Cooperación entre células del sistema Inmunológico y las Células Madre

Por Waleed Rahmani, Sarthak Sinha and Jeff Biernaskie, publicado en The Sicientist el 1 de Julio de 2016 (traducción N. Jouve)

El conocimiento de las interacciones entre el sistema inmune y las células madre pueden contribuir a sustentar la manera de abordar las terapias regeneradoras basadas en células madre.

Nosotros nos percibirnos como seres estáticos, pero las células de nuestros cuerpos están en flujo constante. Las capas externas de nuestra piel y de la zona intestinal se substituyen cada pocas semanas; las células rojas de la sangre circulan en nuestros cuerpos durante unos 100 días antes de que se substituyen; las células de nuestro hígado y grasa son de más larga duración -un año para una célula del hígado, 10 años en el promedio de las células de la grasa- pero se renuevan en varias ocasiones durante el curso de nuestra vida. Más lentamente, hasta la mitad de nuestras células del corazón se pueden substituir durante una esperanza de vida normal. Y, por supuesto, cuando se pierde tejido fino sano debido a una lesión, aparecen nuevas células para remediar el daño. ¿Cuáles son los procesos biológicos responsables de la renovación celular y la homeostasis de cada órgano? ¿Qué controla la reparación apropiada después de una lesión? ¿Qué permite que organismos como una salamandra regeneren un miembro amputado mientras que los seres humanos forman cicatrices y luchan para regenerar estructuras mucho más simples, tales como pelo?

Éstas y otras preguntas son el objetivo de la investigación en curso en el campo de la medicina regeneradora. Pero lo qué sabemos, y se ha sabido después de casi medio siglo, es que las células madre juegan un papel importante. Las células madre se auto-renuevan para mantener sus números y diferenciarse en células de los tipos especializados que componen nuestros tejidos finos y órganos -una función que llega a ser especialmente importante después de un stress o una lesión. La última meta de la medicina regeneradora es encauzar el potencial regenerador de las células madre para tratar e incluso curar muchas de las enfermedades que sitian a sociedad hoy. A pesar del progreso en la comprensión  del potencial de estas células multipotentes, la desafortunada realidad es que estamos aún lejos de la curación. Una razón posible de esto es el fallo de los científicos de considerar suficientemente qué ocurre entorno biológico que rodea a las células madre.

Durante años, los biólogos que investigan las células madre han centrado su atención en las características intrínsecas de estas células para entender de qué depende la capacidad de autorenovarse y de distinguir entre una gama de tipos de células. Mientras que estas investigaciones han destapado una colección de genes y de proteínas responsables de su carácter de células madre, el papel del microambiente, también conocido como el nicho de la célula madre, ha sido bastante ignorado.  Pero las células vecinas, las proteínas secretadas, la matriz extracelular, las señales metabólicas que circulan tales como oxígeno y glucosa, y parámetros físicos diversos, tales como tensión de esquileo y textura del tejido fino, pueden afectar el comportamiento de las células madre.

Se han cogido diversas células del sistema inmune cuando se lleva a cabo una manipulación de las células madre.

Uno de los ejemplos mejor-estudiados de los ambientes de las células madre de mamíferos es el nicho de célula madre intestinales (ISC = intestinal stem cell). El epitelio del intestino es el tejido fino autorenovavble más rápido del cuerpo debido a los índices excepcionalmente rápidos de división de las célula ISCs’ y la migración rápida de su progenie fuera del lugar de las células madre. Pero el sistema no trabajaría sin la ayuda de las células de Paneth, uno de los cuatro tipos diferenciados de células producidas por las ISCs, que permanecen en el nicho y secretan las proteínas esenciales críticas para la supervivencia del ISC. De hecho, la inactivación genética de las células de Paneth da lugar a una pérdida casi total de las ISCs [1].

Además de las células específicas de lugar, las células madre interactúan regularmente con el ejército de células inmunes móviles y difundidas por el cuerpo. Mirado tradicionalmente como la línea de defensa primaria contra invasores patógenos, el sistema inmune ahora también se reconoce como esencial para la homeostasis del tejido fino y curativo, incluso en ausencia de una infección. Incluso se han recuperado diversas células inmunes durante la manipulación de las células madre.

Los papeles exactos que desempeñan las células inmunes en el lugar de las células madre son dependientes del contexto. Si los macrófagos y las células de T aseguran la homeostasis, promueven la regeneración (ej., un nuevo crecimiento del tejido fino del hígado después de un hepatectomía parcial), o median en establecer la formación de una cicatriz para la reparación del tejido fino, depende de la especie, la etapa de desarrollo, el órgano o el tejido fino de que se trate, la severidad de la lesión, y la disponibilidad de una reserva de células madre. Qué moléculas secretan las células inmunes, y el efecto que tienen en la regeneración, puede cambiar dependiendo del organismo y del tejido fino. En algunos casos, las células inmunes pueden incluso trabajar contra el cuerpo, apoyando el crecimiento y la extensión del cáncer. La comprensión del papel del sistema inmune en la biología de las células madre puede ayudar a clínicos y científicos a responder mejor a las lesiones o a los desequilibrios homeostáticos, así como desarrollar terapias de células madre para tratar diversas dolencias, desde la anemia a la esclerosis múltiple, la distrofia muscular o el paro cardíaco.

Mantenimiento de la homeóstasis

MADURACIÓN MAMARIA; Durante la pubertad, las hormonas activan la maduración de los conductos mamarios rudimentarios, los macrófagos y otras células inmunes emigran a las extremidades de los conductos, donde estimulan rápida proliferación y la ramificación del conducto. See full infographic: WEB  |  PDF© IKUMI KAYAMA/STUDIO KAYAMA

Otro órgano que ineracciona con las células inmunes para regular el volumen de regeneración celular es el cerebro. Se pensaba que esto ocurre solamente durante etapas embrionarias y finales del estadio gestacional en los mamíferos, pero  ahora se sabe que la neurogénesis ocurre a lo largo de la  de vida del adulto en la convolución del hipocampo del cerebro y en la zona subventricular del ventrículo lateral, dos localizaciones donde residen las células madre del sistema nervioso. (Véase “Brain Gain,” The Scientist, October 2015.)  Las investigaciones de los mecanismos celulares que regulan la neurogenesis del adulto han revelado que las células inmunes desempeñan papeles cruciales en los papeles del aprendizaje y memoria dependientes del hipocampo.

NEURONAS NUEVAS: Mientras que las neuronas nuevas se diferencia de las célula madre nerviosas en el hipocampo, las células de T y el microglia se movilizan hacia el sitio neurogénico. Tras una lesión, los macrófagos estimulan la remielinización de las  neuronas.  Ver:  WEB  |  PDF© IKUMI KAYAMA/STUDIO KAYAMA

Una parte integral de la homeostasis en diversos tejidos finos consiste en el reemplazo continuo de los tipos celulares diferenciados. Ahora la investigación está demostrando que las células inmunes que residen dentro del nicho de la célula madre son esenciales para este proceso. Por ejemplo, los macrófagos especializados en la médula permanecen en contacto directo con una célula madre roja de la sangre, un eritroblasto. Sin este contacto directo célula-célula, los eritroblastos no maduran correctamente ni repueblan la sangre con las nuevas células rojas, una deficiencia que puede conducir a una anemia aplásica [2].

Las células inmunes son críticas también para el desarrollo de las glándulas mamarias durante pubertad. En el nacimiento, las glándulas mamarias consisten en los cojines de grasa con unos conductos descendientes rudimentarios. Al principio de la pubertad, las hormonas ováricas accionan la bifurcación y el alargamiento de las estructuras ductal hacia los bordes externos del los cojines de grasa mientras que diversas células inmunes -mamarias, eosinófilas y macrófagos- emigran a la región que rodea las extremidades de los conductos. La interrupción genética o farmacológica de las células y de los macrófagos en ratones ha revelado que estas células inmunes son críticas para la proliferación rápida y la normal ramificación del conducto durante la pubertad. Las células mamarias secretan las proteasas de degradación de la serina, que son necesarias para la interrupción y la reorganización de las fibras del colágeno que rodean los conductos en desarrollo, por ejemplo, [3] mientras que los macrófagos fagotizan los restos de células degradadas (apoptosis) y actúan directamente en las células madre mamarias por un mecanismo desconocido [4], [5].

Los estudios de la médula ósea, la glándula mamaria, y del cerebro revelan que los nichos inmunes de las células madre desempeñan un papel importante en la homeostasis que mantiene nuestros órganos, asegurando un equilibrio estable entre la superpoblación celular y la atrofia bajo condiciones normales. ¿Pero qué ocurre cuando se altera la homeóstasis?

Ante una alteración

REPARACIÓN DEL MÚSCULO: Después de una  lesión aguda del músculo esquelético, las células inmunes locales e infiltradas eliminan el tejido fino dañado, mientras que las células de T ayudan a estimular la regeneración de las nuevas células musculares. Ver:WEB  |  PDF© IKUMI KAYAMA/STUDIOKAYAMA

Los investigadores del instituto de Weizmann de Ciencias de Israel han demostrado que la neurogenesis del hipocampo en roedores, inducida manteniendo a los animales en ambientes enriquecidos, se asocia al reclutamiento de células de T y de microglia (macrófagos del cerebro y de la médula espinal). Por otra parte, los ratones inmuno-deficientes, exhibieron neurogenesis deteriorada del hipocampo lo que condujo a una pérdida de capacidad de aprendizaje espacial y de memoria [6].  Todavía no está claro el mecanismso por el que las células inmunes influencian el lugar de los nervios de las células madre durante la neurogenesis del hipocampo. Sin embargo, dado que solamente un subconjunto pequeño de neuronas recién nacidas se integra en el hipocampo, con la mayoría experimentando muerte por apoptosis, se piensa que la microglia conforma la neurogénesis del hipocampo mediante la rápida fagotización de las neuronas recién nacidas apoptóticas [7].

Quizás el ejemplo mejor-entendido de la cooperación entre células inmunes y células madre esté en el músculo esquelético tras una lesión aguda. La reparación del tejido fino comienza con el retiro de las fibras dañadas del músculo por las células inmunes locales e infiltradas. Las células inmunes raras circulantes, las llamadas eosinófilas mandan señales a las células residentes progenitoras conocidas como células fibro/adipogénicas progenitoras (FAPs) para generar los fibroblastos y a las células de grasa que depositan el colágeno y secretan factores del crecimiento para apoyar la regeneración de las fibras [8].  Concurrentemente, células T secretan una proteína llamada el anfiregulina, que manda a las células madre residentes del músculo conocidas como células satélites basales para que se diferencien en las nuevas células del músculo y para substituir las fibras musculares dañadas [9].

Las interacciones de la célula del sistema inmune con células madre no se restringen al músculo esquelético, sino se han observado en muchos órganos en ratones. Durante la lesión crónica del higado, los macrófagos secretan una proteína llamada Wnt3a, que conduce a la diferenciación de las células madre locales del hígado hacia células de hígado maduro [10]. En el colon, los macrófagos se reclutan para activar la proliferación intestinal de células madre y regenerar epitelio intestinal dañado [11]. En el sistema nervioso, un trabajo reciente ha demostrado que siguiendo una lesión, los macrófagos antiinflamatorios M2 son esenciales para el reemplazo eficiente de la envoltura de mielina, una capa de aislamiento de la sustancia grasa que facilita la transmisión de los potenciales de acción a lo largo de los axones de las neuronas. Específicamente, los macrófagos secretan una proteína llamada el activina-A que acciona las células del progenitor del oligodendrocito (OPCs) para diferenciarse en oligodendrocitos, las células nerviosas responsables de la mielinización [12].

Está llegando a estar claro que las células inmunes son un componente importante de los nichos donde se encuentra las células madre en el cuerpo, con papeles cruciales en la regeneración inducida de la lesión.

Un sistema particularmente interesante en el cual los investigadores han explorado la relación entre las células madre y las células inmunes es el folículo del pelo, uno de los pocos tejidos finos de mamíferos capaces de una regeneración continua a lo largo de la vida. El año pasado, en la Universidad del Sur de California, Cheng-Ming Chuong y sus colegas demostraron que los macrófagos son responsables del nuevo crecimiento de un pelo nuevo después de un deterioro [13]. Cuando los investigadores eliminaron el pelaje de la espalda de los ratones, encontraron que los folículos dañados del pelo debajo de la superficie de la piel secretan, al unísono, una proteína llamada CCL2. En respuesta a esta señal de señal de socorro, los macrófagos emigraron al gradiente CCL2 y hacia los folículos del pelo, donde secretaron una proteína llamada factor de la necrosis del tumor (TNF), que mandaron señales a las células madre del folículo del pelo para producir el pelo nuevo.

Está empezando a estar claro que las células inmunes son un componente importante de los lugares de las células madre, con papeles cruciales en la inducción de la regeneración de una lesión. Teóricamente, ciertas células inmunes deben promover el la regeneración curativa. Sin embargo, la gran diversidad y heterogeneidad encontradas dentro de cada población de células inmunes han hecho difícil desarrollar terapias eficaces. Hace falta más investigación para discriminar suficientemente entre las subpoblaciones de las células inmunes y entender qué células se deben apuntar para dirigir el efecto deseado en los tejidos finos dañados.

Células madre en la una enfermedad

La comunicación entre las células inmunes y las células madre no hace siempre un trabajo beneficioso; ocasionalmente, las interacciones de las células pueden dar lugar a una fibrosis y una disfunción del órgano. En modelos de ratón con daño crónico del músculo, semejante a una distrofia muscular de Duchenne (DMD), la infiltración de células inmunes y la actividad de FAP se prolongan anormalmente, mientras que la capacidad reparativa de las células madre basadas en los satélites basales disminuye. Estas anormalidades, un resultado de defectos genéticos en el gene de la distrofina, conducen a la deposición excesiva y desorganizada de colágeno, que en última instancia causa fibrosis y la pérdida de función del músculo. ¿Por qué sucede esto? La respuesta puede tener que ver con cómo los macrófagos infiltrados se comunican con FAPs.

El año pasado, investigadores en la universidad de British Columbia en Canada demostraron que en la regeneración sana del músculo, los números de FAP aumentan drásticamente tres días después de que la lesión aguda pero decaen rápidamente a los niveles de pre-lesión al quinto día [14]. Resulta que los macrófagos son directamente responsables de la declinación rápida en números de las FAP; las células inmunes secretan TNF, que se une a las FAPs y las conducen a la apoptosis. Sin embargo, en el modelo del ratón con DMD, los macrófagos aumentan la producción de otra proteína llamada el factor de transformación del crecimiento b1 (TGFb1). Al contrario que las TNF, el TGFb1 se une a las FAPs para sobrevivir más tiempo y diferenciarse en las células de secreción de colágeno que, cuando están presentes en exceso,  causan fibrosis muscular y disfunción. Tratamiento con el nilotinib, un fármaco aprobado por la FDA (US Food and Drug Administration) para el tratamiento de una forma de leucemia drogoresistente, conduce a una reducción de la fibrosis muscular en los ratones bloqueando los efectos nocivos del TGFb1.

El entendimiento del papel del sistema inmune en la biología de las célula madre puede ayudar a clínicos y científicos a responder mejor a las lesiones y desequilibrios de homeóstasis, así como para desarrollar terapias de madre vástago para tratar diversas enfermedades.

 Las células inmunes pueden resultar especialmente peligrosas cuando comienzan a apoyar la supervivencia y metástasis de tumores obrando recíprocamente con las células madre del cáncer (CSCs), un subconjunto pequeño de las células del tumor que se autorenuevan y generan la mayoría de las células del tumor. Muchas terapias tradicionales del cáncer matan activamente de forma discriminada a las CSCs y a su progenie, pero las CSCs de división lenta quedan sin tocar, permitiendo una recaída y una metástasis uniforme. Los científicos ahora están intentando entender mejor como apunta a las CSCs. La clave del éxito puede consistir en como engañar a nuestro propio sistema inmune.

Las células inmune más abundantes dentro del microambiente del tumor son los macrófagos. Aunque al principio los biólogos sospecharon que los macrófagos proporcionan inmunidad anti-tumor, ahora sabemos que el microambiente del tumor está enriquecido con las señales que emiten estas células en los macrófagos asociados al tumor (TAMs), que realmente aprovisionan de combustible para la supervivencia del cáncer, malignizan y permiten la invasión y la resistencia a los fármacos. El ácido láctico, por ejemplo, apuntala el cáncer de pulmón y el crecimiento del melanoma convirtiendo los macrófagos normales en TAMs que producen altos niveles del factor endotelial vascular del crecimiento (VEGF) para promover la vascularización del tumor, así como las enzimas que apoyan el metabolismo del nitrógeno, aumentando proliferación celular [15]. De hecho, muchos estudios clínicos han demostrado la existencia de una densidad creciente de macrófagos fuertemente correlacionada con pronósticos malignos en cánceres de tiroides, mama, pulmón e hígado.

Investigaciones recientes han sugerido que algún CSCs anima la transformación de macrófagos normales en TAMs. El año pasado, por ejemplo, un equipo de la clínica de Cleveland encontró que las CSCs en glioblastomas, un cáncer altamente maligno del cerebro, secretan un quimioatrayente llamado periostina que manda a los macrófagos derivados de la sangre a emigrar hacia el tumor, donde se convierten en TAMs. En un modelo de glioblastoma en ratón, el silenciamiento genético de la periostina, redujo el número de TAMs dentro del tumor, con una inhibición del tumor y una extensión de la supervivencia de los ratones afectados [16].

LAS CÉLULAS INMUNES DAÑAN: A veces, las interacciones inmunes y de las células madre no promueven homeostasis o curación, sino que por el contrario conducen a un daño o a una enfermedad adicional. El ejemplo más dramático es la cooperación de los macrófagos tumor-asociados (TAMs) y las células de vástago del cáncer (CSCs) para conducir la proliferación de las células y malignidad e invasividad del tumor, así como resistencia a los fármacos. En glioblastomas, un cáncer altamente malo del cerebro,las  CSCs secretan la periostina un quimioatrayente potente que manda a los macrófagos de la sangre a emigrar al tumor, donde se convierten en TAMs (a la izquierda). Los TAMs entonces secretan factores para promover un crecimiento y la progresión del tumor. © (derecho) IKUMI KAYAMA/STUDIO KAYAMA

Los investigadores están explorando ahora modos de evitar con eficacia la infiltración de los macrófagos y que adquieran la identidad de apoyo al tumor, y como interrumpir la interferencia en curso entre CSCs y TAMs. Un estudio de 2013 del cáncer pancreático del ratón demostró que inhibiendo CSF1R y CCR2, clave para la migración y supervivencia de los receptores del macrófago, disminuía el número total de CSCs pancreático, y aumentaba la eficacia quimioterapéutica y se inhibía la metástasis [17] Cuando trataron a los pacientes humanos con una droga dirigida al CSF1R, los pacientes tenían perceptiblemente menos TAMs en los tumores y mostraban una mejoría clínica [18].

La notable capacidad de las células madre para renovar tejidos en los que residen y para generar diversos tipos de célula maduras es crítica para nuestra existencia. Para realizar sus papeles inherentes de mantenimiento y regeneración del tejido fino, estas células madre dependen de las señales proporcionadas por tipos diversos de células, incluyendo las células inmunes, dentro de los ambientes locales y sistémicos. Estamos en el comienzo de un entendimiento de los papeles complejos y dinámicos del sistema inmune de muchos tipos de células del sistema inmune y de sus relaciones funcionales con las células madre –un conocimiento que es crítico para aprovechar el potencial de las células madre para tratar o curar enfermedades.

Waleed Rahmani es un estudiante de MD/PhD del Department of Comparative Biology and Experimental Medicine de la University of Calgary, Canadá. Sarthak Sinha es un estudiante de neurología de la University of Toronto. Jeff Biernaskie es profesor auxiliar de biología de células madre y de la medicina regeneradora de la University of Calgary donde sostiene la cátedra inaugural de la Calgary Firefighters Burn Treatment Society y para la regeneración de herida de la piel dentro de la facultad de veterinaría. Es miembro del Alberta Children’s Hospital Research Institute and the Hotchkiss Brain Institute

Referencias

[1] T. Sato et al., “Paneth cells constitute the niche for Lgr5 stem cells in intestinal crypts,” Nature, 469:415-18, 2011.
[2] A. Chow et al., “CD169+ macrophages provide a niche promoting erythropoiesis under homeostasis and stress,” Nat Med, 19:429-36, 2013.
[3] J.N. Lilla, Z. Werb, “Mast cells contribute to the stromal microenvironment in mammary gland branching morphogenesis,” Dev Biol, 337:124-33, 2010.
[4] V. Gouon-Evans et al., “Postnatal mammary gland development requires macrophages and eosinophils,” Development, 127:2269-82, 2000.
[5] D.E. Gyorki et al., “Resident macrophages influence stem cell activity in the mammary gland,” Breast Cancer Res, 11:R62, 2009.
[6] Y. Ziv et al., “Immune cells contribute to the maintenance of neurogenesis and spatial learning abilities in adulthood,” Nat Neurosci, 9:268-75, 2006.
[7] A. Sierra et al., “Microglia shape adult hippocampal neurogenesis through apoptosis-coupled phagocytosis,” Cell Stem Cell, 7:483-95, 2010.
[8] J.E. Heredia et al., “Type 2 innate signals stimulate fibro/adipogenic progenitors to facilitate muscle regeneration,” Cell, 153:376-88, 2013.
[9] D. Burzyn et al., “A special population of regulatory T cells potentiates muscle repair,” Cell, 155:1282-95, 2013.
[10] L. Boulter et al., “Macrophage-derived Wnt opposes Notch signaling to specify hepatic progenitor cell fate in chronic liver disease,” Nat Med, 18:572-79, 2012.
[12] S.L. Pull et al., “Activated macrophages are an adaptive element of the colonic epithelial progenitor niche necessary for regenerative responses to injury,” PNAS, 102:99-104, 2005.
[13] V.E. Miron et al., “M2 microglia and macrophages drive oligodendrocyte differentiation during CNS remyelination,” Nat Neurosci, 16:1211-18, 2013.
[14] C.-C. Chen et al., “Organ-level quorum sensing directs regeneration in hair stem cell populations,” Cell, 161:277-90, 2015.
[15] D.R. Lemos et al., “Nilotinib reduces muscle fibrosis in chronic muscle injury by promoting TNF-mediated apoptosis of fibro/adipogenic progenitors,” Nat Med, 21:786-94, 2015.
[16] O.R. Colegio et al., “Functional polarization of tumour-associated macrophages by tumour-derived lactic acid,” Nature, 513:559-63, 2014.
[17] W. Zhou et al., “Periostin secreted by glioblastoma stem cells recruits M2 tumour-associated macrophages and promotes malignant growth,” Nat Cell Biol, 17:170-82, 2015.
[18] J.B. Mitchem et al., “Targeting tumor-infiltrating macrophages decreases tumor-initiating cells, relieves immunosuppression and improves chemotherapeutic responses,” Cancer Res, 73:1128-41, 2013.
[19] C.H. Ries et al., “Targeting tumor-associated macrophages with anti-CSF-1R antibody reveals a strategy for cancer therapy,” Cancer Cell, 25:846-59, 2014.