Estos tipos de modificación son fundamentales para la determinación del destino celular en el cerebro de los mamíferos adultos y en desarrollo.
La metilación del ADN citosina está catalizada por las ADN metiltransferasas (DNMT) . La desmetilación de la metilcitosina es catalizada en varios pasos distintos por enzimas TET que llevan a cabo reacciones oxidativas (p. ej., 5-metilcitosina a 5-hidroximetilcitosina ) y enzimas de la vía de reparación por escisión de bases del ADN (BER). [15]
Las NSC tienen un papel importante durante el desarrollo produciendo una enorme diversidad de neuronas, astrocitos y oligodendrocitos en el SNC en desarrollo. También desempeñan un papel importante en animales adultos, por ejemplo en el aprendizaje y la plasticidad del hipocampo en ratones adultos, además de suministrar neuronas al bulbo olfatorio en ratones. [7]
En particular, varios grupos de investigación de todo el mundo están aclarando el papel de las NSC durante las enfermedades. Las respuestas durante el accidente cerebrovascular , la esclerosis múltiple y la enfermedad de Parkinson en modelos animales y humanos son parte de la investigación actual. Los resultados de esta investigación en curso pueden tener aplicaciones futuras para tratar enfermedades neurológicas humanas. [7]
Se ha demostrado que las células madre neuronales participan en la migración y el reemplazo de neuronas moribundas en experimentos clásicos realizados por Sanjay Magavi y Jeffrey Macklis . [17] Utilizando un daño de las capas corticales inducido por láser , Magavi demostró que los progenitores neurales SVZ que expresan doblecortina , una molécula crítica para la migración de neuroblastos, migraron largas distancias hasta el área dañada y se diferenciaron en neuronas maduras que expresan el marcador NeuN . Además, el grupo japonés de Masato Nakafuku demostró por primera vez el papel de las células madre del hipocampo durante el accidente cerebrovascular en ratones. [18] Estos resultados demostraron que las NSC pueden afectar al cerebro adulto como resultado de una lesión. Además, en 2004 el grupo de Evan Y. Snyder demostró que las NSC migran a los tumores cerebrales de forma dirigida. Jaime Imitola , MD y colegas de Harvard demostraron por primera vez un mecanismo molecular para las respuestas de las NSC a las lesiones. Demostraron que las quimiocinas liberadas durante una lesión, como SDF-1a, eran responsables de la migración dirigida de NSC humanas y de ratón a las áreas de lesión en ratones. [19] Desde entonces se ha descubierto que otras moléculas participan en las respuestas de las NSC a las lesiones. Todos estos resultados han sido ampliamente reproducidos y ampliados por otros investigadores que se unieron al trabajo clásico de Richard L. Sidman en la autorradiografía para visualizar la neurogénesis durante el desarrollo, y a la neurogénesis en el adulto de Joseph Altman en la década de 1960, como evidencia de las respuestas de las actividades de los NSC adultos. y neurogénesis durante la homeostasis y la lesión.
La búsqueda de mecanismos adicionales que operen en el entorno de la lesión y cómo influyen en las respuestas de las NSC durante las enfermedades agudas y crónicas es un tema de intensa investigación. [20]
La muerte celular es una característica de los trastornos agudos del SNC, así como de las enfermedades neurodegenerativas. La pérdida de células se ve amplificada por la falta de capacidades regenerativas para el reemplazo y reparación celular en el SNC. Una forma de evitar esto es utilizar una terapia de reemplazo celular mediante NSC regenerativas. Las NSC se pueden cultivar in vitro como neuroesferas. Estas neuroesferas están compuestas de células madre neurales y progenitores (NSPC) con factores de crecimiento como EGF y FGF. La retirada de estos factores de crecimiento activa la diferenciación en neuronas, astrocitos u oligodendrocitos que pueden trasplantarse dentro del cerebro en el lugar de la lesión. Los beneficios de este enfoque terapéutico se han examinado en la enfermedad de Parkinson , la enfermedad de Huntington y la esclerosis múltiple . "Las NSPC inducen la reparación neuronal a través de propiedades intrínsecas de neuroprotección e inmunomodulación ". Algunas posibles rutas de trasplante incluyen el trasplante intracerebral y el xenotrasplante . [21] [22]
Para las enfermedades neurodegenerativas, otra terapia de trasplante que está surgiendo en la investigación es la inducción direccional de células madre neurales. [23] El trasplante directo de NCS es limitado y enfrenta desafíos debido a la baja tasa de supervivencia y la diferenciación irracional. Para superar las limitaciones, la inducción directa de NCS tiene como objetivo manipular la diferenciación de NCS antes del trasplante. Actualmente las NSC se obtienen a partir de tejidos primarios del SNC, la diferenciación de células madre pluripotentes (PSC) y la transdiferenciación de células somáticas. Las NCS inducidas pueden reprogramarse a partir de células somáticas. Por lo tanto, la inducción direccional toma NSC de diferentes fuentes y las obliga a diferenciarse en las células del linaje neuronal deseado. Un ejemplo del uso terapéutico de esta técnica es la diferenciación dirigida de neuronas dopaminérgicas (DAergénicas) del mesencéfalo ventral en diferentes modelos de EP. [23] Las terapias actuales para la enfermedad neurodegenerativa de la enfermedad de Parkinson (EP) incluyen la terapia de reemplazo de dopamina (DRT). Esto funciona para aliviar los síntomas de la EP, pero a medida que la enfermedad progresa, los mecanismos de alivio se ven afectados de forma no lineal. [24]
Un enfoque terapéutico alternativo para el trasplante de NSPC es la activación farmacológica de NSPC endógenas (eNSPC). Las eNSPC activadas producen factores neurotróficos; varios tratamientos que activan una vía que implica la fosforilación de STAT3 en el residuo de serina y la posterior elevación de la expresión de Hes3 ( STAT3-Ser/Hes3 Signaling Axis ) se oponen a la muerte neuronal y la progresión de la enfermedad en modelos de trastorno neurológico. [25] [26]
Las células progenitoras neurales derivadas del mesencéfalo humano (hmNPC) tienen la capacidad de diferenciar múltiples linajes de células neurales que conducen a neuroesferas, así como a múltiples fenotipos neurales. El hmNPC se puede utilizar para desarrollar un modelo 3D in vitro del SNC humano. Hay dos formas de cultivar los hmNPC, la monocapa adherente y los sistemas de cultivo de neuroesferas. El sistema de cultivo de neuroesferas se ha utilizado anteriormente para aislar y expandir células madre del SNC por su capacidad para agregar y proliferar hmNPC en condiciones de medios libres de suero, así como con la presencia de factor de crecimiento epidérmico (EGF) y factor de crecimiento de fibroblastos-2 (FGF2). ). Inicialmente, las hmNPC se aislaron y expandieron antes de realizar una diferenciación 2D que se utilizó para producir una suspensión unicelular . Esta suspensión unicelular ayudó a lograr una estructura 3D homogénea de tamaño de agregado uniforme. La agregación 3D formó neuroesferas que se utilizaron para formar un modelo 3D del SNC in vitro . [27]
La lesión cerebral traumática (LCT) puede deformar el tejido cerebral, provocando necrosis , daño primario que luego puede desencadenarse en cascada y activar daños secundarios como excitotoxicidad , inflamación , isquemia y ruptura de la barrera hematoencefálica . El daño puede intensificarse y eventualmente conducir a la apoptosis o muerte celular. Los tratamientos actuales se centran en prevenir daños mayores estabilizando el sangrado, disminuyendo la presión intracraneal y la inflamación e inhibiendo las cascadas proapoptóticas. Para reparar el daño causado por el TBI, una próxima opción terapéutica implica el uso de NSC derivadas de la región periventricular embrionaria. Las células madre se pueden cultivar en un entorno tridimensional favorable y poco citotóxico , un hidrogel , que aumentará la supervivencia de las NSC cuando se inyecte en pacientes con TBI. Se observó que las NSC preparadas e inyectadas intracerebralmente migraban al tejido dañado y se diferenciaban en oligodendrocitos o células neuronales que secretaban factores neuroprotectores. [28] [29]
La galectina-1 se expresa en NSC adultas y se ha demostrado que tiene un papel fisiológico en el tratamiento de trastornos neurológicos en modelos animales. Hay dos enfoques para utilizar las NSC como tratamiento terapéutico: (1) estimular las NSC intrínsecas para promover la proliferación con el fin de reemplazar el tejido lesionado y (2) trasplantar las NSC en el área del cerebro dañada para permitir que las NSC restauren el tejido. Se utilizaron vectores de lentivirus para infectar NSC humanas (hNSC) con Galectina-1 que luego se trasplantaron al tejido dañado. Las hNSC hGal-1 indujeron una recuperación cerebral mejor y más rápida del tejido lesionado, así como una reducción de los déficits motores y sensoriales en comparación con el trasplante de hNSC únicamente. [8]
Las células madre neurales se estudian habitualmente in vitro utilizando un método denominado ensayo de neuroesfera (o sistema de cultivo de neuroesfera), desarrollado por primera vez por Reynolds y Weiss. [30] Las neuroesferas son entidades celulares intrínsecamente heterogéneas formadas casi en su totalidad por una pequeña fracción (1 a 5%) de células madre neurales que se dividen lentamente y por su progenie, una población de células progenitoras positivas a nestina que se dividen rápidamente . [30] [31] [32] El número total de estos progenitores determina el tamaño de una neuroesfera y, como resultado, las disparidades en el tamaño de las esferas dentro de diferentes poblaciones de neuroesferas pueden reflejar alteraciones en el estado de proliferación, supervivencia y/o diferenciación de sus progenitores neuronales. De hecho, se ha informado que la pérdida de integrina β1 en un cultivo de neuroesferas no afecta significativamente la capacidad de las células madre deficientes en integrina β1 para formar nuevas neuroesferas, pero influye en el tamaño de la neuroesfera: las neuroesferas deficientes en integrina β1 en general más pequeño debido al aumento de la muerte celular y la reducción de la proliferación. [33]
Si bien el ensayo de neuroesfera ha sido el método elegido para el aislamiento, la expansión e incluso la enumeración de células madre neurales y progenitoras, varias publicaciones recientes han destacado algunas de las limitaciones del sistema de cultivo de neuroesferas como método para determinar las frecuencias de las células madre neurales. [34] En colaboración con Reynolds, STEMCELL Technologies ha desarrollado un ensayo basado en colágeno , llamado ensayo de células formadoras de colonias neuronales (NCFC), para la cuantificación de células madre neurales. Es importante destacar que este ensayo permite la discriminación entre células madre neurales y células progenitoras. [35]
La primera evidencia de que la neurogénesis ocurre en ciertas regiones del cerebro de los mamíferos adultos provino de estudios de etiquetado de [3H]-timidina realizados por Altman y Das en 1965 que mostraron neurogénesis postnatal en el hipocampo en ratas jóvenes. [36] En 1989, Sally Temple describió células madre y progenitoras multipotentes y autorrenovables en la zona subventricular (SVZ) del cerebro de ratón. [37] En 1992, Brent A. Reynolds y Samuel Weiss fueron los primeros en aislar células progenitoras neurales y células madre del tejido estriado adulto , incluida la SVZ, una de las áreas neurogénicas, del tejido cerebral de ratones adultos. [30] Ese mismo año, el equipo de Constance Cepko y Evan Y. Snyder fueron los primeros en aislar células multipotentes del cerebelo de ratón y las transfectaron de forma estable con el oncogén v-myc . [38] Esta molécula es uno de los genes ampliamente utilizados ahora para reprogramar células adultas no madre en células madre pluripotentes. Desde entonces, se han aislado células madre y progenitoras neurales de diversas áreas del sistema nervioso central adulto, incluidas áreas no neurogénicas, como la médula espinal , y de diversas especies, incluidos los humanos. [39] [40]
Medios relacionados con las células madre neuronales en Wikimedia Commons