Esta revisión exhaustiva destaca los avances más significativos en la investigación con células madre durante las dos últimas décadas, mostrando cómo los científicos pueden ahora reprogramar células adultas en células madre pluripotentes capaces de convertirse en cualquier tipo celular del organismo. El artículo aborda cinco tipos principales de células madre—embrionarias, similares a embrionarias muy pequeñas, por transferencia nuclear, reprogramadas y adultas—cada una con fuentes y potencial clínico únicos. Los avances clave incluyen métodos mejorados de reprogramación mediante virus, ARN y compuestos químicos; sistemas de cultivo más seguros que evitan productos de origen animal; y tecnologías emergentes de bioimpresión 3D que podrían generar eventualmente tejidos y órganos trasplantables.

Avances recientes en investigación con células madre: de descubrimientos de laboratorio a aplicaciones en pacientes

Tabla de contenidos

• Introducción
• Fuentes de células madre pluripotentes
• Células madre embrionarias (CME)
• Células madre similares a embrionarias muy pequeñas (VSEL, por sus siglas en inglés)
• Células madre por transferencia nuclear (CMTN)
• Células madre reprogramadas (CMR)
• Células madre adultas
• Aplicaciones clínicas y direcciones futuras
• Consideraciones éticas
• Fuentes de información

Introducción

La investigación con células madre ha experimentado cambios revolucionarios durante los últimos 20 años, con avances particularmente rápidos en la última década. Este campo comenzó en 1961 cuando investigadores canadienses, los doctores James A. Till y Ernest A. McCulloch, descubrieron por primera vez células madre en médula ósea de ratón que podían diferenciarse en diversos tipos celulares, estableciendo el concepto de células madre pluripotentes (CMP)—células capaces de convertirse en cualquier tipo celular del organismo.

El campo alcanzó varios hitos críticos: la oveja Dolly fue clonada en 1996 mediante transferencia nuclear de células somáticas (TNCS), las primeras células madre embrionarias humanas (CMEh) se aislaron en 1998, y las células madre pluripotentes inducidas (CMPi) se crearon en 2006 reprogramando células adultas con solo cuatro factores de transcripción. La importancia de estos descubrimientos fue reconocida cuando Shinya Yamanaka y John Gurdon recibieron el Premio Nobel de 2012 por su trabajo demostrando que células maduras pueden reprogramarse a un estado pluripotente.

Los investigadores han identificado cinco categorías principales de células madre mediante revisión sistemática: células madre embrionarias (CME), células madre similares a embrionarias muy pequeñas (VSEL), células madre por transferencia nuclear (CMTN), células madre reprogramadas (CMR) y células madre adultas. Cada tipo ofrece ventajas y desafíos únicos para aplicaciones clínicas. Solo las CMTN han sido utilizadas para generar un organismo completo (monos en China, 2018), mientras otros tipos se han usado para generar tejidos y órganos.

Las células madre, particularmente CME y CMPi, muestran un enorme potencial en cuatro áreas principales: medicina regenerativa y de trasplante, modelado de enfermedades, cribado de descubrimiento de fármacos y biología del desarrollo humano. El campo continúa evolucionando desde descubrimientos iniciales hacia aplicaciones clínicas expandidas, aunque persisten desafíos—especialmente respecto al control de proliferación y diferenciación celular, ya que la tecnología de reprogramación de CMPi es aún relativamente novedosa.

Fuentes de células madre pluripotentes

Las células madre pluripotentes (CMP) se caracterizan por dos propiedades esenciales: auto-renovación (capacidad de proliferar) y potencia (capacidad de diferenciarse en tipos celulares especializados derivados de una de las tres capas germinales primarias: ectodermo, endodermo o mesodermo). Los investigadores utilizan tres ensayos principales para testar pluripotencia en modelos murinos.

El ensayo de formación de teratoma evalúa la generación espontánea de tejidos diferenciados de las tres capas germinales tras transplantar células en ratones inmunodeprimidos. El ensayo de formación de quimera prueba si las células madre contribuyen al desarrollo inyectándolas en embriones tempranos (blastocistos 2N) y comprobando si las células donantes tienen capacidad de transmisión germinal, generan gametos funcionales y mantienen integridad cromosómica. El ensayo de complementación tetraploide (4N) determina la capacidad de células pluripotentes dentro de un organismo completo inyectando células en embriones 4N y monitorizando estadios de crecimiento para linajes extra-embrionarios resultantes de las células madre transplantadas más que del embrión mismo.

Células madre embrionarias (CME)

Las células madre embrionarias humanas (CMEh) se obtienen de blastocistos en estadio temprano (4-5 días post-fertilización) ya sea destruyendo el blastocisto fuente o recolectando tejidos de estadio más avanzado (hasta 3 meses de edad gestacional). Estas fueron las primeras células madre aplicadas en investigación y siguen usándose comúnmente en ensayos clínicos hoy (según se registra en clinicaltrials.gov).

Las CMEh representan el estándar de referencia para pluripotencia pero conllevan preocupaciones éticas respecto a destrucción embrionaria y potenciales problemas de rechazo inmune cuando se transplantan a pacientes. A pesar de estos desafíos, continúan proporcionando insights valiosos en biología del desarrollo y sirven como comparadores importantes para tecnologías más recientes de células madre.

Células madre similares a embrionarias muy pequeñas (VSEL)

Un tipo novedoso de células madre pluripotentes llamado células madre similares a embrionarias muy pequeñas (VSEL, por sus siglas en inglés) ha mostrado potencial desde su identificación en 2006. Más de 20 laboratorios independientes han confirmado su existencia, aunque algunos grupos han cuestionado su validez. Estas células son pequeñas, de desarrollo temprano, encontradas en tejidos adultos que expresan marcadores de pluripotencia.

Las VSEL miden aproximadamente 3-5 micrómetros en ratones y 5-7 micrómetros en humanos (ligeramente más pequeñas que glóbulos rojos). Expresan marcadores de CME incluyendo SSEA, Oct-4A nuclear, Nanog y Rex1, junto con marcadores para células germinales primordiales migratorias como Stella y Fragilis. Su origen del desarrollo puede asociarse con depósitos de línea germinal en órganos en desarrollo durante embriogénesis.

Según un modelo propuesto en 2019, las VSEL se originan de células germinales primordiales y se diferencian en tres destinos potenciales: células madre mesenquimales (MSC), hemangioblastos (incluyendo células madre hematopoyéticas y células progenitoras endoteliales) y células madre comprometidas tisulares. Como células madre pluripotentes, las VSEL pueden tener la ventaja de poder diferenciarse a través de capas germinales en animales o humanos adultos, funcionando potencialmente como alternativa a células madre comprometidas tisulares unipotentes en adultos.

Las VSEL pueden superar varios problemas asociados con otros tipos de células madre: las controversias éticas de las CME y el riesgo de formación de teratoma (tumor) de las CMPi. Esto las hace particularmente prometedoras para futuros estudios y aplicaciones clínicas de células madre donde estas preocupaciones presentan barreras significativas.

Células madre por transferencia nuclear (CMTN)

Descubierta originalmente en 1996, la técnica de transferencia nuclear de células somáticas (TNCS) ha evolucionado gradualmente para generar células madre por transferencia nuclear (CMTN). Este proceso comienza implantando un núcleo donante de una célula somática totalmente diferenciada (como un fibroblasto) en un ovocito enucleado (célula ovular con núcleo removido).

La nueva célula ovular huésped entonces desencadena reprogramación genética del núcleo donante. Numerosas divisiones mitóticas de esta única célula en cultivo desarrollan un blastocisto (aproximadamente 100 células en embrión temprano), generando finalmente un organismo con ADN casi idéntico al organismo original—un clon del donante nuclear. El proceso puede producir tanto clonación terapéutica como reproductiva.

La oveja Dolly (1996) fue el primer clon reproductivo exitoso de un mamífero. Desde entonces, aproximadamente dos docenas de otras especies han sido clonadas. En enero de 2018, científicos chinos en Shanghái anunciaron la clonación exitosa de dos monos macacos hembra usando fibroblastos fetales vía TNCS—los primeros primates clonados por este método.

Crear primates clonados podría revolucionar la investigación de enfermedades humanas. Primates no humanos genéticamente uniformes podrían servir como modelos animales valiosos para biología de primates e investigación biomédica, ayudando a investigar mecanismos de enfermedad y dianas farmacológicas mientras reducen factores de confusión por variación genética y el número de animales de laboratorio necesarios. Esta tecnología podría combinarse con edición genómica CRISPR-Cas9 para crear modelos de primates genéticamente modificados de trastornos humanos como enfermedad de Parkinson y varios cánceres.

Compañías farmacéuticas han expresado alta demanda de monos clonados para testado de fármacos. Entusiasmados por esta prospectiva, Shanghái ha priorizado financiación para establecer un Centro Internacional de Investigación en Primates para producir animales de investigación clonados para uso internacional. La TNCS es única entre aproximaciones de células madre ya que puede generar un cuerpo vivo completo en lugar de solo láminas de células, tejidos o piezas de órganos, dándole ventajas biofisiológicas funcionales sobre CME y CMPi tanto para investigación básica como aplicación clínica.

Células madre reprogramadas (CMR)

Desde 2006 cuando Yamanaka y colegas generaron por primera vez células madre pluripotentes inducidas (CMPi), las tecnologías de reprogramación han progresado significativamente. Esto es especialmente cierto para métodos de reprogramación directa tanto en entornos de laboratorio (in vitro) como dentro de organismos vivos (in vivo) para producir linajes tisulares específicos usando factores de transcripción restringidos a linaje, modificaciones de señal de ARN, y moléculas pequeñas o compuestos químicos.

Estas aproximaciones directas omiten el paso de CMPi, produciendo células más precisas como células progenitoras neurales inducidas (CPNi) que están más cerca de linajes celulares diana como células neurales y subsecuentes neuronas motoras. Las células madre reprogramadas (CMR) se derivan aplicando cualquier método de laboratorio para reprogramar señales genéticas de células primarias, excluyendo la técnica TNCS.

Para superar desafíos éticos e inmunogénicos asociados con CMEh, las CMPi han emergido como una alternativa prometedora ya que se derivan de tejidos somáticos adultos. Las fuentes de CMPi humanas—incluyendo sangre, piel y orina—son abundantes. Debido a que las CMPi humanas pueden obtenerse de pacientes individuales, el rechazo inmune puede evitarse cuando se transplantan de vuelta al mismo paciente (trasplante autólogo).

Investigadores han desarrollado métodos para obtener CMPi humanas de células tubulares renales presentes en orina. Un protocolo requiriendo solo una muestra de orina de 30 ml es simple, relativamente rápido, costo-efectivo y universal (aplicable a pacientes de todas edades, géneros y orígenes raciales/étnicos). El procedimiento total involucra solo 2 semanas de cultivo celular y 3-4 semanas de reprogramación, produciendo altos rendimientos de CMPi con excelente potencial de diferenciación.

CMPi derivadas de orina recolectadas de muestras de orina limpia de chorro medio de 200 mL vía sistema de entrega con virus Sendai mostraron cariotipo normal (estructura cromosómica) y exhibieron potencial para diferenciarse en las tres capas germinales en ensayos de teratoma. Una subpoblación de células aisladas de orina mostró características de células progenitoras, incluyendo expresión en superficie celular de marcadores c-Kit, SSEA4, CD105, CD73, CD91, CD133 y CD44 que pueden distinguir entre linajes celulares de vejiga (urotelial, músculo liso, endotelial e intersticial), haciéndolas una fuente celular alternativa prometedora.

Células madre adultas

Las células madre adultas representan otra categoría importante de células madre encontradas en varios tejidos a lo largo del organismo. A diferencia de las células madre pluripotentes, estas son típicamente multipotentes—capaces de diferenciarse en un rango limitado de tipos celulares específicos de su tejido de origen.

Las fuentes comunes incluyen la médula ósea, el tejido adiposo, la pulpa dental y diversos órganos. Las células madre mesenquimales (CMM) se encuentran entre las células madre adultas más estudiadas y han mostrado potencial en el tratamiento de diagnósticos inflamatorios, la promoción de la reparación tisular y la modulación de respuestas inmunitarias.

Aunque son menos versátiles que las células madre pluripotentes, las células madre adultas ofrecen ventajas como menores preocupaciones éticas, menor riesgo de formación tumoral y un uso clínico establecido en procedimientos como el trasplante de médula ósea. La investigación continúa explorando su potencial completo y sus mecanismos de acción.

Aplicaciones Clínicas y Futuras Direcciones

La investigación con células madre ha progresado a través de investigación básica, estudios preclínicos y ahora ensayos clínicos en múltiples áreas de aplicación. Los avances en combinaciones de factores de reprogramación, métodos experimentales y elucidación de vías de señalización han contribuido a los primeros ensayos clínicos para trasplantes de células retinianas y trasplantes de médula espinal.

El campo continúa abordando desafíos relacionados con el control de la proliferación y diferenciación celular. Los investigadores están revisando sistemáticamente temas metodológicos que incluyen: inducción de pluripotencia mediante modificaciones genómicas; construcción de vectores novedosos con factores de reprogramación; promoción de la pluripotencia de células madre pluripotentes inducidas (iPSC) con moléculas pequeñas y vías de señalización genética; mejora de la reprogramación con microARN; inducción y potenciación de la pluripotencia de iPSC con compuestos químicos; generación de tipos celulares diferenciados específicos; y mantenimiento de la pluripotencia y estabilidad genómica de las iPSC.

Estos temas son cruciales para maximizar la eficacia de la generación y diferenciación de iPSC en preparación para la traducción clínica. Los avances en cultivo celular incluyen cultivos libres de alimentador, medios libres de xenocomponentes (evitando productos animales) y diversas técnicas aumentadas con biomateriales. Las tecnologías tridimensionales (3D) de cultivo celular y bioimpresión representan direcciones particularmente prometedoras, junto con recursos de células madre pluripotentes (PSC) y la reprogramación celular directa de segunda generación en organismos vivos.

Los objetivos a largo plazo de la investigación y clínica con células madre se centran en desarrollar tratamientos seguros y efectivos para diagnósticos que incluyen enfermedades neurodegenerativas, lesiones medulares, cardiopatías, diabetes y muchos otros trastornos donde el reemplazo celular o la regeneración tisular podrían proporcionar beneficios terapéuticos.

Consideraciones Éticas

La investigación con células madre continúa navegando importantes consideraciones éticas, particularmente en lo referente a células madre embrionarias y tecnologías de clonación. La destrucción de embriones humanos para investigación con células madre embrionarias humanas (hESC) sigue siendo controvertida en muchas sociedades y está regulada de manera diferente entre países.

Tecnologías emergentes como las iPSC ayudan a abordar algunas preocupaciones éticas al proporcionar fuentes alternativas de células pluripotentes sin destrucción embrionaria. Sin embargo, emergen nuevas cuestiones éticas respecto a la manipulación genética, el consentimiento para donación celular y el acceso equitativo a las terapias resultantes.

La comunidad investigadora internacional continúa desarrollando guías y regulaciones para asegurar un progreso ético en la investigación con células madre mientras se maximizan los beneficios potenciales para pacientes que sufren diversas enfermedades y diagnósticos.

Información de la Fuente

Título del Artículo Original: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications

Autores: Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler

Publicación: Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–32

DOI: https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x

Este artículo de divulgación para pacientes se basa en investigación revisada por pares y pretende hacer accesible información científica compleja preservando todos los hallazgos y datos esenciales de la publicación original.