En genética y biología del desarrollo , la transferencia nuclear de células somáticas ( SCNT ) es una estrategia de laboratorio para crear un embrión viable a partir de una célula del cuerpo y un óvulo . La técnica consiste en tomar un ovocito (óvulo) desnucleado e implantar un núcleo donante a partir de una célula somática (del cuerpo). Se utiliza tanto en clonación terapéutica como reproductiva . En 1996, la oveja Dolly se hizo famosa por ser el primer caso exitoso de clonación reproductiva de un mamífero. [1] En enero de 2018, un equipo de científicos en Shanghai anunció la clonación exitosa de dos macacos cangrejeros hembras (llamados Zhong Zhong y Hua Hua ) a partir de núcleos fetales. [2]
" Clonación terapéutica " se refiere al uso potencial de SCNT en medicina regenerativa ; Este enfoque ha sido defendido como una respuesta a los numerosos problemas relacionados con las células madre embrionarias (ESC) y la destrucción de embriones viables para uso médico, aunque quedan dudas sobre cuán homólogos son realmente los dos tipos de células.
La transferencia nuclear de células somáticas es una técnica de clonación en la que el núcleo de una célula somática se transfiere al citoplasma de un óvulo enucleado. Después de la transferencia de células somáticas, los factores citoplasmáticos afectan al núcleo para convertirse en cigoto. El óvulo desarrolla la etapa de blastocisto para ayudar a crear células madre embrionarias a partir de la masa celular interna del blastocisto. [3] El primer animal desarrollado mediante esta técnica fue la oveja Dolly, en 1996. [4]
El proceso de transferencia nuclear de células somáticas involucra dos células diferentes. El primero es un gameto femenino, conocido como óvulo (óvulo/ovocito). En los experimentos de SCNT en humanos, estos óvulos se obtienen a través de donantes que dan su consentimiento, utilizando estimulación ovárica. La segunda es una célula somática, refiriéndose a las células del cuerpo humano. Las células de la piel, las células grasas y las células del hígado son sólo algunos ejemplos. El material genético del óvulo donado se extrae y se descarta, dejándolo "desprogramado". Lo que queda es una célula somática y un óvulo enucleado. Luego se fusionan insertando la célula somática en el óvulo "vacío". [5] Después de ser insertado en el óvulo, el núcleo de la célula somática es reprogramado por su óvulo huésped. El óvulo, que ahora contiene el núcleo de la célula somática, es estimulado con un choque y comenzará a dividirse. El óvulo ahora es viable y capaz de producir un organismo adulto que contenga toda la información genética necesaria de un solo padre. El desarrollo se producirá normalmente y después de muchas divisiones mitóticas, la célula individual forma un blastocisto (un embrión en etapa temprana con aproximadamente 100 células) con un genoma idéntico al del organismo original (es decir, un clon). [6] Luego se pueden obtener células madre mediante la destrucción de este embrión clonado para su uso en clonación terapéutica o, en el caso de la clonación reproductiva, el embrión clonado se implanta en una madre huésped para su posterior desarrollo y su desarrollo.
La SCNT convencional requiere el uso de micromanipuladores , que son máquinas costosas que se utilizan para manipular células con precisión. [7] Usando el micromanipulador, un científico hace una abertura en la zona pelúcida y succiona el núcleo original del óvulo usando una pipeta. Luego hacen otra abertura para una pipeta diferente para inyectar el núcleo donante. [8] Alternativamente, se puede aplicar energía eléctrica para fusionar el óvulo vacío con una célula donante que contenga un núcleo. [7]
En 2001, científicos indios describieron una técnica alternativa denominada "clonación hecha a mano". Esta técnica no requiere el uso de un micromanipulador y se ha utilizado para la clonación de varias especies de ganado. [9] La eliminación del núcleo se puede realizar químicamente, mediante centrífuga o con el uso de una cuchilla. El óvulo vacío se pega a la célula donante con fitohemaglutinina y luego se fusiona mediante electricidad. (Si se utiliza una cuchilla, se requerirían dos pasos de fusión: la primera fusión es entre el donante y un medio óvulo vacío, la segunda entre el "semiembrión" de tamaño medio y otro medio óvulo vacío.) [ 7 ]
El trasplante nuclear de células somáticas se ha convertido en un foco de estudio en la investigación de células madre . El objetivo de la realización de este procedimiento es obtener células pluripotentes a partir de un embrión clonado. Estas células coincidían genéticamente con el organismo donante del que procedían. Esto les da la capacidad de crear células pluripotentes específicas para cada paciente, que luego podrían usarse en terapias o investigación de enfermedades. [10]
Las células madre embrionarias son células indiferenciadas de un embrión. Se considera que estas células tienen un potencial pluripotente porque tienen la capacidad de dar origen a todos los tejidos que se encuentran en un organismo adulto. Esta capacidad permite que las células madre creen cualquier tipo de célula, que luego podría trasplantarse para reemplazar las células dañadas o destruidas. La controversia rodea al trabajo con ESC en humanos debido a la destrucción de embriones humanos viables, lo que lleva a los científicos a buscar métodos alternativos para obtener células madre pluripotentes, la SCNT es uno de esos métodos.
Un uso potencial de células madre genéticamente compatibles con un paciente sería crear líneas celulares que tengan genes vinculados a la enfermedad particular de un paciente. Al hacerlo, se podría crear un modelo in vitro que sería útil para estudiar esa enfermedad en particular, descubrir potencialmente su fisiopatología y descubrir terapias. [11] Por ejemplo, si una persona con la enfermedad de Parkinson donara sus células somáticas, las células madre resultantes de la SCNT tendrían genes que contribuyen a la enfermedad de Parkinson. Luego se podrían estudiar líneas de células madre específicas de la enfermedad para comprender mejor la afección. [12]
Otra aplicación de la investigación con células madre SCNT es utilizar líneas de células madre específicas del paciente para generar tejidos o incluso órganos para trasplantar a un paciente específico. [13] Las células resultantes serían genéticamente idénticas a las del donante de células somáticas, evitando así cualquier complicación por el rechazo del sistema inmunológico . [12] [14]
Sólo un puñado de laboratorios en el mundo utilizan actualmente técnicas SCNT en la investigación de células madre humanas. En los Estados Unidos , científicos del Instituto de Células Madre de Harvard, la Universidad de California en San Francisco , la Universidad de Ciencias y Salud de Oregón , [15] Stemagen (La Jolla, CA) y posiblemente Advanced Cell Technology están investigando actualmente una técnica para utilizar células somáticas. Transferencia nuclear celular para producir células madre embrionarias . [16] En el Reino Unido , la Autoridad de Embriología y Fertilización Humana ha concedido permiso a grupos de investigación del Instituto Roslin y del Centro para la Vida de Newcastle . [17] La SCNT también puede estar ocurriendo en China. [18]
En 2005, un equipo de investigación de Corea del Sur dirigido por el profesor Hwang Woo-suk publicó afirmaciones de haber obtenido líneas de células madre mediante SCNT, [19] pero respaldó esas afirmaciones con datos inventados. [20] Evidencia reciente ha demostrado que, de hecho, creó una línea de células madre a partir de un partenote . [21] [22]
Aunque ha habido numerosos éxitos con la clonación de animales, quedan dudas sobre los mecanismos de reprogramación en el óvulo. A pesar de muchos intentos, el éxito en la creación de células madre embrionarias de transferencia nuclear humana ha sido limitado. Existe un problema en la capacidad de la célula humana para formar un blastocisto; las células no logran avanzar más allá de la etapa de desarrollo de ocho células. Se cree que esto se debe a que el núcleo de la célula somática no puede activar genes embrionarios cruciales para el desarrollo adecuado. Estos experimentos anteriores utilizaron procedimientos desarrollados en animales no primates con poco éxito.
Un grupo de investigación de la Universidad de Ciencias y Salud de Oregón demostró con éxito los procedimientos SCNT desarrollados para primates utilizando células de la piel. La clave de su éxito fue utilizar ovocitos en la metafase II (MII) del ciclo celular. Los óvulos en MII contienen factores especiales en el citoplasma que tienen una capacidad especial para reprogramar los núcleos de células somáticas implantadas en células con estados pluripotentes. Cuando se extrae el núcleo del óvulo, la célula pierde su información genética. Se ha atribuido a esto la razón por la cual los óvulos enucleados ven obstaculizada su capacidad de reprogramación. Se teoriza que los genes embrionarios críticos están físicamente vinculados a los cromosomas de los ovocitos, y la enucleación afecta negativamente a estos factores. Otra posibilidad es que retirar el núcleo del óvulo o insertar el núcleo somático provoque daños en el citoplasto, afectando la capacidad de reprogramación.
Teniendo esto en cuenta, el grupo de investigación aplicó su nueva técnica en un intento de producir células madre SCNT humanas. En mayo de 2013, el grupo de Oregón informó sobre la derivación exitosa de líneas de células madre embrionarias humanas obtenidas mediante SCNT, utilizando células de donantes fetales e infantiles. Utilizando ovocitos MII de voluntarias y su procedimiento SCNT mejorado, se produjeron con éxito embriones clonados humanos. Estos embriones eran de mala calidad, carecían de una masa celular interna sustancial y tenían un trofectodermo mal construido . Los embriones imperfectos impidieron la adquisición de ESC humana. La adición de cafeína durante la eliminación del núcleo del óvulo y la fusión de la célula somática y el óvulo mejoró la formación de blastocistos y el aislamiento de las ESC. Se descubrió que las ESC obtenidas eran capaces de producir teratomas, expresaban factores de transcripción pluripotentes y expresaban un cariotipo 46XX normal, lo que indica que estos SCNT eran, de hecho, similares a ESC. [15] Este fue el primer caso de uso exitoso de SCNT para reprogramar células somáticas humanas. Este estudio utilizó células somáticas fetales e infantiles para producir sus ESC.
En abril de 2014, un equipo de investigación internacional amplió este avance. Quedaba la cuestión de si se podría lograr el mismo éxito utilizando células somáticas adultas. Se pensaba que los cambios epigenéticos y relacionados con la edad posiblemente obstaculizaban la capacidad de reprogramación de las células somáticas adultas. Al implementar el procedimiento iniciado por el grupo de investigación de Oregón, pudieron cultivar células madre generadas por SCNT utilizando células adultas de dos donantes de 35 y 75 años, lo que indica que la edad no impide la capacidad de reprogramación de una célula. [23] [24]
A finales de abril de 2014, la New York Stem Cell Foundation logró crear células madre SCNT derivadas de células somáticas adultas. Una de estas líneas de células madre se derivó de células donantes de un diabético tipo 1. Luego, el grupo pudo cultivar con éxito estas células madre e inducir la diferenciación. Cuando se inyectó en ratones, se formaron con éxito células de las tres capas germinales. Las más importantes de estas células eran las que expresaban insulina y eran capaces de secretar la hormona. [25] Estas células productoras de insulina podrían usarse para la terapia de reemplazo en diabéticos, lo que demuestra un potencial terapéutico real de las células madre SCNT.
El impulso para la investigación con células madre basadas en SCNT se ha visto disminuido por el desarrollo y la mejora de métodos alternativos para generar células madre. En 2007 se desarrollaron en humanos métodos para reprogramar células corporales normales en células madre pluripotentes . Al año siguiente, este método logró un objetivo clave de la investigación con células madre basada en SCNT: la derivación de líneas de células madre pluripotentes que tienen todos los genes relacionados con diversas enfermedades. . [26] Algunos científicos que trabajan en la investigación de células madre basadas en SCNT han pasado recientemente a los nuevos métodos de células madre pluripotentes inducidas. Aunque estudios recientes han puesto en duda qué tan similares son las células iPS a las células madre embrionarias. La memoria epigenética en las iPS afecta el linaje celular en el que puede diferenciarse. Por ejemplo, una célula iPS derivada de una célula sanguínea que utilice únicamente los factores de yamanaka será más eficiente para diferenciarse en células sanguíneas, mientras que será menos eficiente para crear una neurona. [27] Sin embargo, estudios recientes indican que los cambios en la memoria epigenética de las iPSC que utilizan moléculas pequeñas pueden restablecerlas a un estado casi ingenuo de pluripotencia. [28] [29] Los estudios incluso han demostrado que a través de la complementación tetraploide, se puede crear un organismo viable completo únicamente a partir de iPSC. [30] Se ha descubierto que las células madre SCNT presentan desafíos similares. La causa de los bajos rendimientos en la clonación de SCNT bovinos se ha atribuido en los últimos años a la memoria epigenética previamente oculta de las células somáticas que se estaban introduciendo en el ovocito. [31]
Esta técnica es actualmente la base para la clonación de animales (como la famosa oveja Dolly ), [32] y ha sido propuesta como una posible forma de clonar humanos. El uso de SCNT en la clonación reproductiva ha resultado difícil y con un éxito limitado. Las elevadas muertes fetales y neonatales hacen que el proceso sea muy ineficiente. La descendencia clonada resultante también está plagada de trastornos del desarrollo y de la impronta en especies no humanas. Por estas razones, junto con las objeciones morales y éticas, la clonación reproductiva de humanos está prohibida en más de 30 países. [33] La mayoría de los investigadores creen que en el futuro previsible no será posible utilizar la técnica de clonación actual para producir un clon humano que se desarrolle hasta el término. Sigue siendo una posibilidad, aunque se requerirán ajustes críticos para superar las limitaciones actuales durante el desarrollo embrionario temprano en SCNT humano. [34] [35]
También existe la posibilidad de tratar enfermedades asociadas con mutaciones en el ADN mitocondrial. Estudios recientes muestran que la SCNT del núcleo de una célula del cuerpo afectada por una de estas enfermedades en un ovocito sano previene la herencia de la enfermedad mitocondrial. Este tratamiento no implica clonación pero produciría un niño con tres padres genéticos. Un padre proporciona un espermatozoide, una madre proporciona el núcleo del óvulo y otra madre proporciona el óvulo enucleado. [13]
En 2018 se informó de la primera clonación exitosa de primates mediante transferencia nuclear de células somáticas, el mismo método que la oveja Dolly , con el nacimiento de dos clones hembras vivas ( macacos cangrejeros llamados Zhong Zhong y Hua Hua ). [2] [36] [37] [38] [39]
La transferencia nuclear entre especies (iSCNT) es un medio de transferencia nuclear de células somáticas que se utiliza para facilitar el rescate de especies en peligro de extinción, o incluso para restaurar especies después de su extinción. La técnica es similar a la clonación SCNT , que normalmente se realiza entre animales domésticos y roedores, o cuando hay un suministro disponible de ovocitos y animales sustitutos. Sin embargo, la clonación de especies extintas o en grave peligro de extinción requiere el uso de un método alternativo de clonación. La transferencia nuclear entre especies utiliza un huésped y un donante de dos organismos diferentes que son especies estrechamente relacionadas y dentro del mismo género. En 2000, Robert Lanza logró producir un feto clonado de un gaur , Bos gaurus , combinándolo con éxito con una vaca doméstica, Bos taurus . [40]
La transferencia nuclear entre especies proporciona evidencia de la universalidad del mecanismo desencadenante de la reprogramación del núcleo celular. Por ejemplo, Gupta et al. [41] exploraron la posibilidad de producir embriones clonados transgénicos mediante transferencia nuclear de células somáticas entre especies (iSCNT) de células donantes de ganado vacuno, ratones y pollos en ovocitos de cerdo enucleados. Además, el medio NCSU23, que fue diseñado para el cultivo in vitro de embriones de cerdo, pudo respaldar el desarrollo in vitro de embriones iSCNT de ganado, ratones y pollo hasta la etapa de blastocisto . Además, el citoplasto de ovocitos ovinos se puede utilizar para remodelar y reprogramar células somáticas humanas hasta la etapa embrionaria. [42]
En 2017, nació el primer camello bactriano clonado a través de iSCNT, utilizando ovocitos de dromedario y fibroblastos de piel de un camello bactriano adulto como núcleos donantes. [43]
La transferencia nuclear de células somáticas (SCNT) puede ser ineficiente debido a las tensiones impuestas tanto en el óvulo como en el núcleo introducido. Esto puede dar como resultado un bajo porcentaje de células reprogramadas con éxito. Por ejemplo, en 1996 nació la oveja Dolly después de que se utilizaran 277 óvulos para SCNT, lo que creó 29 embriones viables, lo que le dio una miserable eficiencia del 0,3%. [44] Sólo tres de estos embriones sobrevivieron hasta el nacimiento, y sólo uno sobrevivió hasta la edad adulta. [32] Millie, la descendencia que sobrevivió, tomó 95 intentos para producir. [44] Debido a que el procedimiento no estaba automatizado y tenía que realizarse manualmente bajo un microscopio , la SCNT requería muchos recursos. Otra razón por la que existe una tasa de mortalidad tan alta entre las crías clonadas se debe a que el feto es más grande que incluso otras crías grandes, lo que provoca la muerte poco después del nacimiento. [44] La bioquímica involucrada en la reprogramación del núcleo de células somáticas diferenciadas y la activación del óvulo receptor también estaba lejos de entenderse. Otra limitación es intentar utilizar embriones unicelulares durante la SCNT. Cuando se utilizan solo embriones clonados de una sola célula, el experimento tiene un 65% de posibilidades de fallar en el proceso de formación de mórula o blastocisto. La bioquímica también tiene que ser extremadamente precisa, ya que la mayoría de las muertes de fetos clonados tardíos son el resultado de una placentación inadecuada. [44] Sin embargo, en 2014, los investigadores informaron tasas de éxito del 70-80% con la clonación de cerdos [45] y en 2016 se informó que una empresa coreana, Sooam Biotech, estaba produciendo 500 embriones clonados por día. [46]
En la SCNT, no se transfiere toda la información genética de la célula donante, ya que las mitocondrias de la célula donante que contienen su propio ADN mitocondrial quedan atrás. Las células híbridas resultantes conservan aquellas estructuras mitocondriales que originalmente pertenecían al óvulo. Como consecuencia, los clones como Dolly que nacen de SCNT no son copias perfectas del donante del núcleo. Este hecho también puede obstaculizar los beneficios potenciales de los tejidos y órganos derivados de SCNT para la terapia, ya que puede haber una respuesta inmunológica al ADNmt no propio después del trasplante.
Las técnicas de transferencia nuclear presentan un conjunto diferente de consideraciones éticas que las asociadas con el uso de otras células madre, como las células madre embrionarias, que son controvertidas por su requisito de destruir un embrión. Estas diferentes consideraciones han llevado a que algunas personas y organizaciones que no se oponen a la investigación con células madre embrionarias humanas se preocupen o se opongan a la investigación SCNT. [47] [48] [49]
Una preocupación es que la creación de blástulas en la investigación con células madre humanas basadas en SCNT conduzca a la clonación reproductiva de humanos. Ambos procesos utilizan el mismo primer paso: la creación de un embrión nuclear transferido, muy probablemente mediante SCNT. Quienes tienen esta preocupación a menudo abogan por una regulación estricta de la SCNT para impedir la implantación de cualquier producto derivado con fines de reproducción humana, [50] o su prohibición. [47]
Una segunda preocupación importante es la fuente adecuada de los óvulos que se necesitan. La SCNT requiere óvulos humanos , que sólo pueden obtenerse de mujeres. La fuente más común de estos óvulos en la actualidad son los óvulos que se producen en exceso de la necesidad clínica durante el tratamiento de FIV. Este es un procedimiento mínimamente invasivo, pero conlleva algunos riesgos para la salud, como el síndrome de hiperestimulación ovárica .
Una visión para terapias exitosas con células madre es crear líneas de células madre personalizadas para los pacientes. Cada línea de células madre personalizada consistiría en una colección de células madre idénticas, cada una de las cuales llevaría el propio ADN del paciente, reduciendo o eliminando así cualquier problema de rechazo cuando las células madre se trasplantaran para el tratamiento. Por ejemplo, para tratar a un hombre con la enfermedad de Parkinson, un núcleo celular de una de sus células sería trasplantado mediante SCNT a un óvulo de un donante de óvulos, creando un linaje único de células madre casi idénticas a las del propio paciente. (Habría diferencias. Por ejemplo, el ADN mitocondrial sería el mismo que el de la donante de óvulos. En comparación, sus propias células portarían el ADN mitocondrial de su madre).
Potencialmente, millones de pacientes podrían beneficiarse de la terapia con células madre, y cada paciente necesitaría una gran cantidad de óvulos donados para crear con éxito una única línea terapéutica personalizada de células madre. Un número tan grande de óvulos donados superaría el número de óvulos que actualmente quedan y están disponibles de parejas que intentan tener hijos mediante tecnología de reproducción asistida . Por lo tanto, sería necesario inducir a las mujeres jóvenes sanas a vender óvulos para utilizarlos en la creación de líneas de células madre personalizadas que luego podrían ser compradas por la industria médica y vendidas a los pacientes. Hasta el momento no está claro de dónde procederían todos estos óvulos.
Los expertos en células madre consideran poco probable que se produzcan cantidades tan grandes de donaciones de óvulos humanos en un país desarrollado debido a los desconocidos efectos a largo plazo en la salud pública que tiene el tratamiento de un gran número de mujeres jóvenes sanas con altas dosis de hormonas para inducir la hiperovulación. (ovulando varios óvulos a la vez). Aunque estos tratamientos se han realizado durante varias décadas, los efectos a largo plazo no se han estudiado ni se han declarado seguros de usar a gran escala en mujeres por lo demás sanas. Se sabe que los tratamientos a más largo plazo con dosis mucho más bajas de hormonas aumentan la tasa de cáncer décadas después. Se desconoce si los tratamientos hormonales para inducir la hiperovulación podrían tener efectos similares. También existen cuestiones éticas en torno al pago de los huevos. En general, la comercialización de partes del cuerpo se considera poco ética y está prohibida en la mayoría de los países. Los óvulos humanos han sido una notable excepción a esta regla durante algún tiempo.
Para abordar el problema de la creación de un mercado de óvulos humanos, algunos investigadores de células madre están investigando la posibilidad de crear óvulos artificiales. Si tiene éxito, no se necesitarían donaciones de óvulos humanos para crear líneas de células madre personalizadas. Sin embargo, esta tecnología puede estar muy lejos.
La SCNT que utiliza células humanas es actualmente legal para fines de investigación en el Reino Unido , ya que se incorporó a la Ley de Embriología y Fertilización Humana de 1990 . [51] [5] Se debe obtener permiso de la Autoridad de Embriología y Fertilización Humana para poder realizar o intentar la SCNT.
En los Estados Unidos, la práctica sigue siendo legal, ya que no ha sido abordada por la ley federal. [52] Sin embargo, en 2002, una moratoria sobre la financiación federal de los Estados Unidos para SCNT prohíbe financiar la práctica con fines de investigación. Por lo tanto, aunque es legal, el SCNT no puede recibir financiación federal. [53] Académicos estadounidenses han argumentado recientemente que debido a que el producto de la SCNT es un embrión clonado, en lugar de un embrión humano, estas políticas son moralmente incorrectas y deberían revisarse. [54]
En 2003, las Naciones Unidas adoptaron una propuesta presentada por Costa Rica , llamando a los estados miembros a "prohibir todas las formas de clonación humana en la medida en que sean incompatibles con la dignidad humana y la protección de la vida humana". [55] Esta frase puede incluir SCNT, según la interpretación.
El Convenio del Consejo de Europa sobre Derechos Humanos y Biomedicina y su Protocolo Adicional al Convenio para la Protección de los Derechos Humanos y la Dignidad del Ser Humano en lo que respecta a las Aplicaciones de la Biología y la Medicina, sobre la Prohibición de la Clonación de Seres Humanos, parecen prohibir la SCNT de los seres humanos. De los 45 estados miembros del Consejo, la Convención ha sido firmada por 31 y ratificada por 18. El Protocolo Adicional ha sido firmado por 29 países miembros y ratificado por 14. [56]