Célula madre embrionaria

Las células madre embrionarias (CME), derivadas del estadio de blastocisto de embriones tempranos de mamíferos, se distinguen por su capacidad de diferenciarse en cualquier tipo de célula embrionaria y por su capacidad de autorrenovación. Son estas características las que las hacen valiosas en los campos científico y médico. Las CME tienen un cariotipo normal, mantienen una elevada actividad telomerasa y presentan un notable potencial proliferativo a largo plazo.^[6]

Las células madre embrionarias de la masa celular interna son pluripotentes, lo que significa que pueden diferenciarse para generar ectodermo primitivo, que finalmente se diferencia durante la gastrulación en todos los derivados de las tres capas germinales primarias: ectodermo, endodermo y mesodermo. Estas capas germinales generan cada uno de los más de 220 tipos celulares del cuerpo humano adulto. Cuando reciben las señales adecuadas, las CME forman inicialmente células precursoras que posteriormente se diferencian en los tipos celulares deseados. La pluswswripotencia distingue a las células madre embrionarias de las células madre adultas, que son multipotentes y sólo pueden producir un número limitado de tipos celulares.

En condiciones definidas, las células madre embrionarias son capaces de autorrenovarse indefinidamente en un estado indiferenciado. Las condiciones de autorrenovación deben impedir que las células se agrupen y mantener un entorno que favorezca un estado no especializado.^[7] Normalmente, esto se hace en el laboratorio con medios que contienen suero y factor inhibidor de la leucemia o suplementos de medios sin suero con dos fármacos inhibidores ("2i"), el inhibidor de MEK PD03259010 y el inhibidor de GSK-3 CHIR99021.^[8]

Las ESC se dividen con mucha frecuencia debido a una fase G1 acortada en su ciclo celular. La rápida división celular permite a las células crecer rápidamente en número, pero no en tamaño, lo que es importante para el desarrollo embrionario temprano. En las ESC, las proteínas ciclina A y ciclina E involucradas en la transición G1/S siempre se expresan en niveles altos.^[9] Las quinasas dependientes de ciclina, como Cdk2, que promueven la progresión del ciclo celular, son hiperactivas, en parte debido a la regulación a la baja de sus inhibidores.^[10] Las proteínas del retinoblastoma que inhiben el factor de transcripción E2F hasta que la célula está lista para entrar en la fase S están hiperfosforiladas e inactivadas en las ESC, lo que lleva a la expresión continua de genes de proliferación.^[9] Estos cambios dan lugar a ciclos acelerados de división celular. Aunque los altos niveles de expresión de proteínas pro-proliferativas y una fase G1 acortada se han relacionado con el mantenimiento de la pluripotencia,^[11][12] las CME cultivadas en condiciones 2i libres de suero expresan proteínas Retinoblastoma activas hipofosforiladas y tienen una fase G1 alargada.^[13] A pesar de esta diferencia en el ciclo celular, cuando se comparan con las CME cultivadas en medios que contienen suero, estas células tienen características pluripotentes similares.^[14] Los factores de pluripotencia Oct4 y Nanog desempeñan un papel en la regulación transcripcional del ciclo de las células madre embrionarias.^[15][16]

Debido a su plasticidad y a su capacidad potencialmente ilimitada de autorrenovación, se han propuesto terapias con células madre embrionarias para la medicina regenerativa y la sustitución de tejidos tras una lesión o enfermedad. Las células madre pluripotentes han demostrado ser prometedoras en el tratamiento de diversas afecciones como las lesiones de la médula espinal, degeneración macular relacionada con la edad, diabetes, trastornos neurodegenerativos (como la enfermedad de Parkinson ), SIDA, etc.^[17] Además de su potencial en medicina regenerativa, las células madre embrionarias proporcionan una posible fuente alternativa de tejidos/órganos que sirve como posible solución al dilema de la escasez de donantes. Sin embargo, existen algunas controversias éticas al respecto (véase la sección Debate ético más adelante). Aparte de estos usos, las células madre embrionarias también pueden utilizarse para investigar el desarrollo humano temprano, ciertas enfermedades genéticas y pruebas toxicológicas in vitro.^[6]

Según un artículo de 2002 en PNAS, "Las células madre embrionarias humanas tienen el potencial de diferenciarse en varios tipos celulares y, por tanto, pueden ser útiles como fuente de células para trasplantes o ingeniería de tejidos".^[18]

En la ingeniería de tejidos, el uso de células madre es conocido por su importancia. Para diseñar con éxito un tejido, las células utilizadas deben ser capaces de desempeñar funciones biológicas específicas como la secreción de citoquinas, moléculas de señalización, interactuar con células vecinas y producir una matriz extracelular en la organización correcta. Las células madre demuestran estas funciones biológicas específicas además de ser capaces de autorrenovarse y diferenciarse en uno o más tipos de células especializadas. Las células madre embrionarias son una de las fuentes que se están considerando para el uso de la ingeniería de tejidos.^[19] El uso de células madre embrionarias humanas ha abierto muchas nuevas posibilidades para la ingeniería de tejidos, sin embargo, hay muchos obstáculos que deben superarse antes de que las células madre embrionarias humanas puedan ser utilizadas. Se teoriza que si las células madre embrionarias pueden ser alteradas para no evocar la respuesta inmune cuando se implantan en el paciente, entonces esto sería un paso revolucionario en la ingeniería de tejidos.^[20] Las células madre embrionarias no se limitan a la ingeniería de tejidos.

La investigación se ha centrado en la diferenciación de las células madre embrionarias en diversos tipos celulares para su posible uso en terapias de sustitución celular. Algunos de los tipos celulares que se han desarrollado o se están desarrollando actualmente son los cardiomiocitos, las neuronas, los hepatocitos, las células de la médula ósea, las células de los islotes y las células endoteliales.^[21] Sin embargo, la derivación de estos tipos celulares a partir de CME no está exenta de obstáculos, por lo que la investigación se ha centrado en superar estas barreras. Por ejemplo, se están realizando estudios para diferenciar las CME en cardiomiocitos de tejidos específicos y erradicar sus propiedades inmaduras que las distinguen de los cardiomiocitos adultos.^[22]

• Los investigadores han diferenciado las CME en células productoras de dopamina con la esperanza de que estas neuronas puedan utilizarse en el tratamiento de la enfermedad de Parkinson.^[23][24]
• Las CME se han diferenciado en células asesinas naturales y tejido óseo.^[25]
• Se están realizando estudios con células madre embrionarias para ofrecer un tratamiento alternativo de la diabetes. Por ejemplo, las células madre embrionarias se han diferenciado en células productoras de insulina,^[26] y los investigadores de la Universidad de Harvard fueron capaces de producir grandes cantidades de células beta pancreáticas a partir de células madre embrionarias.^[27]
• Un artículo publicado en el European Heart Journal describe un proceso traslacional de generación de células progenitoras cardíacas derivadas de células madre embrionarias humanas para su uso en ensayos clínicos de pacientes con insuficiencia cardíaca grave.^[28]

Además de convertirse en una importante alternativa a los trasplantes de órganos, las CME también se están utilizando en el campo de la toxicología y como cribas celulares para descubrir nuevas entidades químicas que puedan desarrollarse como fármacos de moléculas pequeñas. Los estudios han demostrado que los cardiomiocitos derivados de CME son modelos in vitro validados para probar las respuestas a fármacos y predecir los perfiles de toxicidad.^[21] Se ha demostrado que los cardiomiocitos derivados de CME responden a estímulos farmacológicos y, por tanto, pueden utilizarse para evaluar la cardiotoxicidad, como las torsades de pointes.^[29]

Los hepatocitos derivados de CME también son modelos útiles que podrían utilizarse en las fases preclínicas del descubrimiento de fármacos. Sin embargo, el desarrollo de hepatocitos a partir de CME ha demostrado ser un reto, lo que dificulta la capacidad de probar el metabolismo de los fármacos. Por lo tanto, la investigación se ha centrado en el establecimiento de hepatocitos derivados de CME plenamente funcionales con actividad enzimática de fase I y II estable.^[30]

Varios estudios nuevos han empezado a abordar el concepto de modelización de trastornos genéticos con células madre embrionarias. Ya sea manipulando genéticamente las células o, más recientemente, derivando líneas celulares enfermas identificadas mediante diagnóstico genético prenatal (DGP), el modelado de trastornos genéticos es algo que se ha logrado con células madre. Este enfoque puede resultar muy valioso para estudiar trastornos como el síndrome X frágil, la fibrosis quística y otras enfermedades genéticas que carecen de un sistema modelo fiable.

Yury Verlinsky, investigador médico ruso-estadounidense especializado en genética embrionaria y celular (citología genética), desarrolló métodos de prueba de diagnóstico prenatal para determinar trastornos genéticos y cromosómicos un mes y medio antes que la amniocentesis estándar. Estas técnicas las utilizan ahora muchas embarazadas y futuros padres, sobre todo parejas con antecedentes de anomalías genéticas o en las que la mujer tiene más de 35 años (cuando el riesgo de trastornos relacionados con la genética es mayor). Además, al permitir a los padres seleccionar un embrión sin trastornos genéticos, tienen la posibilidad de salvar la vida de hermanos que ya padecían trastornos y enfermedades similares utilizando células de la descendencia libre de enfermedades.^[31]

Las células somáticas diferenciadas y las células madre embrionarias utilizan diferentes estrategias para tratar los daños en el ADN. Por ejemplo, los fibroblastos de prepucio humano, un tipo de célula somática, utilizan la unión de extremos no homólogos, un proceso de reparación del ADN propenso a errores, como vía principal para reparar las roturas de doble cadena durante todas las fases del ciclo celular.^[32] Debido a su naturaleza propensa a errores, la unión de extremos no homólogos tiende a producir mutaciones en los descendientes clonales de una célula.

Las células madre embrionarias utilizan una estrategia diferente para tratar las roturas de doble cadena.^[33] Dado que las células madre embrionarias dan lugar a todos los tipos celulares de un organismo, incluidas las células de la línea germinal, las mutaciones que surgen en las células madre embrionarias debido a una reparación defectuosa del ADN constituyen un problema más grave que en las células somáticas diferenciadas. En consecuencia, se necesitan mecanismos robustos en las células ES para reparar con precisión los daños en el ADN y, si la reparación falla, eliminar aquellas células con daños en el ADN no reparados. Así, las células madre embrionarias de ratón utilizan predominantemente la reparación recombinacional homóloga de alta fidelidad (RRH) para reparar las roturas de doble cadena.^[33] Este tipo de reparación depende de la interacción de los dos cromosomas hermanos formados durante la fase S y presentes juntos durante la fase G2 del ciclo celular. La reparación recombinacional homóloga puede reparar con precisión las roturas de doble cadena en un cromosoma hermano utilizando información intacta del otro cromosoma hermano. Las células en la fase G1 del ciclo celular (es decir, después de la metafase/división celular pero antes de la siguiente ronda de replicación) sólo tienen una copia de cada cromosoma (es decir, no hay cromosomas hermanos). Las células madre embrionarias de ratón carecen de un punto de control G1 y no sufren una detención del ciclo celular al sufrir daños en el ADN.^[34] En su lugar, sufren una muerte celular programada (apoptosis) en respuesta al daño en el ADN.^[35] La apoptosis puede utilizarse como estrategia a prueba de fallos para eliminar las células con daños en el ADN no reparados con el fin de evitar mutaciones y la progresión a cáncer.^[36] De acuerdo con esta estrategia, la frecuencia de mutación de las células madre embrionarias de ratón es 100 veces inferior a la de las células somáticas de ratón isogénicas.^[37]

El 23 de enero de 2009, los ensayos clínicos de fase I para el trasplante de oligodendrocitos (un tipo de célula del cerebro y la médula espinal) derivados de CME humanas en personas con lesiones medulares recibieron la aprobación de la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA), convirtiéndose así en el primer ensayo en humanos con CME humanas del mundo.^[38] El estudio que condujo a este avance científico fue dirigido por Hans Keirstead y sus colegas de la Universidad de California en Irvine y contó con el apoyo de Geron Corporation de Menlo Park, California, fundada por Michael D. West, PhD. Un experimento anterior había demostrado una mejora de la recuperación locomotora en ratas lesionadas de la médula espinal tras un trasplante diferido de 7 días de CME humanas que habían sido forzadas hacia un linaje oligodendrocítico.^[39] El estudio clínico de fase I se diseñó para inscribir a unos ocho o diez parapléjicos lesionados no más de dos semanas antes del inicio del ensayo, ya que las células deben inyectarse antes de que pueda formarse tejido cicatricial. Los investigadores subrayaron que no se esperaba que las inyecciones curaran por completo a los pacientes y les devolvieran toda la movilidad. Basándose en los resultados de los ensayos con roedores, los investigadores especularon con la posibilidad de restaurar las vainas de mielina y aumentar la movilidad. Este primer ensayo se diseñó principalmente para comprobar la seguridad de estos procedimientos y, si todo iba bien, se esperaba que condujera a futuros estudios en los que participaran personas con discapacidades más graves.^[40] El ensayo se suspendió en agosto de 2009 debido a la preocupación de la FDA por un pequeño número de quistes microscópicos hallados en varios modelos de rata tratados, pero la suspensión se levantó el 30 de julio de 2010.^[41]

En octubre de 2010, los investigadores inscribieron y administraron CME al primer paciente en el Shepherd Center de Atlanta.^[42] Los fabricantes de la terapia con células madre, Geron Corporation, estimaron que se tardarían varios meses en replicar las células madre y en evaluar el éxito o el fracaso de la terapia GRNOPC1.

En noviembre de 2011, Geron anunció que interrumpía el ensayo y abandonaba la investigación con células madre por motivos económicos, pero que seguiría controlando a los pacientes existentes e intentaba encontrar un socio que pudiera continuar su investigación.^[43] En 2013, BioTime, dirigida por su consejero delegado, el Dr. Michael D. West, adquirió todos los activos de células madre de Geron, con la intención declarada de reiniciar el ensayo clínico basado en células madre embrionarias de Geron para la investigación de lesiones medulares.^[44]

Asterias Biotherapeutics (NYSE MKT: AST), empresa de BioTime, ha recibido del Instituto de Medicina Regenerativa de California (CIRM) una subvención de 14,3 millones de dólares para reiniciar el primer ensayo clínico en humanos con células madre embrionarias para lesiones medulares. El CIRM, financiado con fondos públicos de California, es el mayor financiador de investigación y desarrollo con células madre del mundo.

El premio proporciona financiación para que Asterias reinicie el desarrollo clínico de AST-OPC1 en sujetos con lesión medular y amplíe las pruebas clínicas de dosis crecientes en la población diana prevista para futuros ensayos pivotales.

AST-OPC1 es una población de células derivadas de células madre embrionarias humanas (hESCs) que contiene células progenitoras de oligodendrocitos (OPCs). Las OPC y sus derivados maduros, denominados oligodendrocitos, proporcionan un soporte funcional crítico para las células nerviosas de la médula espinal y el cerebro. Asterias presentó recientemente los resultados de un ensayo clínico de fase 1 en el que se probó una dosis baja de AST-OPC1 en pacientes con lesión neurológica completa de la médula espinal torácica. Los resultados mostraron que AST-OPC1 se administró con éxito en la zona de la médula espinal lesionada. Los pacientes seguidos 2-3 años después de la administración de AST-OPC1 no mostraron evidencias de acontecimientos adversos graves asociados a las células en evaluaciones de seguimiento detalladas que incluían exámenes neurológicos y resonancias magnéticas frecuentes. La monitorización inmunológica de los sujetos hasta un año después del trasplante no mostró evidencias de respuestas inmunológicas celulares o basadas en anticuerpos a AST-OPC1. En cuatro de los cinco sujetos, las resonancias magnéticas seriadas realizadas a lo largo del período de seguimiento de 2-3 años indican que puede haberse producido una reducción de la cavitación de la médula espinal y que AST-OPC1 puede haber tenido algunos efectos positivos en la reducción del deterioro del tejido de la médula espinal. No se produjo ninguna degeneración o mejora neurológica inesperada en los cinco sujetos del ensayo, según la evaluación del examen ISNCSCI (International Standards for Neurological Classification of Spinal Cord Injury).

La subvención de la Asociación Estratégica III del CIRM proporcionará financiación a Asterias para apoyar el próximo ensayo clínico de AST-OPC1 en sujetos con lesión medular, y para el desarrollo de productos de Asterias para perfeccionar y ampliar los métodos de fabricación para apoyar los ensayos en etapas posteriores y, finalmente, la comercialización. La financiación del CIRM estará condicionada a la aprobación del ensayo por parte de la FDA, a la conclusión de un acuerdo definitivo entre Asterias y el CIRM, y al progreso continuado de Asterias hacia la consecución de determinados hitos predefinidos del proyecto.

La principal preocupación que suscita el posible trasplante de CME a pacientes como terapia es su capacidad para formar tumores, incluidos teratomas.^[45] Los problemas de seguridad llevaron a la FDA a suspender el primer ensayo clínico con células madre embrionarias, aunque no se observaron tumores. La principal estrategia para mejorar la seguridad de las CME para su posible uso clínico consiste en diferenciar las CME en tipos celulares específicos (por ejemplo, neuronas, músculo, células hepáticas) que tengan una capacidad reducida o eliminada de causar tumores. Tras la diferenciación, las células se clasifican por citometría de flujo para su posterior purificación. Se prevé que las CME sean intrínsecamente más seguras que las células iPS creadas con vectores virales de integración genética, ya que no están modificadas genéticamente con genes como c-Myc, relacionados con el cáncer. No obstante, las CME expresan niveles muy elevados de los genes inductores de iPS y estos genes, incluido Myc, son esenciales para la autorrenovación y la pluripotencia^[46] de las CME, por lo que es poco probable que las posibles estrategias para mejorar la seguridad mediante la eliminación de la expresión de c-Myc preserven la "troncalidad" de las células. Sin embargo, se han identificado N-myc y L-myc para inducir células iPS en lugar de c-myc con una eficacia similar.^[47] Los protocolos posteriores para inducir la pluripotencia eluden completamente estos problemas mediante el uso de vectores virales de ARN no integradores, como el virus Sendai o la transfección de ARNm.

Debido a la naturaleza de la investigación con células madre embrionarias, hay muchas opiniones controvertidas sobre el tema. Dado que la extracción de células madre embrionarias suele requerir la destrucción del embrión del que se obtienen dichas células, se cuestiona el estatus moral del embrión. Algunas personas afirman que la masa de células de 5 días es demasiado joven para alcanzar la personalidad o que el embrión, si se dona de una clínica de fecundación in vitro (donde los laboratorios suelen adquirir embriones), iría de todos modos a la basura médica. Los que se oponen a la investigación con CME afirman que un embrión es una vida humana, por lo que destruirlo es un asesinato y el embrión debe ser protegido bajo el mismo punto de vista ético que un ser humano más desarrollado.^[48]

• 1964: Lewis Kleinsmith y G. Barry Pierce Jr. aislaron un único tipo de célula de un teratocarcinoma, un tumor que ahora se conoce como célula germinal.^[49] Estas células aisladas del teratocarcinoma se replicaron y crecieron en cultivo celular como una célula madre y ahora se conocen como células de carcinoma embrionario (CE). Aunque las similitudes en morfología y potencial diferenciador (pluripotencia) condujeron al uso de células CE como modelo in vitro para el desarrollo temprano del ratón,^[50] las células CE albergan mutaciones genéticas y a menudo cariotipos incompletos que se acumularon durante el desarrollo del teratocarcinoma. Estas aberraciones genéticas acentuaron aún más la necesidad de poder cultivar células pluripotentes directamente a partir de la masa celular interna.

• 1981: Dos grupos obtienen por primera vez células madre embrionarias a partir de embriones de ratón. Martin Evans y Matthew Kaufman, del Departamento de Genética de la Universidad de Cambridge, publicaron un artículo el primero en julio en el que revelaban una nueva técnica de cultivo de embriones de ratón en el útero que permitía aumentar el número de células, lo que posibilitaba la derivación de células madre a partir de estos embriones.^[51] Gail R. Martin, del Departamento de Anatomía de la Universidad de California en San Francisco, publicó su trabajo en diciembre y acuñó el término "célula madre embrionaria".^[52] Demostró que se podían cultivar embriones in vitro y que se podían derivar células madre a partir de estos embriones.
• 1989: Mario R. Cappechi, Martin J. Evans y Oliver Smithies publicaron una investigación en la que detallan el aislamiento y modificaciones genéticas de células madre embrionarias, creando los primeros ratones knockout".^[53] Al crearlos, esta publicación proporcionó a los científicos una forma totalmente nueva de estudiar las enfermedades.

• 1996: La oveja Dolly fue el primer mamífero clonado a partir de una célula adulta por el Instituto Roslin de la Universidad de Edimburgo.^[54] Este experimento instituyó la proposición de que las células adultas especializadas obtienen la composición genética para realizar una tarea específica, lo que estableció una base para investigaciones posteriores dentro de una variedad de técnicas de clonación. El experimento con Dolly se llevó a cabo obteniendo las células de la ubre de una oveja (Dolly) y diferenciándolas hasta que se completó la división. A continuación, se obtuvo un óvulo de una oveja huésped diferente y se le extrajo el núcleo. Se colocó una célula de la ubre junto al óvulo y se conectaron eléctricamente para que compartieran el ADN. Este óvulo se diferenció en un embrión y el embrión se insertó en una tercera oveja que dio a luz a la versión clonada de Dolly.^[55]
• 1998: Un equipo de la Universidad de Wisconsin, Madison (James A. Thomson, Joseph Itskovitz-Eldor, Sander S. Shapiro, Michelle A. Waknitz, Jennifer J. Swiergiel, Vivienne S. Marshall y Jeffrey M. Jones), publicó un artículo titulado "Líneas de células madre embrionarias derivadas de blastocitos humanos". Los investigadores responsables de este estudio no sólo crearon las primeras células madre embrionarias, sino que reconocieron su pluripotencia, así como su capacidad de autorrenovación. El resumen del artículo destaca la importancia del descubrimiento para los campos de la biología del desarrollo y el descubrimiento de fármacos.^[56]
• 2001: El presidente George W. Bush permitió el financiamiento federal para apoyar la investigación en aproximadamente 60 -en ese momento, ya existentes- líneas de células madre embrionarias. Dado que las líneas limitadas sobre las que Bush permitió la investigación ya habían sido establecidas, esta ley apoyó la investigación con células madre embrionarias sin plantear las cuestiones éticas que podrían surgir con la creación de nuevas líneas con cargo al presupuesto federal.^[57]
• 2006: Los científicos japoneses Shinya Yamanaka y Kazutoshi Takashi publican un artículo que describe la inducción de células madre pluripotentes a partir de cultivos de fibroblastos de ratón adulto. Las células madre pluripotentes inducidas (iPSC) son un gran descubrimiento, ya que aparentemente son idénticas a las células madre embrionarias y podrían usarse sin provocar la misma controversia moral.^[58]
• Enero del 2009: La Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) otorga la aprobación para el ensayo de fase I de Geron Corporation de su tratamiento derivado de células madre embrionarias humanas para lesiones de la médula espinal. El anuncio fue recibido con entusiasmo por la comunidad científica, pero también con cautela por parte de los opositores a las células madre. Sin embargo, las células de tratamiento se derivaron de las líneas celulares aprobadas según la política ESC de George W. Bush.^[59]
• Marzo de 2009: El presidente Barack Obama firmó la Orden Ejecutiva 13505 que eliminaba las restricciones impuestas a la financiación federal para células madre humanas por la administración presidencial anterior. Esto permitiría a los Institutos Nacionales de Salud (NIH) proporcionar fondos para la investigación de hESC. El documento también establece que los NIH deben proporcionar directrices de financiamiento federal revisadas en un plazo de 120 días a partir de la firma de la orden.^[60]