STEM CELLS: PLANTEADAS PARA ORIGINAR Y REGENERAR TEJIDOS Y ÓRGANOS PRESENTADO POR: ANA CRISTINA ESTRADA TERCER SEMESTRE MEDICINA INSTITUTO DE GENETICA HUMANA PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA BOGOTA MAYO DE 2005
STEM CELLS: PLANTEADAS PARA ORIGINAR Y REGENERAR TEJIDOS Y ÓRGANOS La novedad ha consistido en reconocer la existencia de células madre pluripotentes en tejidos y órganos, y aún más interesante, que algunas de ellas presentan la suficiente flexibilidad como para generar células especializadas de otros linajes. Es importante que la gente y políticos entiendan los fundamentos de la biología de las stem cells y que los médicos reconozcan, que este conocimiento cambiará la forma de pensar acerca del origen y regeneración de tejidos finos, órganos y el desarrollo de enfermedades. INTRODUCCION En este trabajo presentaré las principales características de las stem cells y sus aplicaciones clínicas como una solución al tratamiento de enfermedades que implican la degeneración o lesión celular. Actualmente se ha encontrado muchas evidencias de su capacidad de diferenciación y además nuevos hallazgos han mostrado, los lugares específicos de donde se pueden aislar, ya que se encuentran prácticamente en cualquier tejido maduro y más que todo en tejidos embrionarios. QUE SON LAS STEM CELLS? Las Stem Cells son aquellas células dotadas simultáneamente de la capacidad de auto renovación (es decir, producir más células madre) y de originar células hijas comprometidas en determinadas rutas de desarrollo, que se convertirán finalmente por
diferenciación en tipos celulares especializados. El cigoto es una célula totipotente capaz de dar origen a todas las células del organismo. Durante las primeras divisiones el embrión es una esfera compacta llamada mórula en que todas las células son totipotentes. A los pocos días comienza una primera especialización, de modo que se produce un blastocito. En el blastocito de el embrión antes de la implantación, la masa celular interna contiene células que llegaran a ser el feto. Algunas de estas células son pluripotentes stem cells, que dan lugar a todos los tipos de células somáticas y germinales. 1 2 Aunque las células de la masa celular interna del blastocisto son pluripotentes, no son en sí mismas células madre dentro del embrión, porque no se mantienen indefinidamente como tales in vivo, sino que se diferencian sucesivamente en los diversos tipos celulares durante la fase intrauterina. Lo que ocurre es que cuando se extraen del embrión y se cultivan in vitro bajo ciertas condiciones, se convierten en células inmortales dotadas de dos propiedades: autorrenovación y pluripotencia. Hay que destacar unas diferencias: Por ejemplo, las llamadas stem cells espermatogoniales son unipotentes y producen exclusivamente un tipo de células diferenciadas, los espermatozoides. Mientras tanto, las stem cells hematopoyéticas son multipotenciales y producen los glóbulos rojos y los diferentes tipos de glóbulos blancos, que no son pocos. Las stem cells pluripotenciales, sin embargo, pueden en teoría diferenciarse en cualquier célula corporal, desde en una neurona hasta en un hepatocito. 3 1 Langman, Jam. Embriología médica. 6ª Ed. Buenos Aires: Médica Panamericana. 1993. 2 Langman, Jam. Embriología médica. 6ª Ed. Buenos Aires: Médica Panamericana. 1993. pags. 10-47 Aquí hablaremos de las stem cells multipotenciales y las pluripotenciales. 3 http://revista.libertaddigital.com/articulo.ph p/1275319576
STEM CELLS DE TEJIDO HEMATOPOYETICO Las Stem cells de tejido Hematopoyetico que dan lugar a las células de la sangre y se mueven entre la médula y la sangre periférica son las Stem cells mejor caracterizadas del adulto en seres humanos. Las stem cells hematopoyéticas, mantienen la hematopoyesis y restablecen la producción de células sanguíneas; la expansión clonal anormal de estas stem cells puede terminar en leucemia mielogénica crónica, policitemia vera y síndromes mielodisplásicos. Los datos recientes sugieren que las Stem cells del adulto generan células diferenciadas más allá de su propio tejido, un proceso llamado "plasticidad de desarrollo." 4 En humanos se conoce desde hace años, al igual que en ratones, la célula madre hematopoyética de 4 Abkowitz, J. (2002). Can Hematopoietic Stem Cells Become Skin, Gut, or Liver Cells? The New England Journal of Medicine 346:770-772 adultos, que reside en la médula ósea y que da origen a toda las líneas de células sanguíneas e inmunes. Aunque se conocen desde hace tiempo células madre en tejidos que, como la sangre o la epidermis, presentan gran tasa de proliferación, solo recientemente se han descubierto células madre en órganos que normalmente tienen una baja tasa de renovación, como es el caso del cerebro. Así pues, la novedad ha consistido en reconocer la existencia de células madre pluripotentes en otros tejidos y órganos, y aún más interesante, que algunas de ellas presentan la suficiente flexibilidad como para generar células especializadas de otros linajes. Esto ha supuesto una sorpresa alentadora, ya que aumenta la perspectiva de obtener a largo y medio plazo terapias celulares, sin los problemas éticos asociados a destruir embriones para obtener células madre. Además del potencial hematopoyético, diversos trabajos recientes indican que las stem cells hematopoyéticas, bajo ciertas circunstancias, pueden ser más
potentes de lo esperado dando lugar a tejidos derivados de distintas capas embrionarias. Las células madre hematopoyéticas de médula ósea y de sangre periférica son capaces de contribuir a la angiogénesis y vasculogénesis in vivo de tal forma que las células no sólo contienen progenitores hematopoyéticos sino también células progenitoras endoteliales. MODELOS DE DIFERENCIACIÓN DE STEM CELLS DE ADULTO Los resultados de los estudios de transplantación de stem cells de sangre periférica sugieren que las células responsables de generación de tejidos de órganos sólidos son, como las stem cells hematopoyéticas, un grupo de células mononucleares circulantes. Frisen habló de cuatro hipótesis de cómo stem cells adultas derivadas de médula ósea y sangre periférica pueden diferenciarse en células de tejido no linfohematopoyético: A. Existen varios tipos de stem cells y cada tipo de stem cells se diferencia en el tejido determinado. Este modelo es apoyado por el hecho de que varias células progenitoras con potencial clonogénico circula en la sangre periférica, incluyendo stem cells hematopoyéticas, stem cells mesenquimales, c{células precursoras del endotelio, stem cells de músculo esquelético y células progenitoras de músculo liso. B. La segunda explicación postula que una célula primordial equivalente a una stem cells embrionaria, localizado en médula ósea, sangre periférica o ambos y disponible durante la adultez da origen a varios tipos de stem cells circulantes. C. La tercera explicación plantea el fenómeno conocido como transdiferenciación que consiste en que una stem cells hematopoyética circulante que expresa un camino de diferenciación se desvía de éste, bajo ciertas condiciones, y se convierte en otro tipo de stem cells.
D. Una célula ya diferenciada recupera las características de una stem cells, a través de sangre periférica, se diferencia en células de otro tejido específico (dediferenciación y rediferenciación). Ninguno de estos cuatro modelos de diferenciación de stem cells ha sido probado al explicar los mecanismos subyacentes al desarrollo de la plasticidad de las stem cells. 5 (Ver anexo No. 1) APLICACIONES CLÍNICAS Básicamente hay dos estrategias para el uso de stem cells, derivadas de tejido hematopoyético, en reparación de tejido: 1. Identificación y expandimiento in vitro de células progenitoras adultas multipotentes, como las 5 Körbling, M., Estrow, Z. (2003). Adult Stem Cells for Tissue Repair A New Therapeutic Concept?.The New England Journal of Medicine. 349:570-582 células embrionarias, son capaces de generar tejido endodérmico, mesodérmico y ectodérmico. 2. Se basa en la disponibilidad de un pool sistémico y circulante de stem cells adultas, que puedan ser manipuladas para generar o reparar tejidos. Asumiendo que las stem cells circulantes generan células específicas para órganos in vivo, un concepto clínico de reparación de tejido, requeriría tres condiciones: 1. El pool de stem cells debería ser fácilmente accesible, como en el caso de el pool de stem cells circulante que es rutinariamente usado para el cultivo de stem cells hematopoyéticas. 2. La concentración de stem cells en el sitio de reparación del tejido deberá ser suficiente; esto puede lograrse por movilización inducida por citoquinas de stem cells hematopoyéticas, stem cells mesenquimales, angioblastos y células progenitoras de músculo liso, desde sitios extravasculares,
circulación sanguínea o células directamente entregadas por el tejido. 3. Señales apropiadas para que stem cells exógenas puedan llegar al tejido lesionado. Sin embargo, aun no se entiende la manipulación del microambiente y señales exógenas para la reparación del tejido. 6 TRANSPLANTE NUCLEAR DE STEM CELLS EMBRIONARIAS El transplante nuclear se refiere a la introducción de un núcleo de una célula donante adulta dentro de un oocito sin núcleo. Este transplante nuclear puede ser implantado en un útero y tener la posibilidad de crecer a un infante con las características de la célula donadora adulta; este proceso es llamado clonación reproductiva. 6 Körbling, M., Estrow, Z. (2003). Adult Stem Cells for Tissue Repair A New Therapeutic Concept?.The New England Journal of Medicine. 349:570-582 La terapia de transplante nuclear se diferencia en que el cigoto con el núcleo que fue donado, no es implantado en el útero sino que es cultivado. Con esto se da origen a stem cells embrionarias, que tienen la capacidad de llegar a ser cualquier tipo de células presente en el cuerpo adulto. Este proceso también se conoce como clonación terapéutica. El éxito de ésta depende de la disponibilidad o inmunocompatibilidad del transplante del tejido. Experimentos en animales han mostrado que el transplante nuclear combinada con terapia genética y celular representa una estrategia válida para tratar desordenes genéticos. Una inadecuada reprogramación de el núcleo donado, se piensa que es la principal razón de pérdida de desarrollo de muchos clones. Los avances realizados en la clonación nuclear, permiten llegar a 4 grandes conclusiones: La mayoría de clones mueren en etapas tempranas de la gestación y solamente algunos
sobreviven al nacimiento o más allá de éste. Los animales clonados tienen anormalidades comunes dependiendo de el tipo de células donadoras o especie usada. Estas anormalidades se asocias con la expresión de genes aberrantes, los cuales muy probablemente resulta de una falla en la reprogramación genómica. La eficiencia de la clonación depende de el estado de diferenciación de la célula donadora. Aunque la generación de ratones monoclonales demostró inequívocamente que las células terminalmente diferenciadas pueden permanecer genéticamente tutipotentes, estos resultados no excluyen la posibilidad que muchos animales clonados son derivados de células adultas menos diferenciadas, como las stem cells adultas. El genoma de stem cells adultas puede asemejarse al de stem cells embrionarias lo cual es mas favorable o requiere menos reprogramación que el genoma de una célula diferenciada. La clonación terapéutica, en combinación con la diferenciación potencial de stem cells embrionarias, ofrece un valioso aporte al tratamiento de enfermedades. Las anormalidades asociadas con la clonación reproductiva no se espera que impida el uso de esta técnica para terapia, desde que el proceso parece ser selectivo para células funcionales. Sin embargo, antes de que estos principio puedan ser aplicados clínicamente, será esencial mejorar los protocolos de diferenciación para stem cells embrionarias humanas y evaluar el efecto de proteínas mitocondriales derivadas de oocito en células somáticas obtenidas por transferencia nuclear. En el futuro, puede ser posible generar stem cells embrionarias directamente de células somáticas. 7 7 Konrad Hochedlinger, Ph.D., (2003) Nuclear Transplantation, Embryonic Stem
(Ver anexo No. 2) su uso en adultos con canceres hematológicas esta incrementando. TRATAMIENTO DE LEUCEMIA AGUDA CON TRANSPALNTE DE CORDÓN UMBILICAL O MEDULA OSEA Este estudio consistió en la comparación de resultados de 682 adultos con leucemia quienes recibieron transplante de stem cells hematopoyéticas de un donador no relacionado: 98 recibieron de cordón umbilical y 584 recibieron de médula ósea. Los adultos que recibieron de cordón umbilical, eran más jóvenes, de menor peso y con mayor avance de su enfermedad que los que recibieron transplante de médula ósea. Las células de cordón umbilical y médula ósea son consideradas como origen de stem cells hematopoyéticas para transplante y Cells, and the Potential for Cell Therapy. The New England Journal of Medicine. 349:275-86. Las ventajas de utilizar transplante de células de cordón umbilical son la inmediata disponibilidad de células y la baja necesidad de compatibilidad entre el donador y el que recibe. El factor limitante, es el bajo número de stem cells hematopoyéticas en una unidad de cordón y la compatibilidad de HLA en el tejido. Las variables consideradas en el estudio fueron la edad (media) y el sexo del donador y el que recibe; la compatibilidad de HLA en el caso del cordón umbilical; el estado serológico (positivo o negativo) con respecto a citomegalovirus; las características de la enfermedad; el estado de la enfermedad al tiempo del transplante y las características del transplante. Todos los transplantes de médula ósea fueron con compatibilidad de HLA, mientras que al 94% de los que recibieron stem cells de cordón umbilical les fue dado un tejido incompatible con HLA.
El número de días de recuperación de neutrófilos (mínimo 500 por milímetro cúbico) en el transplante de cordón sanguíneo fue de 26, mientras que en médula ósea fue de 19. la incidencia de recuperación de neutrófilos 60 días después del transplante, fue del 75% en cordón umbilical y 89% de médula ósea. 62 de 98 personas que recibieron transplante de cordón umbilical (63%) y 320 de 584 personas que recibieron transplante de médula ósea (55%) murieron. No hubo significante diferencia en transplante relacionado a mortalidad entre los dos grupos. De igual forma, el riesgo de recaída fue similar. 8 CONCLUSIONES A lo largo del trabajo observamos que en organismo existen células con capacidad de auto renovación y de dar origen a células que se 8 Vanderson Rocha, M.D. (2004) Transplants of Umbilical-Cord Blood or Bone Marrow from Unrelated Donors in Adults with Acute Leukemia. The New England Journal of Medicine. 351:2276-85. comprometerán en líneas diferentes según les corresponda. También conocimos que las stem cells pueden dar origen a células de tejido totalmente diferente al que pertenecían. Además, estas stem cells, pueden ser obtenidas de muchos tejidos del cuerpo, pero preferencialmente de tejido embrionario. Las células madre hematopoyéticas, han sido las mas estudiadas y ha resultado, que estas células, que habitualmente dan origen a células linfohematopoyeticas, pueden dar origen a tejidos totalmente diferentes. Como podemos observar, este gran avance en la medicina puede ser una luz para el tratamiento de aquellas enfermedades degenerativas, aunque puede, este avance, ser mal utilizado convirtiéndose en un negocio para algunos o en experimentación sin fines científicos para otros, siendo causante de tanta controversia ética, moral y religiosa.
DISCUSION Este es uno de los temas de investigación científica que mas controversia genera, sobre todo en el campo ético y religioso. Muchas personas y entidades creen que este tipo de investigaciones solo se realizará con fines económicos, aunque muchos lo puedan tomar así, este no es el principal fin de el estudio de la utilización de las stem cells. Entidades religiosas se preocupan al pensar que las stem cells van a ser utilizadas para dar origen a seres humanos completos que no van a tener una vida normal, no van a tener una familia o no van a ser aceptados socialmente. Pero estas mismas entidades no comprenden que el fin de el estudio de utilización de las stem cells es con otro tipo de fin, el de generar tejidos para detener el avance de enfermedades o recuperar tejidos enfermos que estén afectando a una sociedad o comunidad; además con este estudio también se puede conocer el origen y la recuperación de ciertas enfermedades genéticas. Por eso, a pesar, de tanta controversia y tantos contra que se encuentra ante este estudio, yo estoy de acuerdo con él como una forma de tratamiento para ciertas enfermedades y como una luz para aquellas personas que no tienen una vida normal porque padecen una enfermedad que hasta ahora era incurable. BIBLIOGRAFIA Cooper s: La célula. 2ª Ed. Madrid España. Pags. 600-603 Langman, Jam. Embriología médica. 6ª Ed. Buenos Aires: Médica Panamericana. 1993. Körbling, M., Estrow, Z. (2003). Adult Stem Cells for Tissue Repair A New Therapeutic Concept?.The New England Journal of Medicine. 349:570-582 Abkowitz, J. (2002). Can Hematopoietic Stem Cells Become Skin, Gut, or Liver Cells? The New England Journal of Medicine 346:770-772
Weissman, I. (2002). Stem Cells Scientific, Medical, and Political Issues. The New England Journal of Medicine 346:1576 1579 or Bone Marrow from Unrelated Donors in Adults with Acute Leukemia. The New England Journal of Medicine. 351:2276-85 Konrad Hochedlinger, Ph.D., (2003) Nuclear Transplantation, Embryonic Stem Cells, and the Potential for Cell herapy. The New England Journal of Medicine. 349:275-86. Vanderson Rocha, M.D. (2004) Transplants of Umbilical-Cord Blood
ANEXO No. 1 ANEXOS
ANEXO No. 2