apuntes de biología

Las células madre, una tecnología y una realidad científica singular

El sueño del hombre, en lo que a la biología regenerativa se refiere, ha sido regenerar tejidos nuevos a partir de los viejos, es decir imitar lo que algunos animales consiguen de forma natural: la regeneración de forma y función de tejidos y órganos lesionados. Mientras tanto la biónica con el desarrollo de toda clase de artilugios diseñados para recuperar funciones perdidas (prótesis de todo tipo, mecanismos electrónicos, etc.) y los transplantes de órganos y tejidos a partir de donantes vivos o muertos, cubren el hueco sin dejar de lado el sueño hasta ahora imposible. Pero, como dijo Victor Hugo «no hay nada tan poderoso como una idea cuyo momento ha llegado». La moderna biología, los avances de la biología del desarrollo y, sobre todo, lo que se intuye detrás de la tecnología que gira entorno a las células madre (CM) y la bioingeniería tisular, han abierto un camino de esperanza cuyo final sólo se atisba. La vieja idea de conseguir la regeneración de tejidos y órganos por si mismos se está haciendo realidad, su momento ha llegado.

Los experimentos realizados en la Universidad de Wisconsin (Thomson et al. Science 282:1145-1147. 1998) por los que las células de la masa interna del blastocisto temprano humano (5-7 días) pueden cultivarse, expandirse y dirigir su diferenciación hacia diferentes tipos celulares procedentes de las tres hojas blastodérmicas (pluripotencia), abrieron un camino y revalorizaron un concepto, el de célula madre o troncal (stem cell): célula capaz de autoperpetuación y diferenciación hacia linajes diversos.

Tras estos hechos surge la polémica sobre el uso de embriones humanos en investigación y, tras la polémica, ráfagas de luz que alumbran un camino apasionante. Junto al hecho indudable de la pluripotencialidad de las células madre embrionarias (CME) emergen las células madre del adulto o somáticas (CMA) cuya pluripotencialidad se discute pero cuya multipotencialidad ya las coloca en posición ventajosa, sobre todo por la ausencia de problemas éticos y morales y por las ventajas que supone la posibilidad de terapias antólogas, siempre deseables.

Las CMA se consideran células con cualidades de embrionaria que quedan como pobladoras de los tejidos adultos, en los que realizan recambios naturales que aseguran la correcta biología de órganos y tejidos durante toda la vida del individuo. A los ejemplos tan conocidos como la regeneración cotidiana de la piel o la continua reposición de células sanguíneas, a partir de CM de los estratos basales del epitelio cutáneo o de la médula ósea, respectivamente, hay que unir ahora otras posibles reparaciones del tejido nervioso o miocárdico a partir de CM residentes en ambos tejidos. La presencia de CM en estos tejidos, y en muchos otros, está siendo comprobada día a día y la participación de las mismas en procesos regenerativos locales queda fuera de toda duda.

A la multipotencialidad de las CMA, ya de por sí un hecho relevante y lleno de posibilidades, según la cual, estas células son capaces de diferenciarse hacia diferentes linajes, pero siempre dentro de la hoja embrionaria de la que procede el tejido en el que se encuentran, hay que unir ciertas «transgresiones» a la norma. Es decir, cada día son más los datos que indican, por ejemplo, que a partir de CM hematopoyéticas (mesodérmicas) pueden obtenerse neuronas (ectodérmicas) o células hepáticas (endodérmicas); y al contrario, a partir de CM del sistema nervioso central o del hígado pueden obtenerse células diferenciadas capaces de repoblar otros tejidos correspondientes a hojas blastodérmicas diferentes. Esto es, la «gran ventaja» de las CME puede ser conquistada también por las CMA.

Pero ¿cómo puede entenderse, científicamente, esta pluripotencialidad de las CMA? ¿Cómo una célula que durante el desarrollo ha quedado formando parte de un tejido puede dar lugar a otras de hojas blastodérmicas diferentes?

Para poder explicar estos datos experimentales, hasta el momento se barajan cuatro hipótesis. La primera es la que supone que cuando, por ejemplo, se obtienen células capaces de repoblar el hígado a partir de CM hematopoyéticas de la médula ósea, lo que ocurre es que la población medular no es homogénea, y pueden haber otros tipos celulares que fuesen los responsables de esa «transición» médula-hígado. Esta explicación se está discutiendo continuamente puesto que cada vez son más las pruebas de que, aún partiendo de poblaciones «no contaminadas», se obtienen tales transiciones.

La segunda hipótesis es que las CM hematopoyéticas instaladas, por ejemplo, en el miocardio, lo que hacen es fusionarse con miocardiocitos locales, siendo ésta la razón de la adquisición de fenotipo miocárdico por las células medulares implantadas en el corazón. La existencia de fusiones celulares entre células implantadas y del huésped es un hecho científicamente demostrado pero que, sin embargo, no se cree que suponga un porcentaje tan elevado como para explicar los resultados que se obtienen. Por lo tanto, esta es una hipótesis parcialmente desechada por una cuestión estadística.

La tercera explicación estaría basada en auténticas transdiferenciaciones. Es decir, las CM implantadas en el miocardio o en el hígado sufrirían fenómenos de transdiferenciación hacia células del tejido hospedador, como consecuencia de influjos inductivos locales. Esta hipótesis no está descartada, aunque se desconoce la naturaleza y los mecanismos de tales procesos de reprogramación, pero que pueden no ser diferentes a los que actúan en la reprogramación nuclear que ocurre tras la transferencia nuclear a ovocitos enucleados (clonación), o los que ocurren en los fenómenos de des-diferenciación o re-diferenciación que presiden la regeneración espontánea de miembros de anfibios y peces. Se han indicado en estos fenómenos en las señalizaciones vía receptores del ácido retinoico y Sonic Hedgehog, así como genes específicos homeobox.

Por último, la cuarta hipótesis sería la que trata de explicar los hechos por elevación; es decir, en realidad lo que ocurre es que las CMA son realmente pluripotenciales, tanto como las embrionarias. Esta hipótesis parece verosímil, al menos bajo dos puntos de vista. El primero tiene que ver con el concepto de nicho, como lugar donde se dan unas determinadas condiciones microambientales que orientan la diferenciación hacia un determinado destino, en función de interacciones específicas. El concepto de stem cell niche se esgrime tanto para explicar la orientación de la biología de las CM residentes habituales de un tejido, como para predecir dicha orientación de cualquier célula madre que sea introducida en ese ambiente, aunque proceda de otra localización (Fuchs et al., Cell 116(6): 769-78), 2004).

El segundo punto de vista tiene que ver con una corriente de opinión con grandes apoyos experimentales, que daría la vuelta a todo el conocimiento actual en favor de una explicación más lineal: probablemente existe un solo tipo de CMA capaz de circular por vía sanguínea y de realizar hospedajes, transitorios o permanentes, en los diferentes tejidos y órganos donde se diferenciaría, haciendo posible la reparación de cualquier tejido sometido a una agresión. La mayor parte de los resultados y argumentaciones a favor de esta corriente están basados en estudios realizados con médula ósea y sangre periférica, desde los estudios de Huss et al. (Stem Cell, 18:252-60, 2000) que descubre la posibilidad de cultivar tipos celulares con fenotipo mesenquimático a partir de sangre periférica, hasta los que descubren la existencia de hasta tres tipos de CM en la médula ósea, además de las consabidas hematopoyéticas (Verfaillie, Trens in Cell Biology 12 (11):502-508, 2002): CM mesenquimáticas (MSC), que en la médula parecen formar el estroma, pero que en diversas circunstancias y condiciones, tanto in vitro como in vivo, son capaces de dar lugar a osteoblastos, condroblastos, adipocitos, mioblastos, etc, y hasta derivados neuroectodérmicos; células side population (SP), separadas por técnicas citofotométricas, capaces de dar diferentes tipos celulares, no todos mesodérmicos; y, por último, las células progenitoras multipotenciales adultas (MAPC) que a pesar de su nombre, parecen tan pluripotenciales como las propias embrionarias.

Se abre paso, por tanto, la idea de que en la sangre circulante encontramos, además de las CM hematopoyéticas, otras CM que pueden participar en la homeostasis, reparación y reposición de tejidos de órganos sólidos. Las pruebas sugieren que un daño ocurrido en un tejido provoca la liberación de «agentes reclutadores» de CM, primero a partir del pool de CM intrínsecas al propio tejido y si no fuese suficiente, de poblaciones extrínsecas, vía torrente circulatorio. Necesitamos saber mucho más sobre este posible mecanismo y muy especialmente, cómo modular las señales moleculares capaces de dirigir las CM de la sangre periférica a los órganos específicos para participar en la función de dichos órganos a través de su diferenciación hacia linajes específicos, dándonos la posibilidad de mejorar y restaurar una función perdida en particular.

¿Significa todo esto que en el control de las CMA está el futuro de la medicina regenerativa y no en las CME? En parte sí, pero no lo sabemos, y por ello debemos seguir investigando en ambos frentes. Objetivamente, la CMA son menos proliferantes que las CME y esto parece ser una cualidad imprescindible para conseguir terapias reparativas. La actividad telomerasa que alarga los telómeros de los cromosomas, cualidad esta consustancial con cualquier célula que prolifera, es mucho menor en las adultas que en las embrionarias. Esto deberá poder dominarse si queremos usar las adultas en terapia celular. Aunque, permítaseme un par de opiniones personales sobre este asunto.

Las CMA son poco proliferantes porque su misión es mantenerse en los tejidos del adulto sin proliferar hasta que son «llamadas» para hacerlo. Entonces es cuando algunas de sus hijas, las que ya no van a ser madres en sentido estricto, y que proceden de una división asimétrica de aquellas, inician procesos «febriles» de proliferación para ayudar a reparar el daño ocurrido. El ejemplo más claro de esto lo encontramos en el mundo vegetal. En el centro de la población meristemática de la raíz, donde la proliferación es la cualidad de todas las células, encontramos un grupo de ellas con una bajísima tasa de división, las que forman el llamado centro quiescente. Durante años, desde que fuera descubierto en los ‘50 del siglo pasado, del centro quiescente se ha dicho de todo y en realidad, hoy se sabe que lo forman las auténticas CM de la raíz, son las iniciales de toda la población meristemática. Su baja tasa proliferativa asegura su permanencia como reserva continua de células iniciales. Son, sin embargo, sus hijas las que se dividen a toda velocidad cuando salen de la «zona de influencia» de este auténtico stem cell niche. Parece, por tanto, que sería más positivo el control de la división asimétrica de la CM, como señal reguladora de la formación de una célula progenitora, que nunca más volverá a ser madre, pero que su destino es proliferar para formar un «blastema reparador» destinado a la diferenciación hacia un linaje especializado, que será el que repare el daño producido.

Podría pensarse, así mismo, que tampoco fuesen necesarias muchas CM para una determinada reparación, ni que tampoco fuese preciso inocularlas en un estadio final de diferenciación. Quizás es más lógico pensar que lo que se necesita es un número no elevado de progenitores (posteriores a la división asimétrica de la CM) que pudieran actuar de molde o cebo para que, en el ambiente tisular adecuado, se terminara el trabajo de forma espontánea.

Las CME, por el contrario, sólo saben dividirse, puede decirse que su especialidad es la proliferación y, además, «no están acostumbradas» a responder a estímulos diferenciadores; ellas nunca han estado en un «ambiente diferenciado» y, por lo tanto, éste puede ser su gran problema a la hora de usarlas en medicina regenerativa. Tenemos que aprender a dominar su división asimétrica que será la que dé paso a un proceso diferenciador. En la medida en que esto no sea posible, o sea deficiente, la posibilidad de que estas células implantadas en un huésped provoquen un proceso neoplásico, será una dificultad que frenará su uso en terapia regenerativa. Pero a pesar de todo, necesitamos el conocimiento que se genere en los estudios con CME. Aunque no llegáramos nunca a usarlas en la clínica humana, el potencial científico que encierran justifica su investigación. De su estudio se van a derivar grandes avances básicos sobre diferenciación celular que, entre otras cosas, podrán ser muy importantes para la compresión de la prevención y tratamiento de enfermedades genéticas. Los estudios con este tipo de células, con esta tecnología, van a suponer un empuje importante en el campo tan deprimido, y por otra parte tan esperanzador, de la terapia génica. Y por si esto fuera poco, que no lo es, las células madre proporcionan excelentes sistemas experimentales para el ensayo de nuevas drogas o tests de toxicidad de éstas en células humanas, con todo el potencial terapéutico que esto supone.

Biología Sintética: un nuevo desafío

Gran parte de los avances científicos van siempre ligados al desarrollo de una nueva técnica o metodología. Así, la técnica de terminación prematura de la síntesis enzimática del DNA mediante el uso de análogos de nucleótidos —método de Sanger— posibilitó la secuenciación del DNA y, consecuentemente, la lectura del mensaje genético. La purificación de DNA-polimerasas de organismos termófilos y su utilización en la amplificación de ácidos nucleicos (PCR) ha supuesto, además de una de las patentes más lucrativas de la historia de la Biotecnología, una técnica imprescindible en toda investigación biomédica. Por otro lado, el descubrimiento de los sistemas de restricción-modificación del DNA en las bacterias y posteriormente la purificación de las enzimas de restricción bacterianas, junto con otra serie de herramientas moleculares, permitieron editar dicho mensaje, es decir, introducir nuevas palabras, corregir las ya existentes o cambiar el sentido de la frase: había nacido la Ingeniería Genética. Cabe destacar entre sus primeros logros la producción de la insulina o la hormona de crecimiento humanas a partir de cepas de la bacteriaEscherichia coli recombinante, sistemas que sustituirían a las fuentes alternativas que suponían su extracción a partir de cadáveres o la utilización de proteínas homólogas de otras especies animales.

Las contribuciones de la Ingeniería Genética han sido enormes: en el campo de la Biología Molecular ha permitido profundizar en los mecanismos moleculares de diferentes procesos biológicos, posibilitando la identificación y caracterización de genes. En el campo de la Biología Celular, el desarrollo de la Ingeniería Genética, junto con procesos de transferencia de DNA, permitió la asignación de función de genes individuales y su localización celular. De esta forma se identificaron, por ejemplo, los primeros oncogenes tras la transferencia de genotecas (colecciones de genes) humanas a células de ratón en cultivo. Podemos concluir que el fruto alcanzado por la genómica hoy día se debe en gran parte al desarrollo de una nueva estrategia de secuenciación consistente en la fragmentación al azar de una genoteca, técnica conocida como shotgun que, junto con el empleo de fluorocromos —nucleótidos marcados con una molécula fluorescente—, ha permitido afrontar la secuenciación de genomas complejos, como el humano. Los retos que se plantean actualmente en este terreno incluyen el análisis de la información genética de organismos a partir de una muestra ambiental —metagenómica— con el objetivo de encontrar genes desconocidos o descubrir nuevas funciones enzimáticas.

El continuo avance de la Ingeniería Genética ha supuesto la emergencia de un nuevo campo: el de la Biología Sintética. En el I Congreso Internacional que sobre esta disciplina organizaba el Instituto de Tecnología de Massachussets, en Junio del pasado año, se presentaban los trabajos relacionados de la última década así como las perspectivas futuras de la Biología Sintética: el diseño y fabricación de componentes y sistemas biológicos que no existen hoy día en la naturaleza, así como el rediseño de los sistemas biológicos ya existentes.

Los beneficios de la Biología Sintética para la humanidad son enormes, pero también los riesgos: en 2002, tras tres años de intenso trabajo, el grupo de E. Wimmer en Nueva York publicaba la síntesis artificial del virus de la polio basándose en datos públicos presentes en las bases de datos [Cello J. et al., Science 297: 1016-1018 (2002)]. A finales de 2003, el ex-director de Celera, Craig Venter, sintetizaba un virus bacteriófago a partir de oligonucleótidos sintéticos en tan sólo dos semanas [Smith H. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100: 15440-15445 (2003)]. De forma similar, se ha conseguido recrear artificialmente el virus de la mal llamada gripe española de 1918 a partir de sus componentes básicos [(Kosaba D. et al., Nature. 431: 703-707 (2004)]. Si bien dichos experimentos fueron desarrollados bajo la supervisión de comités de Bioética y bajo las mayores medidas de seguridad, la polémica está servida.

Quizá uno de los campos más beneficiados del desarrollo de estas técnicas sea el de la Biomedicina. Así, de forma similar a la desarrollada para la síntesis de la insulina, se podrían obtener microorganismos capaces de fabricar complejos fármacos cuya fabricación actual se basa en fuentes naturales muy limitadas o costosos procesos de síntesis química. Un primer ejemplo lo encontramos en el trabajo que desarrolla el equipo de J. Keasling en California que trata de reconstituir, en la bacteria Escherichia coli, el circuito genético encargado de la síntesis del precursor de la artemisina, un fármaco contra la malaria [Martin V. et al., Nature Biotechnol. 21: 796-802 (2003)]. Esto implica la importación de 10 genes de otros organismos, entre ellos la levadura de panadería, y la modulación de sus niveles de expresión enE. coli de tal forma que se pueda producir dicho fármaco eficientemente y a un coste asequible para los países del tercer mundo.

Las aplicaciones medioambientales también salen beneficiadas de estos estudios. En el campo de la bioremediación se está trabajando en el uso de E. coli yPseudomonas aeruginosa para la degradación de los derivados del petróleo, así como para la precipitación de metales pesados y compuestos radiactivos en sus paredes celulares.

En este sentido cabe destacar el nuevo reto del controvertido Craig Venter, que dirige junto con el premio Nobel Hamilton Smith en el Instituto para Alternativas de Energía Biológica, varios proyectos que pretenden construir un microorganismo artificial con nuevas capacidades que permitan, por ejemplo, la degradación de emisiones de gases contaminantes y reducir la concentración de dióxido de carbono de la atmósfera —reduciendo así el efecto invernadero— o que las bacterias generen hidrógeno en cantidades suficientes como para suponer una fuente de energía alternativa.

Para lograr este objetivo es necesario un requisito previo: identificar la configuración mínima de genes necesarios para sustentar la vida que permitiera a dicha célula artificial replicarse de manera autónoma. Son varias las aproximaciones experimentales seguidas para obtener este «genoma mínimo» teórico. Por un lado, la identificación de genes esenciales por mutagénesis con transposones, por otro lado el análisis bioinformático de genes compartidos entre taxones diferentes. Una tercera alternativa consiste en el estudio de sistemas biológicos que, de forma natural, han experimentado una reducción de su material genético. Esta es la aproximación realizada por varios grupos de investigación españoles (Centro de Astrobiología, Centro Nacional de Biotecnología, Universidad Complutense y Universidad de Valencia) y que consistió en la secuenciación del genoma de la bacteria endosimbionte Buchnera aphidicola [Van Ham et al., Proc Natl Acad Sci USA. 100: 581-6. (2003)]. Directamente emparentada con E. coli, Buchnera ha sufrido una evolución por reducción de su material genético hasta llegar a un número, pudiera ser el mínimo, casi ocho veces inferior al de E. coli. La secuenciación completa de Buchnera, aparte de suponer un reto tecnológico importante dado que se trata de organismo no cultivable en medios de cultivo convencionales, nos ha permitido identificar sus genes y obtener resultados interesantes para la identificación del tipo de genes que deben utilizarse para construir una célula en laboratorio con genoma mínimo.

El tiempo nos dirá si Craig Venter tendrá éxito en su ambiciosa idea de crear un microorganismo sintético de una complejidad comparable a Buchnera, pero lo cierto es que sus proyectos de secuenciación del genoma humano o la síntesis de un virus en un tiempo récord habían sido duramente criticados como inviables por la comunidad científica. Estaremos pendientes de los retos que nos deparará la Biología Sintética en los próximos años.