30 agosto, 2010

Hace falta más que bioquímica para el desarrollo de las células madre

Las células madre son aquellas que tienen la capacidad de diferenciarse en cualquier tejido, pero no todas tienen esa capacidad. Las más capaces son las células madre embrionarias (ES cells) las cuales son totipontentes ya que pueden diferenciarse en cualquier tipo de célula. A medida que el organismo se va desarrollando, la capacidad de sus células madre de diferenciarse en lo que sea se va perdiendo, es así que pasan a ser sólo pluripotentes y solo se diferencian en ciertos tipos celulares.

Entonces, ¿por qué no usar las células madre embrionarias con fines terapéuticos? La respuesta es la parte ética. Se debe extraer el blastocisto (estado embrionario donde encontramos almacenadas las células madre), esto significa matar al embrión, o sea, acabar con una vida humana. Las investigaciones en las células madre embrionarias han podido ser desarrolladas gracias a la donación de embriones por parte de parejas que se han sometido a algún tipo de fertilización asistida.  Debido a estos problemas, muchos investigadores se están enfocando al desarrollo de las células madre pluripotentes inducidas (iPS cells), que son células madre obtenidas a partir de células ya diferenciadas mediante reprogramación celular.

Sea cual sea su procedencia, lo más difícil en el uso de células madre con fines terapéuticos es conseguir su renovación y diferenciación in vitro para ser transferidos a un tejido vivo. Gracias a la identificación de una serie de factores de transcripción y moléculas señalizadoras se ha podido conseguir diferentes líneas celulares a partir de células madre en cultivos in vitro. Pero, cuando las iPS son cultivadas in vitro y luego trasplantadas en un organismo vivo, pierden su gran capacidad de regenerar el tejido para el cual fueron programados. En otras palabras, obtener células madre con capacidad de regenerar un tejido in vitro no garantiza que lo hará in vivo, a pesar de proporcionarle todas las moléculas señalizadoras requeridas.

Fue así que el Dr. Penney Gilbert y sus colaboradores del Laboratorio Baxter investigaron si las propiedades físicas del entorno también juegan un papel importante en el desarrollo de las células madre y la regeneración de tejidos. Hace un año publicamos un artículo que demostraba que la fuerza de cizalla (un estímulo mecánico) podría activar ciertas rutas metabólicas, en este caso, Gilbert et al. demostraron que la elasticidad del medio de cultivo ejercía un importante efecto sobre la regeneración de los tejidos a partir de células madre.

Los investigadores usaron células madre musculares (MuSCs) para determinar el efecto de la rigidez del medio en su capacidad de regeneración del tejido muscular. Para esto desarrollaron medios de cultivos con diferentes grados de elasticidad y rigidez usando diferentes porcentajes de Polietilenglicol (PEG) en el medio, el cual al polimerizarse formará hidrogeles con propiedades físicas diferentes. Las células madre estaban marcadas con biomoléculas fluorescentes para seguir su desarrollo en tiempo real en ratones.

video[Click para ver el video] 

Los medios de cultivo de células madre comúnmente usados tienen un módulo elástico de ~3GPa (109 Pascales = 30000 bares = 100 atmósferas), el cual es cinco órdenes de magnitud más rígido que el encontrado en músculo esquelético. Así que los medios que Gilbert et al. desarrollaron fueron más elásticos, tratando de imitar la rigidez del tejido cerebral, muscular y cartilaginoso (2, 12 y 42 KPa, respectivamente).

El primer resultado obtenido fue que las MuSCs que fueron cultivadas en tejidos más elásticos aumentaron significativamente su tasa de supervivencia. Este resultado es sumamente alentador ya que se ha podido solucionar parte del problema de las células madre… la supervivencia. También encontraron que en los tejidos más elásticos, las MuSCs expresaron un tercio más cantidad de miogenina, el cual es un importante factor de transcripción de las células musculares diferenciadas.

En cuanto a la tasa de división, no hubo diferencias significativas entre las MuSCs que crecieron en un sustrato rígido y en uno elástico. La mayor expresión de bioluminiscencia, la cual está directamente relacionada con la capacidad regenerativa, se obtuvo con el medio más flexible, mientras que la duración y la tasa de viabilidad del injerto disminuyó en función a la rigidez del medio de cultivo. Como era de esperarse, la mayor tasa de viabilidad del injerto se obtuvo a 12KPa, el cual corresponde a la rigidez del tejido muscular.

Algo que caracteriza a las células madre es su capacidad de dividirse en dos células madre hijas (división simétrica) o dividirse en una célula madre y una diferenciada (división asimétrica). Las células diferenciadas tienen una tasa de división muy reducida, mientras que las células madre pueden dividirse todo el tiempo (auto-renovación). Es muy importante que las células madre se auto-renueven para poder regenerar un tejido. Gilbert et al. encontraron que las MuSCs que crecieron en un medio flexible tenían un 32% más de capacidad de auto-renovación. Sin embargo, in vivo la auto-renovación prácticamente no se daba.

stemcells

En conclusión, los sustratos flexibles mejoraron la capacidad de supervivencia de las MuSCs y previnieron la diferenciación de las células madre in vivo, mientras que aumentaron su tasa de auto-renovación in vitro.  Lo que los investigadores hipotetizan es que la disminución en la rigidez del medio de cultivo altera la forma de la célula, provocando un re-arreglo del citoesqueleto alterando las vías de señalización.

Referencia:

ResearchBlogging.orgGilbert, P., Havenstrite, K., Magnusson, K., Sacco, A., Leonardi, N., Kraft, P., Nguyen, N., Thrun, S., Lutolf, M., & Blau, H. (2010). Substrate Elasticity Regulates Skeletal Muscle Stem Cell Self-Renewal in Culture Science, 329 (5995), 1078-1081 DOI: 10.1126/science.1191035

Science. DOI: 10.1126/science.1194919

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