2.7: Introducción a la biología de las células madre

Como su nombre lo indica, las células madre son los precursores de los que "derivan" muchos tipos diferentes de células. Se caracterizan por su potencia, o capacidad de diferenciarse en células a partir de las tres capas germinales, así como por su renovabilidad, o capacidad de generar más células madre. Con la esperanza de avanzar en los campos de la biología del desarrollo y la medicina regenerativa, los investigadores de células madre están trabajando para comprender cómo estas células únicas logran una hazaña tan importante.

Este video cubre los principales descubrimientos en el campo de la biología de las células madre, las preguntas clave formuladas por los científicos en este campo, los métodos destacados utilizados por los investigadores de células madre y las aplicaciones de la investigación con células madre.

Ahora que hemos introducido el concepto de células madre, profundicemos en la rica historia de la investigación con células madre.

En la década de 1960, los doctores Ernest McCulloch y James Till descubrieron algunas de las primeras pruebas definitivas de la existencia de células madre hematopoyéticas en la médula ósea de mamíferos adultos. Estas células tienen la capacidad de autorenovarse y son multipotentes, lo que significa que pueden diferenciarse en múltiples, pero limitados, tipos de células, a saber, las células de la sangre y el sistema inmunológico.

En 1988, Irving Weissman y sus colegas perfeccionaron un método para la purificación de células madre hematopoyéticas de médula ósea de ratón.

En 1981, la profesora Gail Martin acuñó el término "célula madre embrionaria". A diferencia de las células madre hematopoyéticas, las células madre embrionarias son pluripotentes y tienen la capacidad de diferenciarse en todos los tipos de células del cuerpo. Ella y los científicos Martin Evans y Matthew Kaufman, simultáneamente, pero por separado, desarrollaron métodos para extraer la masa celular interna de blastocistos de ratón y cultivarlos in vitro como células madre.

En 1998, más de diez años después del aislamiento de células madre embrionarias de ratón, el Dr. James Thomson estableció con éxito las primeras líneas de células madre embrionarias humanas.

En 2006, se produjo un gran avance con el advenimiento de las células madre pluripotentes inducidas, concebidas por el Dr. Shinya Yamanaka. Basándose en el trabajo de John Gurdon, Yamanaka desarrolló un método para reprogramar células diferenciadas a un estado pluripotente mediante el uso de retrovirus para inducir la expresión de un pequeño conjunto de factores de transcripción ahora conocidos como los "factores de Yamanaka". Las células resultantes se denominaron "células madre pluripotentes inducidas" o "iPSC". Estos experimentos se consideraron tan importantes que Yamanaka y Gurdon fueron galardonados con el Premio Nobel en 2012.

En la actualidad, disponemos de modelos iPSC de varias enfermedades humanas y plataformas de regeneración en múltiples tejidos.

Hoy en día, la investigación con células madre está impulsada por varias preguntas generales.

Una de las preguntas más importantes es: ¿cómo mantienen las células madre la pluripotencia y la renovabilidad? Hay dos características relacionadas de las células madre que confieren estas propiedades. En primer lugar, está la expresión de genes específicos esenciales para la formación y la autorrenovación. El segundo es la capacidad de respuesta de las células madre a los factores reguladores que afectan a la expresión de estos genes.

La siguiente pregunta lógica es: ¿cómo se dirige la diferenciación de las células madre? A medida que una célula madre se convierte en una célula madura, la activación de vías de diferenciación específicas induce cambios en la expresión génica, desactivando los genes de las células madre y activando los genes específicos de tejido, lo que da como resultado una mayor especialización de la función y la morfología de la célula.

Por último, abordemos la pregunta principal que impulsa la financiación de la investigación con células madre: ¿se pueden utilizar las células madre para tratar enfermedades? La medicina regenerativa está abordando esta cuestión de dos maneras: 1) mediante la regeneración de órganos en el laboratorio, y 2) mediante la administración de células madre mediante trasplante para tratar la degeneración de tejidos.

Ahora que hemos presentado algunas de las preguntas clave sobre la biología de las células madre, repasemos algunos de los métodos destacados utilizados para abordarlas.

tecnología de microarrays se puede emplear para descubrir qué genes confieren potencia y renovabilidad a las células madre. En esta técnica, el ARN total se aísla de una población de células, lo que actúa como una instantánea de la expresión génica actual. En una serie de pasos, este ARNm se convierte en una sonda marcada con fluorescencia y se hibrida en un chip que contiene transcripciones de todo el genoma humano. El escaneo de este chip proporciona una lectura de los perfiles de expresión génica relativos. Como puedes ver, una célula madre expresa un conjunto específico de genes que difiere de una célula diferenciada.

Otro ensayo para genes de pluripotencia involucra el sistema de detección Oct4-GFP. Oct4 es necesario para la autorrenovación y se regula rápidamente a la baja durante la diferenciación. Por lo tanto, su expresión actúa como un indicador confiable de "tallo". En este experimento, las células expresan proteína verde fluorescente bajo el control del promotor Oct4. Estas células pueden ser manipuladas experimentalmente, y los cambios en la expresión de GFP se analizan para identificar nuevos genes o factores solubles que modulan la autorrenovación.

Para estudiar las células madre in vitro, primero debemos entender cómo cultivarlas. Las células madre requieren un microambiente particular para mantener su tallo. Esto se puede lograr mediante el cocultivo de células madre con células alimentadoras, como los fibroblastos embrionarios de ratón o MEF. Los MEF segregan una mezcla compleja de factores necesarios de pluripotencia y autorrenovación.

A veces, es deseable tener cultivos de células madre sin alimentadores. El principal método para mantener líneas celulares libres de alimentadores es complementar los medios de cultivo celular con reactivos de crecimiento y factores inhibidores.

La diferenciación de las células madre in vitro se logra utilizando varios métodos. La expresión génica diferencial es, en última instancia, responsable de la especialización de las células. En el método de dos pasos que se ve aquí, las células madre embrionarias de ratón cultivadas se preparan para un destino neuronal antes de diferenciarse aún más con el medio de inducción de neuronas motoras. Estos factores activan vías específicas de expresión génica, lo que da lugar a cambios morfológicos y proteómicos característicos de las neuronas motoras.

Una de las principales desventajas de la diferenciación in vitro tradicional es que las placas planas restringen el crecimiento 3D de las células. El método de la gota colgante y los métodos de las microcápsulas evitan estos problemas. En la técnica de gotas colgantes, pequeñas gotas de suspensiones de células madre se colocan en la tapa de una placa de Petri y se cultivan boca abajo para formar agregados de células madre conocidas como cuerpos embrioides.

En los métodos de microencapsulación, las células madre se mezclan con una membrana semipermeable biocompatible llamada alginato y se depositan en forma de perlas en placas de cultivo celular. Ambos métodos permiten una mayor diferenciación en células especializadas, como neuronas dopaminérgicas y cardiomiocitos.

Saber cómo dirigir la diferenciación es un paso importante hacia el uso de células madre en medicina regenerativa. La terapia de trasplante de células madre tiene como objetivo tratar y curar enfermedades degenerativas mediante la reparación de tejidos dañados con células madre. En este experimento, las células somáticas de los pacientes se reprograman en células iPS a través de la infección lentivral de los factores Yamanaka. Desde su estado pluripotente, las células se diferencian en tipos específicos de células y se devuelven al huésped para reparar el tejido dañado.

Ahora que conoces algunos de los métodos utilizados para investigar las células madre, echemos un vistazo a cómo se aplican estos métodos en experimentos específicos.

En este experimento utilizando un modelo de ratón de esclerosis múltiple, se inyectan células madre neurales por vía intravenosa en ratones afectados. Se recogen trozos de cerebro de ratones tratados y se obtienen imágenes al microscopio para evaluar el éxito del trasplante. Las células derivadas de células precursoras neuronales donantes se rastrean utilizando el gen reportero LacZ. Como puede ver, varias células madre de donantes se han diferenciado e integrado en el sistema nervioso central de ratones enfermos.

No todas las dolencias se pueden tratar con inyecciones sistémicas. Las lesiones de cartílago, por ejemplo, requieren un andamiaje especializado para reconstruir. En este experimento, una mezcla de células madre mesenquimales y factores de coagulación se cultivan juntas para formar un coágulo. Luego, el coágulo se coloca en el cartílago dañado de la rodilla de un conejo y se permite que se integre. Después de este procedimiento, se puede observar la remodelación del cartílago de la rodilla a una articulación lisa y funcional.

A veces, los investigadores de células madre y los ingenieros de tejidos se unen para reconstruir órganos completos. En este experimento, los pulmones de los primates se lavan para descelularizar el órgano, dejando solo componentes estructurales no celulares. Este pulmón "fantasma" se transfiere a un biorreactor, donde se siembra con células madre vasculares y epiteliales. Para imitar aún más la presión y el comportamiento que experimenta un pulmón natural, el biorreactor hace circular los medios, mantiene los niveles de presión y gas, e infla los pulmones.

Acabas de ver el resumen de la biología de las células madre de JoVE. Para recapitular, en este video hemos discutido las células madre y su historia, métodos de mantenimiento, diferenciación y administración, y aplicaciones de las células madre. ¡Gracias por mirar!