El nicho de células madre se refiere a un microambiente, dentro de la ubicación anatómica específica donde se encuentran las células madre , que interactúa con las células madre para regular el destino celular. [1] La palabra 'nicho' puede hacer referencia al microambiente de células madre in vivo o in vitro . Durante el desarrollo embrionario, varios factores de nicho actúan sobre las células madre embrionarias para alterar la expresión genética e inducir su proliferación o diferenciación para el desarrollo del feto. Dentro del cuerpo humano, los nichos de células madre mantienen las células madre adultas en un estado inactivo, pero después de una lesión tisular, el microambiente circundante envía señales activas a las células madre para que promuevan la autorrenovación o la diferenciación para formar nuevos tejidos. Varios factores son importantes para regular las características de las células madre dentro del nicho: interacciones célula-célula entre células madre, así como interacciones entre células madre y células diferenciadas vecinas, interacciones entre células madre y moléculas de adhesión, componentes de la matriz extracelular , la tensión de oxígeno, También son importantes los factores de crecimiento, las citocinas y la naturaleza fisicoquímica del entorno, incluido el pH, la fuerza iónica (por ejemplo, la concentración de Ca 2+ ) y los metabolitos, como el ATP . [2] Las células madre y el nicho pueden inducirse mutuamente durante el desarrollo y enviar señales recíprocas para mantenerse mutuamente durante la edad adulta.
Los científicos están estudiando los diversos componentes del nicho e intentando replicar las condiciones del nicho in vivo in vitro . [2] Esto se debe a que para las terapias regenerativas, la proliferación y diferenciación celular debe controlarse en matraces o placas, de modo que se produzca una cantidad suficiente del tipo de célula adecuado antes de volver a introducirla en el paciente para la terapia.
Las células madre embrionarias humanas a menudo se cultivan en medios suplementados con suero fetal bovino que contienen factor de crecimiento fibrotástico 2. Se cultivan sobre una capa alimentadora de células, que se cree que contribuye a mantener las características pluripotentes de las células madre embrionarias. Sin embargo, incluso estas condiciones pueden no imitar realmente las condiciones de nicho in vivo .
Las células madre adultas permanecen en un estado indiferenciado durante toda la vida adulta. Sin embargo, cuando se cultivan in vitro , a menudo sufren un proceso de "envejecimiento" en el que su morfología cambia y su capacidad proliferativa disminuye. Se cree que es necesario mejorar las condiciones correctas de cultivo de las células madre adultas para que las células madre adultas puedan mantener su capacidad madre con el tiempo. [ cita necesaria ]
Una revisión de Nature Insight define el nicho de la siguiente manera:
"Las poblaciones de células madre se establecen en 'nichos', ubicaciones anatómicas específicas que regulan cómo participan en la generación, mantenimiento y reparación de tejidos. El nicho evita que las células madre se agoten, al tiempo que protege al huésped de una proliferación excesivamente exuberante de células madre. constituye una unidad básica de la fisiología de los tejidos, integrando señales que median la respuesta equilibrada de las células madre a las necesidades de los organismos. Sin embargo, el nicho también puede inducir patologías al imponer funciones aberrantes a las células madre u otros objetivos. crea el sistema dinámico necesario para sostener los tejidos y para el diseño definitivo de la terapia con células madre... La simple ubicación de las células madre no es suficiente para definir un nicho. El nicho debe tener dimensiones tanto anatómicas como funcionales". [3]
Aunque el concepto de nicho de células madre prevalecía en los vertebrados, la primera caracterización del nicho de células madre in vivo se realizó en el desarrollo germinal de Drosophila . [ cita necesaria ]
Mediante imágenes intravitales continuas en ratones, los investigadores pudieron explorar la estructura del nicho de las células madre y obtener el destino de las células madre individuales (SC) y su progenie a lo largo del tiempo in vivo. En particular, en la cripta intestinal, [4] se han identificado dos grupos distintos de SC: las "células madre fronterizas" ubicadas en la parte superior del nicho en la interfaz con las células amplificadoras de tránsito (TA) y las "células madre centrales" ubicadas en la base de la cripta. El potencial proliferativo de los dos grupos fue desigual y se correlacionó con la ubicación de las células (central o fronteriza). También se demostró que los dos compartimentos SC actuaron de acuerdo para mantener una población celular constante y un recambio celular constante. En un estudio de imágenes en vivo in vivo se informó una dependencia similar del potencial de autorrenovación de la proximidad al borde del nicho en el contexto del folículo piloso. [5]
Esta estructura bicompartimental del nicho de células madre se ha modelado matemáticamente para obtener la arquitectura óptima que conduzca al retraso máximo en la producción de mutantes de doble impacto. [6] Descubrieron que la arquitectura SC bicompartimental minimiza la tasa de producción de mutantes de dos impactos en comparación con el modelo de compartimento SC único. Además, la probabilidad mínima de generación de mutantes de doble impacto corresponde a una división puramente simétrica de SC con una gran tasa de proliferación de células madre fronterizas junto con una tasa de proliferación pequeña, pero distinta de cero, de células madre centrales. [ cita necesaria ]
Los nichos de células madre que albergan células en división continua, como los ubicados en la base de la glándula intestinal , se mantienen en un tamaño de población pequeño. Esto presenta un desafío para el mantenimiento de los tejidos multicelulares, ya que pequeñas poblaciones de individuos que se dividen asexualmente acumularán mutaciones nocivas a través de la deriva genética y sucumbirán a la fusión mutacional . [7] El modelado matemático de la glándula intestinal revela que el pequeño tamaño de la población dentro del nicho de células madre minimiza la probabilidad de que ocurra carcinogénesis en cualquier lugar, a expensas de mutaciones nocivas acumuladas gradualmente a lo largo de la vida del organismo, un proceso que contribuye a la degradación y el envejecimiento de los tejidos . [8] Por lo tanto, el tamaño de la población del nicho de células madre representa una compensación evolutiva entre la probabilidad de formación de cáncer y la tasa de envejecimiento.
Las células madre de la línea germinal (GSC) se encuentran en organismos que producen continuamente espermatozoides y óvulos hasta que son estériles. Estas células madre especializadas residen en el nicho de GSC, el sitio inicial para la producción de gametos, que está compuesto por GSC, células madre somáticas y otras células somáticas. En particular, el nicho de GSC está bien estudiado en el organismo modelo genético Drosophila melanogaster y ha proporcionado una amplia comprensión de las bases moleculares de la regulación de las células madre. [ cita necesaria ]
En Drosophila melanogaster , el nicho GSC reside en la región más anterior de cada ovariola , conocida como germario. El nicho de GSC consta de células somáticas necesarias: células de filamento terminal, células de caperuza, células de escolta y otras células madre que funcionan para mantener las GSC. [9] El nicho de GSC contiene en promedio 2 a 3 GSC, que están directamente unidas a las células somáticas de la capa y a las células madre Escort, que envían señales de mantenimiento directamente a las GSC. [10] Las GSC se identifican fácilmente mediante tinción histológica contra la proteína vasa (para identificar células germinales) y la proteína 1B1 (para delinear las estructuras celulares y una estructura de fusoma específica de la línea germinal). Su unión física a las células del casquete es necesaria para su mantenimiento y actividad. [10] Una GSC se dividirá asimétricamente para producir un cistoblasto hijo, que luego pasa por 4 rondas de mitosis incompleta a medida que avanza por la ovariola (a través del proceso de ovogénesis ) y finalmente emerge como una cámara de óvulos maduros; El fusoma que se encuentra en las GSC funciona en la formación de quistes y puede regular las divisiones celulares asimétricas de las GSC. [11] Debido a las abundantes herramientas genéticas disponibles para su uso en Drosophila melanogaster y la facilidad de detectar GSC mediante tinciones histológicas , los investigadores han descubierto varias vías moleculares que controlan el mantenimiento y la actividad de las GSC. [12] [13]
Los ligandos decapentapléjico (Dpp) y de barco con fondo de vidrio (Gbb) de la proteína morfogenética ósea (BMP) se envían señales directamente a las GSC y son esenciales para el mantenimiento y la autorrenovación de las GSC. [14] La señalización de BMP en el nicho funciona para reprimir directamente la expresión de Bolsa de canicas ( Bam ) en las GSC, que está regulada positivamente en las células de cistoblastos en desarrollo. [15] La pérdida de función de dpp en el nicho da como resultado la desrepresión de Bam en las GSC, lo que resulta en una rápida diferenciación de las GSC. [10] Junto con la señalización de BMP, las células cap también envían señales a otras moléculas a las GSC: Yb y Piwi . Ambas moléculas son necesarias de forma no autónoma para las GSC para la proliferación; piwi también se requiere de forma autónoma en las GSC para la proliferación. [16] En el germario, la señalización de BMP tiene un efecto de corto alcance, por lo tanto, la unión física de las GSC a las células de la tapa es importante para el mantenimiento y la actividad. [ cita necesaria ]
Las GSC están unidas físicamente a las células de la tapa mediante uniones adherentes de Drosophila E-cadherina (DE-cadherina) y, si se pierde esta unión física, las GSC se diferenciarán y perderán su identidad como célula madre. [10] El gen que codifica la DE-cadherina, escopeta ( shg ), y un gen que codifica el ortólogo de Beta-catenina, armadillo , controlan este apego físico. [17] Una molécula de GTPasa, rab11, participa en el tráfico celular de DE-cadherinas. La eliminación de rab11 en las GSC da como resultado el desprendimiento de las GSC de las células de la tapa y la diferenciación prematura de las GSC. [18] Además, para la diferenciación de las células germinales se requiere un crecimiento poblacional cero ( zpg ), que codifica una unión gap específica de la línea germinal . [19]
"Tanto la dieta como la señalización similar a la insulina controlan directamente la proliferación de GSC en Drosophila melanogaster" . El aumento de los niveles de péptido similar a la insulina (DILP) de Drosophila a través de la dieta da como resultado una mayor proliferación de GSC. [20] La regulación positiva de los DILP en las GSC envejecidas y su nicho da como resultado un mayor mantenimiento y proliferación. [21] También se ha demostrado que los DILP regulan las cantidades de células de la tapa y regulan la unión física de las GSC a las células de la tapa. [21]
Hay dos mecanismos posibles para la renovación de las células madre, la división simétrica de GSC o la desdiferenciación de cistoblastos. Normalmente, las GSC se dividirán asimétricamente para producir un cistoblasto hijo, pero se ha propuesto que la división simétrica podría dar como resultado que las dos células hijas sigan siendo GSC. [22] [23] Si las GSC se eliminan para crear un nicho vacío y las células de la tapa todavía están presentes y envían señales de mantenimiento, los cistoblastos diferenciados pueden reclutarse en el nicho y desdiferenciarse en GSC funcionales. [24]
A medida que la hembra de Drosophila envejece, el nicho de células madre sufre una pérdida de presencia y actividad de GSC que depende de la edad. Se cree que estas pérdidas se deben en parte a la degradación de importantes factores de señalización del nicho que mantiene las GSC y su actividad. La disminución progresiva de la actividad de GSC contribuye a la reducción observada en la fecundidad de Drosophila melanogaster en la vejez; Esta disminución en la actividad de GSC se puede atribuir en parte a una reducción de la actividad de la vía de señalización en el nicho de GSC. [25] [26] Se ha descubierto que hay una reducción en la señalización de Dpp y Gbb a través del envejecimiento. Además de una reducción en la actividad de la vía de señalización de nicho, las GSC envejecen de forma autónoma. Además de estudiar la disminución de las señales provenientes del nicho, las GSC envejecen intrínsecamente; hay una reducción de la adhesión de las GSC a las células de la capa dependiente de la edad y hay una acumulación de especies reactivas de oxígeno (ROS), lo que resulta en daño celular que contribuye al envejecimiento de las GSC. Se observa una reducción en el número de células de la tapa y la unión física de las GSC a las células de la tapa a través del envejecimiento. Shg se expresa en niveles significativamente más bajos en un nicho de GSC antiguo en comparación con uno joven. [26]
Los machos de Drosophila melanogaster tienen cada uno dos testículos (estructuras largas, tubulares y enrolladas) y en la punta más anterior de cada uno se encuentra el nicho GSC. El nicho de GSC de los testículos se construye alrededor de una población de células centrales no mitóticas (también conocidas como células de nicho), a las que se adhieren dos poblaciones de células madre: las GSC y las células madre somáticas (SSC, también conocidas como células madre de quistes somáticos/células madre de quistes). . Cada GSC está rodeada por un par de SSC, aunque cada tipo de célula madre todavía está en contacto con las células centrales. De esta manera, el nicho de las células madre consta de estos tres tipos de células, ya que las células centrales no sólo regulan el comportamiento de GSC y SSC, sino que las células madre también regulan la actividad de las demás. El nicho GSC de Drosophila testis ha demostrado ser un valioso sistema modelo para examinar una amplia gama de procesos celulares y vías de señalización. [27]
El proceso de espermatogénesis comienza cuando las GSC se dividen asimétricamente, produciendo una GSC que mantiene el contacto central y un gonialblasto que sale del nicho. Las SSC se dividen con su pareja GSC, y su progenie no mitótica, las células del quiste somático (SCC, también conocidas como células del quiste), encerrarán el gonialblasto. Luego, el gonialblasto sufre cuatro rondas de divisiones sincrónicas que amplifican el tránsito con citocinesis incompleta para producir un quiste espermatogonial de dieciséis células. Este quiste espermatogonial luego se diferencia y crece hasta convertirse en un espermatocito, que eventualmente sufrirá meiosis y producirá esperma. [27]
Las dos principales vías de señalización molecular que regulan el comportamiento de las células madre en el nicho de GSC de los testículos son las vías de señalización Jak-STAT y BMP. La señalización de Jak-STAT se origina en las células centrales, donde el ligando Upd se secreta a las GSC y SSC. [28] [29] Esto conduce a la activación de Drosophila STAT, Stat92E, un factor de transcripción que afecta la adhesión de GSC a las células centrales, [30] y la autorrenovación de SSC a través de Zfh-1. [31] La señalización Jak-STAT también influye en la activación de la señalización BMP, a través de los ligandos Dpp y Gbb. Estos ligandos se secretan en las GSC desde las SSC y las células centrales, activan la señalización de BMP y suprimen la expresión de Bam, un factor de diferenciación. [32] Fuera del nicho, los gonialblastos ya no reciben ligandos BMP y son libres de comenzar su programa de diferenciación. Otras vías de señalización importantes incluyen MAPK y Hedgehog, que regulan el cierre de la línea germinal [33] y la autorrenovación de las células somáticas, [34] respectivamente.
El nicho de GSC murino en los machos, también llamado nicho de células madre espermatogoniales (SSC), se encuentra en la región basal de los túbulos seminíferos en los testículos. El epitelio seminífero está compuesto por células de Sertoli que están en contacto con la membrana basal de los túbulos, que separa las células de Sertoli del tejido intersticial que se encuentra debajo. Este tejido intersticial comprende células de Leydig, macrófagos, células mesenquimales, redes capilares y nervios. [35]
Durante el desarrollo, las células germinales primordiales migran hacia los túbulos seminíferos y descienden hacia la membrana basal mientras permanecen unidas a las células de Sertoli, donde posteriormente se diferenciarán en SSC, también conocidas como espermatogonias simples. [35] [36] Estas SSC pueden autorrenovarse o comprometerse a diferenciarse en espermatozoides tras la proliferación de espermatogonias individuales en espermatogonias apareadas. Las 2 células de las espermatogonias apareadas permanecen unidas por puentes intercelulares y posteriormente se dividen en espermatogonias alineadas, que se componen de 4 a 16 células conectadas. Las espermatogonias alineadas luego sufren meiosis I para formar espermatocitos y meiosis II para formar espermátidas que madurarán hasta convertirse en espermatozoides. [37] [38] Esta diferenciación ocurre a lo largo del eje longitudinal de las células de Sertoli, desde la membrana basal hasta la luz apical de los túbulos seminíferos. Sin embargo, las células de Sertoli forman uniones estrechas que separan las SSC y las espermatogonias en contacto con la membrana basal de los espermatocitos y las espermátidas para crear un compartimento basal y adluminal, por lo que los espermatocitos en diferenciación deben atravesar las uniones estrechas. [35] [39] Estas uniones estrechas forman la barrera hematotesticular (BTB) y se ha sugerido que desempeñan un papel en el aislamiento de células diferenciadas en el compartimiento adluminal de los factores secretados por el tejido intersticial y la vasculatura vecina al compartimiento basal. [35]
La membrana basal del túbulo seminífero es una forma modificada de matriz extracelular compuesta de fibronectina, colágenos y laminina. [35] La integrina β1 se expresa en la superficie de las SSC y participa en su adhesión al componente laminina de la membrana basal, aunque es probable que otras moléculas de adhesión también estén implicadas en la unión de las SSC a la membrana basal. [40] Se ha demostrado que la expresión de E cadherina en SSC en ratones, a diferencia de Drosophila , es prescindible ya que el trasplante de SSC cultivadas que carecen de E-cadherina puede colonizar los túbulos seminíferos del huésped y someterse a espermatogénesis. [41] Además, la barrera hematotesticular proporciona soporte arquitectónico y está compuesta por componentes de unión estrecha, como occludinas, claudinas y zonula occludens (ZO), que muestran expresión dinámica durante la espermatogénesis. [42] Por ejemplo, se ha demostrado que la claudina 11 es un componente necesario de estas uniones estrechas, ya que los ratones que carecen de este gen tienen una barrera sanguínea testicular defectuosa y no producen espermatozoides maduros. [40]
Se sabe que el GDNF (factor neurotrófico derivado de células gliales) estimula la autorrenovación de las SSC y es secretado por las células de Sertoli bajo la influencia de la gonadotropina FSH. El GDNF es un miembro relacionado de la superfamilia de factores de crecimiento TGFβ y, cuando se sobreexpresa en ratones, se observó un aumento en las espermatogonias indiferenciadas, lo que condujo a la formación de tumores germinales. [35] [40] En corroboración de su papel como factor de renovación, los ratones macho heterocigotos knockout para GDNF muestran una disminución de la espermatogénesis que eventualmente conduce a la infertilidad. [40] Además, se ha demostrado que la suplementación con GDNF extiende la expansión de las SSC de ratón en cultivo. Sin embargo, el receptor de GDNF c-RET y el correceptor GFRa1 no se expresan únicamente en las SSC sino también en Apaired y Aaligned, lo que demuestra que GDNF es un factor de renovación de Asingle a Aaligned en general en lugar de ser específico de la población de Asingle SSC. . También se ha demostrado que el FGF2 (factor de crecimiento de fibroblastos −2), secretado por las células de Sertoli, influye en la renovación de las SSC y las espermatogonias indiferenciadas de manera similar al GDNF. [35]
Aunque las células de Sertoli parecen desempeñar un papel importante en la renovación, expresan receptores para la testosterona secretada por las células de Leydig, mientras que las células germinales no contienen este receptor, aludiendo así a un papel importante de las células de Leydig en la mediación de la renovación. Las células de Leydig también producen CSF 1 (factor estimulante de colonias −1), para el cual las SSC expresan fuertemente el receptor CSF1R. [37] Cuando se agregó CSF 1 en cultivo con GDNF y FGF2 no se observó ningún aumento adicional en la proliferación; sin embargo, cuanto más tiempo permanecieron las células germinales en cultivo con CSF-1, mayor fue la densidad de SSC observada cuando estas células germinales se trasplantaron al huésped. túbulos seminíferos. Esto demostró que el LCR 1 es un factor de renovación específico que inclina las SSC hacia la renovación sobre la diferenciación, en lugar de afectar la proliferación de las SSC y las espermatogonias. También se ha demostrado que GDNF, FGF 2 y CSF 1 influyen en la autorrenovación de las células madre en otros tejidos de mamíferos. [35]
Plzf (dedo de zinc para leucemia promielocítica) también se ha implicado en la regulación de la autorrenovación del SSC y se expresa en espermatogonias simples, apareadas y alineadas. Plzf inhibe directamente la transcripción de un receptor, c-kit, en estas espermatogonias tempranas. Sin embargo, su ausencia en las espermatogonias tardías permite la expresión de c-kit, que posteriormente es activada por su ligando SCF (factor de células madre) secretado por las células de Sertoli, lo que da como resultado una mayor diferenciación. Además, se ha demostrado que la adición de BMP4 y Activina-A reduce la autorrenovación de las SSC en cultivo y aumenta la diferenciación de células madre, y se ha demostrado que BMP4 aumenta la expresión de c-kit. [37]
La espermatogénesis prolongada depende del mantenimiento de las SSC; sin embargo, este mantenimiento disminuye con la edad y conduce a la infertilidad. Los ratones de entre 12 y 14 meses de edad muestran una disminución del peso de los testículos, una reducción de la espermatogénesis y del contenido de SSC. Aunque se considera que las células madre tienen el potencial de replicarse infinitamente in vitro, los factores proporcionados por el nicho son cruciales in vivo. De hecho, para estimar el contenido de células madre se utilizó el trasplante en serie de SSC de ratones macho de diferentes edades a ratones jóvenes de 3 meses de edad, cuya espermatogénesis endógena había sido eliminada, dado que cada célula madre generaría una colonia de espermatogénesis. [35] [43] Los resultados de este experimento mostraron que las SSC trasplantadas podían mantenerse mucho más tiempo que su vida replicativa para su edad. Además, un estudio también demostró que las SSC de ratones jóvenes fértiles no podían mantenerse ni sufrir espermatogénesis cuando se trasplantaban a testículos de ratones viejos e infértiles. En conjunto, estos resultados apuntan hacia un deterioro del propio nicho de la CSS con el envejecimiento, en lugar de una pérdida de factores intrínsecos en la CSS. [43]
El nicho de las células madre hematopoyéticas de los vertebrados en la médula ósea está formado por células osteoblastos subendostales, células endoteliales sinusoidales y células estromales de la médula ósea (también llamadas a veces reticulares) que incluyen una mezcla de células fibroblastoides , monocíticas y adipocíticas (que comprenden el tejido adiposo de la médula ósea ). [1]
El nicho de las células madre del folículo piloso es uno de los más estudiados gracias a su relativa accesibilidad y su papel en enfermedades importantes como el melanoma . Se ha demostrado que el área abultada en la unión del músculo erector del pelo con la vaina del folículo piloso alberga células madre de la piel que pueden contribuir a todas las capas epiteliales de la piel. Estas células se mantienen mediante señalización en conjunto con células de nicho ; las señales incluyen señales paracrinas (por ejemplo, Sonic hedgehog ), autocrinas y yuxtacrinas . [44] La región abultada del folículo piloso depende de estas señales para mantener la fuerza de las células. El mapeo del destino o el rastreo del linaje celular ha demostrado que la progenie de células madre positivas para queratina 15 participa en todos los linajes epiteliales. [45] El folículo sufre una regeneración cíclica en la que estas células madre migran a varias regiones y se diferencian en el tipo de célula epitelial apropiado. Algunas señales importantes en el nicho de células madre del folículo piloso producidas por la papila dérmica mesenquimatosa o el bulto incluyen ligandos de BMP, TGF-β y factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) e inhibidores de Wnt. [46] Si bien las vías de señalización Wnt y la β-catenina son importantes para el mantenimiento de las células madre, [47] la sobreexpresión de β-catenina en los folículos pilosos induce un crecimiento inadecuado del cabello. Por lo tanto, estas señales, como los inhibidores de Wnt producidos por las células circundantes, son importantes para mantener y facilitar el nicho de las células madre. [48]
Se han utilizado organoides intestinales para estudiar nichos de células madre intestinales. Se puede utilizar un cultivo de organoides intestinales para evaluar indirectamente el efecto de la manipulación en las células madre mediante la evaluación de la supervivencia y el crecimiento del organoide. Las investigaciones que utilizan organoides intestinales han demostrado que la supervivencia de las células madre intestinales mejora con la presencia de neuronas y fibroblastos [49] y mediante la administración de IL-22 . [50]
Los nichos de células madre cardiovasculares se pueden encontrar dentro de la pared libre del ventrículo derecho, las aurículas y las vías de salida del corazón. Están compuestos por células progenitoras cardíacas (CPC) Isl1+/Flk1+ que se localizan en grupos discretos dentro de un ColIV y una matriz extracelular de laminina (ECM). La ColI y la fibronectina se encuentran predominantemente fuera de los grupos de CPC dentro del miocardio. Se ha utilizado la tinción inmunohistoquímica para demostrar que las CPC diferenciadoras, que migran desde los grupos progenitores hacia la ECM de ColI y fibronectina que rodea el nicho, regulan negativamente Isl1 mientras que regulan positivamente los marcadores cardíacos maduros como la troponina C. [51] una controversia actual sobre el papel de las células Isl1+ en el sistema cardiovascular. Si bien publicaciones importantes han identificado estas células como CPC y han encontrado un número muy grande en el corazón humano y murino, publicaciones recientes han encontrado muy pocas células Isl1+ en el corazón fetal murino y atribuyen su localización al nódulo sinoauricular, [52] que es conocida como un área que contribuye al marcapasos del corazón. El papel de estas células y su nicho están siendo objeto de intensas investigaciones y debates. [ cita necesaria ]
Los nichos de células madre neurales se dividen en dos: la zona subependimaria (SEZ) y la zona subgranular (SGZ).
La ZEE es un área delgada debajo de la capa de células ependimarias que contiene tres tipos de células madre neurales: células madre neurales (NSC) que se dividen con poca frecuencia, precursores amplificadores de tránsito (TaP) y neuroblastos (NB) que se dividen rápidamente. La matriz extracelular ( MEC ) de la ZEE tiene diferencias significativas en su composición en comparación con los tejidos circundantes. Recientemente, se describió que las células progenitoras, NSC, TaP y NB estaban unidas a estructuras de la ECM llamadas Fractones . [53] Estas estructuras son ricas en proteoglicanos de laminina, colágeno y sulfato de heparán . [54] Otras moléculas de la ECM, como la tenascina-C, las MMP y diferentes proteoglicanos, también están implicadas en el nicho de las células madre neurales. [55]
El tejido canceroso es morfológicamente heterogéneo, no sólo debido a la variedad de tipos de células presentes, endoteliales, fibroblastos y diversas células inmunitarias, sino que las células cancerosas en sí mismas tampoco constituyen una población homogénea. [ cita necesaria ]
De acuerdo con el modelo jerárquico de los tumores, las células madre cancerosas (CSC) se mantienen mediante señales contextuales bioquímicas y físicas que emanan del microambiente, llamado nicho de células madre cancerosas. [56] El nicho de CSC es muy similar al nicho de células madre normales ( células madre embrionarias (ESC), células madre adultas ASC) en su función (mantenimiento de la autorrenovación, estado indiferenciado y capacidad de diferenciación) y en las vías de señalización (Activina/ Noda, Akt/PTEN, JAK/STAT, PI3-K, TGF-β, Wnt y BMP). [57] Se plantea la hipótesis de que las CSC surgen de una señalización aberrante del microambiente y participan no solo en proporcionar señales de supervivencia a las CSC sino también en la metástasis mediante la inducción de la transición epitelial-mesenquimatosa (EMT). [ cita necesaria ]
La condición hipóxica en los nichos de células madre (ESC, ASC o CSC) es necesaria para mantener las células madre en un estado indiferenciado y también para minimizar el daño del ADN por oxidación. El mantenimiento del estado hipóxico está bajo el control de los factores de transcripción inducibles por hipoxia (HIF). [58] Los HIF contribuyen a la progresión tumoral, la supervivencia celular y la metástasis mediante la regulación de genes diana como VEGF, GLUT-1, ADAM-1, Oct4 y Notch. [57]
La hipoxia juega un papel importante en la regulación de los nichos de células madre cancerosas y la EMT mediante la promoción de HIF. [59] Estos HIF ayudan a mantener nichos de células madre cancerosas al regular genes de potencia importantes como Oct4 , Nanog , SOX2 , Klf4 y cMyc . [60] [61] Los HIF también regulan importantes genes supresores de tumores como p53 y genes que promueven la metástasis . [62] [63] Aunque los HIF aumentan la supervivencia de las células al disminuir los efectos del estrés oxidativo , también se ha demostrado que disminuyen factores como RAD51 y H2AX que mantienen la estabilidad genómica. [64] En la condición hipóxica hay un aumento de especies reactivas de oxígeno (ROS) intracelulares que también promueven la supervivencia de las CSC a través de la respuesta al estrés. [65] [66] ROS estabiliza HIF-1α, que promueve el protooncogén Met , que impulsa la metástasis o el escape motogénico en las células de melanoma . [67] Todos estos factores contribuyen al fenotipo de células madre cancerosas, por lo que a menudo se las denomina nicho de células madre hipóxicas. Los ambientes hipóxicos se encuentran a menudo en tumores donde las células se dividen más rápido de lo que puede ocurrir la angiogénesis . Es importante estudiar la hipoxia como un aspecto del cáncer porque se ha demostrado que los ambientes hipóxicos son resistentes a la radioterapia . [68] Se ha demostrado que la radiación aumenta las cantidades de HIF-1 . [69] La inducción de EMT por hipoxia a través de interacciones entre HIF-1α y ROS es crucial para la metástasis en cánceres como el melanoma . Se ha descubierto que muchos genes asociados con el melanoma están regulados por la hipoxia, como MXI1, FN1 y NME1. [70]
La transición epitelio-mesénquima es un proceso morfogenético, normalmente ocurre en la embriogénesis y que es "secuestrado" por las células madre cancerosas al desprenderse de su lugar primario y migrar a otro. A la diseminación le sigue una transición inversa, la llamada transición epitelial-mesenquimatosa (EMT). Este proceso está regulado por el microambiente de las CSC a través de las mismas vías de señalización que en la embriogénesis utilizando factores de crecimiento ( TGF-β , PDGF , EGF), citocina IL-8 y componentes de la matriz extracelular. Se ha demostrado que las interacciones de estos factores de crecimiento a través de transductores de señales intracelulares como la β-catenina inducen potencial metastásico. [71] [72] Una característica de la EMT es la pérdida de marcadores epiteliales (E-cadherina, citoqueratinas, claudina, oclusión, desmogleína, desmocolina) y ganancia de marcadores mesenquimales (N-cadherina, vimentina, fibronectina). [73]
También existe un cierto grado de similitud en la movilización de células madre normales y la invasión de metástasis de células madre cancerosas. Existe un papel importante de las metaloproteinasas de matriz (MMP), las principales enzimas que degradan la matriz extracelular; por ejemplo, las metaloproteinasas de matriz-2 y -9 son inducidas a la expresión y secreción por células estromales durante la metástasis del cáncer de colon mediante contacto directo o regulación paracrina. La siguiente molécula que comparte es el factor 1 derivado de células estromales (SDF-1). [73] [74]
La EMT y la progresión del cáncer también pueden ser desencadenadas por una inflamación crónica . Las funciones principales tienen moléculas (IL-6, IL-8, TNF-α, NFκB, TGF-β, HIF-1α) que pueden regular ambos procesos mediante la regulación de la señalización posterior que se superpone entre la EMT y la inflamación. [57] Las vías posteriores que participan en la regulación de las CSC son Wnt, SHH, Notch, TGF-β, RTKs-EGF, FGF, IGF, HGF.
NFκB regula la EMT, la migración y la invasión de CSC a través de Slug, Snail y Twist. La activación de NFκB conduce a un aumento no sólo de la producción de IL-6, TNF-α y SDF-1 sino también de la liberación de factores de crecimiento.
La fuente de producción de citoquinas son los linfocitos (TNF-α), las células madre mesenquimales (SDF-1, IL-6, IL8).
La interleucina 6 media la activación de STAT3. El alto nivel de STAT3 se describió en CSC aisladas de cáncer de hígado, hueso, cuello uterino y cerebro. La inhibición de STAT3 da como resultado una reducción dramática en su formación. Generalmente, la IL-6 aporta una ventaja de supervivencia a las células madre locales y, por tanto, facilita la tumorigénesis. [57]
El SDF-1α secretado por las células madre mesenquimales (MSC) tiene un papel importante en la localización y el mantenimiento de las células madre hematopoyéticas (HSC) en el nicho de la médula ósea, pero también en la localización y diseminación de las CSC. [74]
La hipoxia es el principal estimulante de la angiogénesis , siendo HIF-1α el principal mediador. La angiogénesis inducida por condiciones hipóxicas se denomina "interruptor angiogénico". HIF-1 promueve la expresión de varios factores angiogénicos: factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF), factor de crecimiento de fibroblastos básico (bFGF), factor de crecimiento similar a la placenta (PLGF), factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF) y factor de crecimiento epidérmico. Pero hay evidencia de que la expresión de agentes angiogénicos por parte de las células cancerosas también puede ser independiente de HIF-1. Parece que existe un papel importante de la proteína Ras, y que los niveles intracelulares de calcio regulan la expresión de genes angiogénicos en respuesta a la hipoxia. [73]
El interruptor angiogénico regula a la baja las proteínas supresoras de la angiogénesis, como la trombospondina, la angiostatina, la endostatina y la tumstatina. La angiogénesis es necesaria para el crecimiento del tumor primario. [ cita necesaria ]
Durante una lesión, las células de soporte pueden activar un programa de reparación, recapitulando aspectos del desarrollo en el área dañada. Estas áreas se vuelven permisivas para la renovación, migración y diferenciación de células madre. Por ejemplo, en el SNC, una lesión puede activar un programa de desarrollo en los astrocitos que les permite expresar moléculas que sustentan las células madre, como las quimiocinas, es decir, SDF-1 [75] y morfógenos como Sonic Hedgehog. [76]
Es evidente que las características biofisioquímicas de la ECM, como la composición, la forma, la topografía, la rigidez y la resistencia mecánica, pueden controlar el comportamiento de las células madre. Estos factores de la ECM son igualmente importantes cuando las células madre se cultivan in vitro. Si se puede elegir entre la interacción entre células de nicho y células madre y la interacción ECM-células madre, se prefiere imitar la ECM, ya que puede controlarse con precisión mediante técnicas de fabricación de andamios, parámetros de procesamiento o modificaciones posteriores a la fabricación. Para poder imitar, es esencial comprender las propiedades naturales de la ECM y su papel en los procesos de destino de las células madre. Se han realizado varios estudios que involucran diferentes tipos de andamios que regulan el destino de las células madre imitando estas propiedades de la ECM. [2] )
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