Un nuevo Supermodelo de la biología para la investigación de enfermedades

Por Megan Scudellari, publicado en The Scientist, el 20 de Julio de 2011(traducido por N. Jouve)

Las células madre pluripotentes inducidas (iPS) representan una nueva herramienta de la biología muy potente para el estudio de las enfermedades humanas.

Las células madre inducidas pluripotentes humanas (IPS) están dando pasos agigantados para convertirse en la mejor herramienta para la investigación de enfermedades específicas en laboratorio. Gracias a un repertorio de aproximaciones experimentales, los investigadores han generado las células madre inducidas pluripotentes maduras de pacientes adultos aquejados por alguna enfermedad y posteriormente han dirigido estas células hacia los tipos de tejidos implicados en la enfermedad.

Cultivo in vitro de células humanas 

“La idea es que ya se puede tener una variedad de células madre inducidas pluripotentes humanas procedentes de un paciente que contenga todo el fondo genético de la enfermedad,” dice Gustavo Mostoslavsky, un investigador de la Boston University School of Medicine. Ahora que la producción de las células IPS es “rutina”, agrega, los científicos puede utilizar el método para generar modelos in vitro de la enfermedad, de los cuales pueden aprender sobre las causas moleculares, así como analizar la prevención y estudiar tratamientos potenciales.

La estrategia está siendo particularmente útil para las enfermedades neurodegenerativas, en las cuales no es fácil, ni seguro, ni ético, extraer las células afectadas del cerebro. En su lugar, los investigadores pueden extraer células más accesibles, tales como de la piel, pasarlas a un estado pluripotente y después reprogramarlos a neuronas. Además, las células  IPS se pueden multiplicar en cultivo y/o congelar por años, proporcionando una fuente ilimitada de células de un solo paciente que pueda ser utilizado para crear cualesquiera tipos de la célula necesitados para el estudio de una enfermedad particular, ahora o en el futuro.

Las células IPS permiten que los científicos puedan determinar de una enfermedad concreta “qué fondo genético está implicado en la alteración de la función,” dice Chad Cowan, un investigador del Harvard Stem Cell Institute.

En julio de 2008, Kevin Eggan y sus colaboradores de Harvard generaron neuronas motoras a partir de células de la piel de una mujer de 82 años con esclerosis lateral amiotrófica (ALS) – primer éxito de obtención y diferenciación subsecuente de células IPS de un paciente con una enfermedad crónica. El acontecimiento fue presentado como el acontecimiento médico del año por la revista TIMEs. Pero el experimento no pasó al análisis de  si las células IPS conservan las características de la enfermedad ALS, un elemento crítico para el uso como modelo.

Muchos de los primeros estudios con células IPS no pudieron realmente identificar las características o rasgos de las células derivadas de una enfermedad del paciente de que provenían. Hasta que, en diciembre de 2008, Allison Ebert y sus colaboradores de la universidad de Wisconsin-Madison publicaron la primera prueba-concepto de que las células IPS derivadas de paciente exhibían un defecto asociado a un desorden, en este caso atrofia muscular espinal (SMA), una enfermedad neuromuscular degenerativa.

Neuronas motoras producidas a partir de células IPS de pacientes con SMA

El equipo generó las células del IPS de los fibroblastos de la piel tomados de un niño con SMA, causado por mutaciones en el gen SMN1l, responsable de la supervivencia de neuronas motoras tipo 1, que reduce la expresión de la proteína SMN. Las neuronas motoras IPS derivadas del niño demostraron esta expresión reducida de SMN y demostraron la muerte selectiva de las neuronas motoras, otra característica de la enfermedad. Esto no ocurría sin embargo en las neuronas motoras derivadas de células IPS de la madre inafectada del niño. Las células del niño también respondieron a los compuestos conocidos de aumento de la proteína SMN. “Dado que ahora disponemos de un sistema humano de cultivos de neuronas motoras, podemos estudiar la enfermedad natural directamente en células humanas afectadas, señaló Ebert, lo que es más aproximado a la condición humana que los modelos animales.

Desde el éxito de Ebert, los métodos más avanzados de generación de células iPS, una comprensión mejor de las limitaciones de la tecnología de estas células, y la adición de los compuestos para producir las células implicadas en un fenotipo de la enfermedad están apareciendo modelos de células IPS más y más específicos de enfermedad.

En 2010, por ejemplo, un equipo dirigido por Alysson Muotri del Salk Institute for Biological Studies, creó un modelo de células iPS para el estudio del  Síndrome de Rett -un desorden genético del desarrollo del sistema nervioso-, a partir de fibroblastos de pacientes de Rett. Las neuronas derivadas de células iPS de estos pacientes exhibieron poca sinapsis, cuerpos celulares más pequeños, alteraciones patentes del calcio y defectos electrofisiológicos. Este año (2011), Muotri, ahora en la universidad de California, San Diego, ha creado otro modelos de células iPS para el estudio de una forma heredada de ALS, que ha demostrado las características de la enfermedad, incluyendo niveles reducidos de una proteína dominante asociada al ALS, Del mismo modo, están en marcha, investigaciones en la universidad de Stanford, a partir de fibroblastos de un paciente con Enfermedad de Parkinson, un desorden degenerativo caracterizado por muerte neuronal progresiva.

Hasta el momento, sin embargo, los aciertos de los modelos con células iPS se limitan en gran parte a los desórdenes neurológicos. Esto es así, en parte porque los científicos han concentrado su esfuerzo en convertir células iPS en neuronas, puesto que ofrecen facilidades. Sin embargo, hay limitaciones en otros casos. Se puede hacer una biopsia de células del cáncer de mama y estudiarlas en el laboratorio pero no se pueden eliminar las neuronas de un individuo con enfermedad de Alzheimer.

Dado que algunas células adultas tiene una limitada esperanza de vida y sobreviven a menudo solamente unos pocos días en cultivo, la tecnología de las células IPS  es útil para estudiar los tipos más accesibles de tejidos finos, tales como hígado o células de grasa. Las células IPS pueden proveer a los investigadores “una fuente renovable de estas células, que  tienen siempre la misma carga genética”, dijo a Cowan. Por ejemplo, usando las células IPS derivadas de adipocitos, Cowan y su equipo han estudiado desórdenes metabólicos raros como la lipodistrofia, en la cual la carencia de la grasa de los individuos, y un desorden más común como es la resistencia a la insulina. 

Fibroblasto típico humano del que se derivan las células iPS.

La tecnología de las células iPS promete asistir también al estudio de los desórdenes más complejos, tales como la enfermedad de Crohn, una enfermedad inflamatoria del intestino. Crohn es especialmente difícil de estudiar, pues parece tener componentes genéticos y ambientales e implica muchos sistemas corporales. Con la tecnología de las células iPS, Mostoslavsky y sus colaboradores han obtenido las células del IPS de los pacientes de Crohn que esperanzadamente pueden generar todos los tipos de células implicadas en la enfermedad, incluyendo las neuronas, los macrófagos, las células epiteliales y otras. De este modo, dice Mostoslavsky, “los tipos de células se pueden combinar juntos in vitro para considerar cómo actúan recíprocamente con uno u otros factores ambientales para producir la enfermedad. Por primera vez, ésta es una gran ocasión de intentar modelar esta enfermedad in vitro, usando todos los elementos potenciales implicados en la enfermedad”.

Las células iPS pueden ser aún más maleables que antes. En un estudio publicado el 14 de julio de 2011 en  Cell, por Rudolf Jaenisch y los colegas demostraron una nueva técnica para corregir genes individuales alterados en células IPS. Se trata de afianzar la eliminación o sustitución de una sola base nucleotídica de sitio-específico, para modificar genes de las células iPS, lo que permitirá que los científicos creen las variedades de células y los controles de enfermedad-específicos genéticamente idénticos, mediante un solo cambio genético.

No obstante, como con otros sistemas modelo, sigue habiendo varios desafíos. En febrero, José Ecker y los colegas del Salk Institute for Biological Studies demostraron que las células iPS tienen “hotspots” (puntos calientes) en sus genomas que no están totalmente reprogramados, y se conservan estos hotspots incluso después de que las células se distingan de las células somáticas de adulto. Los científicos también han encontrado que las células iPS pueden ser más o menos capaces de distinguirse en ciertos tipos de tejidos finos debido a patrones conservados de metilación del ADN, como una “memoria epigenética.”

Otras diferencias adicionales en el modo de aplicar la tecnología pueden provenir de las técnicas usadas para reprogramar las células (ej. uso de vectores virales o de proteínas, etc.), que puede resultar variable según las diversas características celulares y moleculares. Además, puede ser difícil generar una población purificada de cualquier tipo de células IPS derivadas de estas, dice a Ebert. “Los resultados que estamos consiguiendo no pudieron ser totalmente exactos, ya que se trata de una población mezclada de células.