ANTECEDENTES HISTÓRICOS Y CONCEPTOS BÁSICOS EN EL ESTUDIO DE LAS CÉLULAS MADRE: CÉLULAS TRONCALES, O LA MADRE DE TODAS LAS CÉLULAS

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1 ARTÍCULO ORIGINAL ANTECEDENTES HISTÓRICOS Y CONCEPTOS BÁSICOS EN EL ESTUDIO DE LAS CÉLULAS MADRE: CÉLULAS TRONCALES, O LA MADRE DE TODAS LAS CÉLULAS Historical Background and Basic Concepts on Stem Cells Research: Stem Cells, or the Mother of all Cells Felipe Apablaza E 1, 2. MD, PhD. 1. Laboratorio de Terapia Celular, Clínica MEDS, Chile. 2. Área de Investigación, Unidad Académica, Clínica MEDS, Chile. Recibido el 11 de mayo de 2017 / Aceptado el 5 de junio de 2017 RESUMEN El término célula madre está hoy fuertemente asociado a la terapia regenerativa celular y al origen y tratamiento del cáncer y, por esta razón, despierta un gran interés tanto en el mundo científico como en el público general. Sin embargo, desde sus orígenes ha sido utilizado para designar diferentes conceptos que explican el origen de las cosas en distintas áreas de la biología: el origen de las especies, el desarrollo embrionario, la hematopoyesis, la reparación de los tejidos y para explicar el origen y tratamiento de algunas enfermedades. El presente es el primero de dos artículos que buscan hacer un breve recuento sobre la historia de la investigación de las células madre y sobre los conceptos básicos que surgieron durante el desarrollo de ésta. El primer artículo tratará acerca del origen del concepto de célula madre durante el siglo 19, surgido a la luz de la teoría de la evolución y luego su paso por la embriología y la hematología. En el segundo artículo se abordará la aplicación del concepto a la investigación en oncología y finalmente a la terapia celular. PALABRAS CLAVE: célula madre, evolución, terapia regenerativa. ABSTRACT Today, the term stem cell is highly associated with regenerative cell therapy and with the origin and treatment of cancer, arousing great interest both in the scientific world and the general public. However, since its inception it has been used to designate different concepts that explained the origins of things in different areas of biology: the origin of species, the embryogenesis, the hematopoiesis, the tissue repair and the origin and treatment of some diseases. This is the first of two articles making a brief report on the history of stem cell research and the basic notions that aroused during its development. The first article will deal with the origin of the concept of stem cell during the 19th century, arising in the light of the theory of evolution and then its passage through embryology and hematology. The second article will address the application of the concept to oncology research and ultimately to cell therapy. 6

2 KEY WORDS: stem cell, evolution, regenerative therapy. Autor para correspondencia: Dr. Felipe Apablaza E. Área de Investigación, Unidad Académica, Clínica MEDS. Hay una madre en el comienzo de todas las grandes cosas. Alfonso de Lamartine. I. INTRODUCCIÓN En el transcurso de este documento revisaremos algunos antecedentes históricos importantes ocurridos durante el desarrollo de la investigación de las células madre o troncales (actualmente utilizados como sinónimos en español), desde la segunda mitad del siglo XIX hasta finales del siglo XX, y veremos cómo a la par de estos hechos surgieron los conceptos fundamentales que hasta el día de hoy definen las bases de esta área de la investigación biomédica. La noción de célula troncal llegó a ser un concepto familiar en los círculos académicos de la Alemania Imperial hacia finales del siglo XIX. En ese contexto, el alemán Ernst Haeckel ( ) le dio dos significados distintos: por un lado, le llamó célula troncal a una teórica célula primordial, el ancestro común de todos los organismos multicelulares y luego, tras la perspectiva de su teoría de la recapitulación, calificaría también de célula troncal al cigoto o huevo fecundado, la célula totipotente que da origen a cada nuevo individuo. Más tarde el término fue utilizado en el estudio del desarrollo embrionario dentro del contexto de la teoría del plasma germinal, llamándole células madre a un conjunto de células que desde muy temprano se segregan del resto del embrión y se transforman en las responsables de transmitir la herencia a las futuras generaciones. Finalmente veremos como a raíz del estudio de la formación de la sangre o hematopoyesis, se le dio el nombre de células madre a las células precursoras responsables de producir y reponer a todas las células presentes en un individuo adulto y, por tanto, como se vislumbra el papel fundamental que éstas desempeñan en el normal funcionamiento de nuestro organismo. II. LAS CÉLULAS TRONCALES DETRÁS DEL ORIGEN DE LAS ESPECIES El término células troncales aparece por primera vez en la literatura científica en 1868 en los trabajos de Ernst Haeckel 1, sólo unos pocos años después de que Charles Darwin ( ) publicara El Origen de las Especies (1859). Haeckel fue un eminente biólogo, médico y filósofo alemán. Siendo un entusiasta partidario de la teoría de la evolución, elaboró en detallados diagramas los Stammbäume o árboles filogenéticos para representar la evolución de los organismos a partir de sus ancestros comunes (ver Figura 1). En este contexto propuso el término Stammzelle (célula troncal en español) para denominar al organismo unicelular que habría sido el antepasado común de todos los organismos multicelulares. A su vez, según Haeckel, este ancestro se habría originado a partir de las formas de vida más primitivas a las que llamó Moneren o moneras (del griego moneres, simple). Esta observación se habría hecho clara luego que Haeckel estudió y comparó el desarrollo de embriones de diversas especies, observando y haciendo especial énfasis en cómo mientras más temprana la etapa 7

3 observada más se asemejan entre sí los individuos de diferentes especies, llegando al punto de ser indistinguibles a ojos de un experto (ver Figura 2). De ahí derivó entonces su famosa y no exenta de polémica ley biogenética, también conocida como teoría de la recapitulación, la que sostiene que el desarrollo embrionario u ontogenia es una versión acelerada y resumida del proceso de evolución de cada especie. De esta forma cada uno de los estados que el individuo de una especie atraviesa a lo largo de su desarrollo embrionario, representaría una de las formas adultas que apareció en su historia evolutiva. Bajo este contexto, Haeckel utilizó nuevamente el término célula troncal para denominar al huevo fecundado o cigoto. Al tratarse de la fase más precoz del desarrollo representaría el origen común de todos los organismos multicelulares, dejando en claro la especial condición de éste como la célula precursora de todas las células del organismo adulto. Sólo algunos años después en 1877, uno de sus discípulos, Oscar Hertwig ( ), demostraría en el erizo de mar como la fecundación puede ser entendida como la fusión de los núcleos del óvulo con el del espermatozoide, dando origen al cigoto. A la luz de este nuevo acontecimiento, diría Haeckel respecto del cigoto que siendo éste en parte de origen paterno y en parte de origen materno, ya no nos parecerá extraño que el niño que se desarrolla a partir de esta célula troncal herede las características individuales de ambos padres 2. III. LA CÉLULA TRONCAL DEL DESARROLLO EMBRIONARIO Durante la década de 1890 la noción de célula troncal fue llevada al campo de la embriología durante el desarrollo de la teoría de la continuidad del plasma germinal de August Weismann ( ). De acuerdo a esta teoría, los organismos multicelulares se constituyen de células germinales que contienen y transmiten la herencia, y de células somáticas que forman el resto del organismo y llevan a cabo las funciones corporales. El plasma germinal sería la sustancia constituida por la unión de los núcleos del esperma y del óvulo, transmitiendo de esta manera las características hereditarias de ambos progenitores a todas las células del nuevo individuo y dando origen, a su vez, a las células germinales que perpetuarían la transmisión de la herencia a la nueva generación 3. Dentro de este contexto Theodor Bovery ( ), cuyo mentor fue alumno de Ernst Haeckel, elaboró detalladas representaciones de las etapas tempranas del desarrollo embrionario utilizando embriones del gusano Ascaris megalocephala. En éstas, describió como células troncales a las células germinales primordiales (Urgeschlechtezelle) un subgrupo de células derivadas del cigoto que durante el desarrollo se segregaban del resto de las células y tenían la particularidad de dividirse dando origen tanto a una célula precursora de las células somáticas como a otra célula semejante a sí misma (ver Figura 3). Dicho de otra manera: en las divisiones celulares tempranas del embrión, las células germinales primordiales se dividen en dos células hijas, una de las cuales mantiene el carácter de célula troncal mientras la otra se diferencia a las precursoras de las células somáticas. Las células precursoras somáticas luego formarían a las tres capas del embrión (ectoderma, mesoderma y endoderma), mientras que las células germinales primordiales eventualmente se diferenciarían hacia células germinales propiamente tales, productoras de gametos. Bovery explícitamente menciona que tomó el término de célula troncal o Stamzellen de Ernst Haeckel 4. Como podemos notar, ya a partir de ese momento en la historia fueron descritas las características esenciales que definen hoy en día el concepto de células madre o troncales. Es decir, son células indiferenciadas 8

4 (indiferenciación), que tienen la capacidad de dar origen a células idénticas a sí mismas (autorenovación) y a la vez de diferenciarse a otros tipos de células especializadas (plasticidad). Sin embargo, para Bovery no era de particular interés el estudiar a las células troncales en sí como lo fue el estudio de la cromatina, aquella sustancia contenida en el núcleo, teñible, que formaba estructuras visibles durante la división celular (cromosomas) y que sería responsable del traspaso de la herencia, en línea con lo propuesto por Weissman. Si bien sus intereses lo llevaron a realizar grandes avances científicos y a convertirse junto con Walter Sutton ( ) en los fundadores de la teoría cromosómica de la herencia, aunque dejó de lado el estudio de las células madre las nociones básicas en esta área ya habían sido asentadas y fue cosa de poco tiempo para que estos conceptos fueran utilizados en otra área de la investigación: la hematopoyesis. IV. LA CÉLULA MADRE DE LA SANGRE Alrededor de la misma época el estudio de la formación, desarrollo y regeneración del sistema hematopoyético despertó la pregunta de si habría un precursor común para los distintos tipos celulares de la sangre. Las técnicas histológicas desarrolladas por Paul Ehrlich ( ) permitieron identificar los distintos linajes de leucocitos dividiendo el campo de estudio de la hematopoyesis en dos bandos. Los dualistas opinaban que los linajes mieloides y linfoides debían provenir de distintos precursores comprometidos con dichos linajes y ubicados en órganos diferentes, respectivamente en la médula ósea y en los linfonodos y bazo. Los unitarios en cambio suponían la existencia de un precursor común para ambos. A pesar de que Ernst Neumann ( ), uno de los pioneros en el estudio de la hematopoyesis, demostró en 1868 que la médula ósea era el principal tejido de origen de la hematopoyesis en humanos y otros mamíferos, el tejido linfático y bazo seguían siendo considerados por buena parte de los investigadores como la fuente de origen de los linfocitos, separadamente de la línea mieloide 5. Con el objetivo de comprender la fisiopatología de las anemias, Artur Pappenheim ( ) se dedicó al estudio de la hematopoyesis en el desarrollo embrionario de anfibios en distintas etapas de desarrollo, aprovechando el gran tamaño de las células sanguíneas de los anfibios para facilitar su estudio. Siendo uno de los partidarios de la visión unitaria elaboró diagramas crecientemente complejos que representaban a la célula precursora de la sangre dando origen a los diversos linajes de células hematopoyéticas (en una manera análoga a los árboles filogenéticos de Ernst Haeckel), y fue en uno de estos trabajos donde propuso el nombre Mutterzellen (literalmente célula madre) para denominar al precursor común, en 1896 en Berlín (ver Figura 4) 6. Debido a las características morfológicas de los linfocitos, diferentes de eritrocitos y granulocitos por su tamaño y granularidad, y en cierta forma semejante a una célula indiferenciada, los primeros nombres que fueron propuestos para la teórica célula precursora de la sangre hacían alusión a un tipo especial de linfocito que sería muy difícil de distinguir del resto. Varios autores propusieron nombres tales como linfocitos grandes polivalentes, linfocito no granular indiferenciado, linfoidocito, hemoblastos, hematogonias, hemocitoblastos, etc. Sin embargo, fue el investigador ruso Alexander Maximov ( ), en San Petersburgo 1909, quien oficialmente utilizó el término Stamzelle para nombrar a este precursor, reconociendo que esta célula precursora tendría las propiedades de indiferenciación, autorenovación y plasticidad que ya habían sido descritas en la embriología 7. Si bien el debate acerca de la existencia e identidad de la célula madre hematopoyética fue un importante motor que promovió la investigación en ésta área de las ciencias 9

5 biomédicas, debido a las limitaciones de los métodos experimentales disponibles en esa época el debate continuó por varias décadas hasta la segunda mitad del siglo XX, en 1963, año en que los investigadores canadienses Ernest McCullock (1926-) y James Till (1931-) pudieron demostrar experimentalmente la existencia de un precursor celular único que normalmente reside en la médula ósea de los adultos. Utilizando animales irradiados y que fueron trasplantados con células de la médula de donantes sanos observaron la formación de nódulos en el bazo formados por una colonia de tejido hematopoyético que era capaz de producir todos los tipos celulares de la sangre (ver Figura 5). A continuación, fueron capaces de demostrar que cada nódulo era originado por una única célula a la que llamaron cuidadosamente unidad formadora de colonias (UFC). Esta célula indiferenciada era capaz de autorenovarse, así como de dar origen a todos los componentes de la sangre, cumpliendo con las características de una célula madre y demostrando definitivamente la existencia de la célula precursora común de la sangre 8. Dicha UFC sería llamada posteriormente célula madre hematopoyética. Como podemos notar a esta altura de la historia de la investigación ya podemos identificar algunos nuevos conceptos que se aplican actualmente en la caracterización de las células madre. Además de las características de indiferenciación, autorenovación y plasticidad que son comunes a todas las células madre, podemos clasificarlas según su potencialidad de diferenciación. En general a medida que una célula comienza a diferenciarse, se compromete con un determinado linaje celular y comienza a perder la capacidad de diferenciarse a otros tipos celulares. De esta manera, una célula totipotente es aquella que tiene la capacidad de dar origen a un individuo completo, incluyendo las estructuras extraembrionarias que hacen posible que el individuo se desarrolle de forma independiente, el ejemplo básico es el del cigoto tal como lo propuso Haeckel. Una célula pluripotente, en cambio, no es capaz de formar al individuo completo, pero sí puede dar origen a todos los tipos celulares que se encuentran en el organismo adulto; uno de los ejemplos más característicos para este caso serían las células madre que pueden extraerse del embrión y que pueden originar células de las tres capas embrionarias. Una célula multipotente tiene una capacidad de diferenciación mucho más restringida, pero conservando aún cierta capacidad para originar varios linajes; dentro de este grupo podemos contar a las células hematopoyéticas y a las mesenquimales que veremos en un próximo artículo. Finalmente, una célula unipotente es capaz de dar origen a sólo un tipo celular, como podría ser queratinocitos o células musculares esqueléticas. V. CONCLUSIONES El término célula troncal o célula madre se ha utilizado para denominar distintos conceptos desde que fue por primera vez propuesto entre los círculos académicos de biólogos y naturalistas de la segunda mitad del siglo XIX. Fue utilizado por Haeckel en dos contextos: para nombrar al antepasado unicelular común de todos los organismos multicelulares, y luego para referirse al cigoto o huevo fertilizado que da origen a todas las células del organismo adulto. Ya para comienzos del siglo XX los conceptos básicos de indiferenciación, autorenovación y plasticidad que definen a la célula madre como tal habían sido claramente identificados gracias al descubrimiento de las células germinales primordiales en el desarrollo del embrión y de la célula madre hematopoyética. En un próximo artículo abordaremos como el concepto de célula madre, inicialmente asociado a las connotaciones positivas de la herencia, desarrollo fisiológico, renovación y 10

6 diferenciación se concibe luego como un mecanismo de malignidad asociado al cáncer durante el estudio de la oncogenia (a comienzo y mediados del siglo XX). Finalmente le veremos cobrar un nuevo significado hacia finales del siglo XX, a la luz de los nuevos descubrimientos de la biología celular (tales como el descubrimiento de la célula madre mesenquimal por Alexander Friedenstein en 1968), eventos que demostraron el papel que desempeñan estas células en la reparación y regeneración de lesiones y que impulsaron el desarrollo de la terapia regenerativa celular hasta nuestros tiempos. VI. REFERENCIAS 1. Haeckel, E. Natürliche Schöpfungsgeschichte. Georg Reimer, Berlin; Haeckel E. Anthropogenie oder Entwickelungsgeschichte des Menschen. 3rd edn. Wilhelm Engelmann; Leipzig: p Weismann A. Die Continuität des Keimplasma s als Grundlage einer Theorie der Vererbung. Gustav Fischer; Jena: pp Boveri T. Ueber die Entstehung des Gegensatzes zwischen den Geschlechtszellen und den somatischen Zellen bei Ascaris megalocephala, nebst Bemerkungen zur Entwicklungsgeschichte der Nematoden. Sitzungsberichte der Gesellschaft für Morphologie und Physiologie in München. 1892;8: Ramalho-Santos M, Willenbring H. On the origin of the term stem cell Cell Stem Cell. 2007;1: Pappenheim A. Ueber Entwickelung und Ausbildung der Erythroblasten. Virchows Archiv für pathologische Anatomie. 1896;145: Maximow, A. Der Lymphozyt als gemeinsame Stammzelle der verschiedenen Blutelemente in der embryonalen Entwicklung und im postfetalen Leben der Säugetiere. Folia Haematol. (Frankf.). 1909; 8: Siminovitch L, Mcculloch Ea, Till Je. The Distribution of Colony-Forming Cells Among Spleen Colonies. J Cell Comp Physiol. 1963;62:

7 Figura 1. Árbol filogenético según Haeckel en su Morfología general de los organismos. 12

8 Figura 2. Copia de los dibujos de embriones de distintas especies realizados por Haeckel. De izquierda a derecha, embriones de: pez, salamandra, tortuga, pollo, cerdo, ternero, conejo y humano. 13

9 Figura 3. Representación de las etapas tempranas del desarrollo embrionario de Ascaris megalocephala según Theodor Bovery, señalando la autorenovación y diferenciación de las células troncales. En Fig. 1 se señala en negro las células germinales primordiales (Urgeschlechtezelle), que serían células troncales formadas a partir de la unión del óvulo (Eizelle) y el espermatozoide (Samenzelle). Éstas a su vez dan origen a una nueva célula troncal idéntica y a una célula precursora somática, representada en blanco y rodeada de puntos negros. En Fig. 2 y Fig. 3, vista ventral y corte de un embrión con las células troncales en división marcadas en gris. 14

10 Figura 4. Árbol hematopoyético elaborado por Artur Papenheim. La célula madre hematopoyética se encuentra en el centro del diagrama, desde ella se originan todos los tipos celulares de la sangre. 15

11 Figura 5. Bazo de ratones que fueron irradiados y transplantados con células de la médula ósea de ratones sanos por James Till & Ernest McCulloch. Cada uno de los nódulos observados fue originado por una célula madre hematopoyética y prod Se recomienda citar este artículo de la siguiente forma: Apablaza F. Antecedentes históricos y conceptos básicos en el estudio de las células madre: células troncales, o la madre de todas las células. Rev. Actuali. Clinic. Meds. Vol. 1. Num 1, Enero-Junio (2017). ISSN , pp Las opiniones, análisis, resultados y conclusiones del autor son de su exclusiva responsabilidad y no necesariamente involucran el pensamiento de la Revista Actualizaciones de Clínica MEDS. La reproducción parcial y/o total de este artículo debe contar con el permiso de la Revista Actualizaciones Clínica MEDS. 16