La nueva supermodelo de la biología
Cultivando células humanasISTOCKPHOTO.COM
Hazte a un lado de los ratones. Las células madre pluripotentes inducidas por humanos (iPS) están avanzando a pasos agigantados para convertirse en la siguiente mejor opción en la investigación traslacional: células humanas específicas de enfermedades cultivadas en un plato. Usando una variedad de enfoques, los investigadores generaron células madre a partir de células adultas maduras de pacientes afectados por la enfermedad y posteriormente las diferenciaron en los diversos tipos de tejido involucrados en la enfermedad.
“La idea es que usted puede tener una línea de células madre pluripotentes de un paciente que ya contiene todo el bagaje genético de la enfermedad” dice Gustavo Mostoslavsky, investigador de células madre en la Facultad de Medicina de la Universidad de Boston. Ahora que la generación de células iPS es “rutinaria” agrega, los científicos pueden usar el método para generar modelos de enfermedades in vitro, a partir de los cuales pueden aprender sobre las causas moleculares, así como las posibles prevenciones y tratamientos.
La estrategia está resultando particularmente valiosa para las enfermedades neurodegenerativas, en que…
Las células iPS permiten a los científicos reducir una enfermedad a la pura esencia de lo que está haciendo un trasfondo genético para alterar la función, dice Chad Cowan, investigador de iPSC en el Instituto de Células Madre de Harvard.
En julio de 2008, Kevin Eggan y sus colegas de Harvard generaron neuronas motoras a partir de células de la piel de una mujer de 82 años con esclerosis lateral amiotrófica (ELA), la primera generación exitosa y posterior diferenciación de células iPS de un paciente con una enfermedad crónica. El evento fue presentado como el avance médico del año de la revista TIME. Pero el experimento no abordó si las células iPS retienen las características de la ELA en un elemento crítico del modelado de enfermedades.
Muchos de los primeros estudios de iPSC en realidad no lograron identificar ninguna característica o rasgo de una enfermedad en células derivadas de pacientes. . Luego, en diciembre de 2008, Allison Ebert y sus colegas de la Universidad de Wisconsin-Madison publicaron la primera prueba de concepto de que las células iPS derivadas de pacientes presentaban un defecto asociado con un trastorno, en este caso la atrofia muscular espinal (AME), un trastorno neuromuscular degenerativo. enfermedad.
Neuronas motoras cultivadas a partir de células iPS de pacientes con AME madre sana UW-MADISON UNIVERSITY COMMUNICATIONS, CLIVE SVENDSEN
El equipo generó células iPS a partir de fibroblastos de piel tomados de un niño con AME, que es causada por mutaciones en el gen de supervivencia de la neurona motora 1 (SMN1) que reduce la expresión de la proteína SMN. Las neuronas motoras derivadas de iPS del niño demostraron esta expresión reducida de SMN y mostraron muerte selectiva de neuronas motoras, otra característica de la enfermedad. Las neuronas derivadas de la madre no afectada del niño, con antecedentes genéticos por lo demás similares, no lo hicieron. Las células del niño también respondieron a compuestos que se sabe que aumentan la proteína SMN en los fibroblastos de los pacientes. Debido a que este es un sistema de cultivo de neuronas motoras humanas, podemos estudiar la enfermedad natural directamente en las células humanas afectadas, dice Ebert, lo que probablemente sea más relevante para la condición humana que los modelos animales.
Desde el éxito de Ebert, más Los métodos avanzados de generación de iPSC, una mejor comprensión de las limitaciones de la tecnología iPSC y la adición de compuestos para estresar las células diferenciadas para que produzcan un fenotipo de enfermedad están produciendo cada vez más modelos iPSC específicos de enfermedades.
En 2010, por ejemplo, un equipo dirigido por Alysson Muotri en el Instituto Salk de Estudios Biológicos creó un modelo iPSC para el síndrome de Rett, un trastorno genético del neurodesarrollo, a partir de fibroblastos de pacientes de Rett. Las neuronas derivadas de iPSC mostraron menos sinapsis, cuerpos celulares más pequeños, señalización de calcio alterada y defectos electrofisiológicos. Este año, Muotri, ahora en la Universidad de California en San Diego, también usó células iPS para crear un modelo de una forma hereditaria de ELA, que de manera similar demostró características de la enfermedad, incluidos niveles reducidos de una proteína clave asociada con la ELA. Y en marzo, investigadores de la Universidad de Stanford hicieron lo mismo con fibroblastos de un paciente con enfermedad de Parkinson, un trastorno degenerativo caracterizado por una muerte neuronal progresiva.
Hasta ahora, sin embargo, los modelos iPSC exitosos se limitan en gran medida a los trastornos neurológicos. Esto se debe en parte a que los científicos han concentrado sus esfuerzos en diferenciar las células iPS en neuronas, ya que son un bien preciado: los científicos pueden hacer una biopsia de las células de cáncer de mama y estudiarlas en una placa, pero no pueden extraer las neuronas de una persona con Alzheimer.
Pero debido a que algunas células adultas tienen una vida útil limitada y, a menudo, solo sobreviven unos pocos días en cultivo, la tecnología iPSC es útil para estudiar incluso los tipos de tejido más accesibles, como el hígado o las células grasas. Las células iPS pueden proporcionar a los investigadores una fuente renovable de esas [células], que siempre tienen la misma genética una y otra vez, dijo Cowan. [Esto] realmente nos permite diseccionar lo que salió mal en un individuo en particular para dar lugar a un síndrome. Utilizando células iPS diferenciadas en adipocitos, por ejemplo, Cowan y su equipo han estudiado trastornos metabólicos raros como la lipodistrofia, en la que las personas carecen de grasa, y trastornos más comunes como la resistencia a la insulina.
Fibroblasto: célula adulta típica utilizada para crear Células iPS ISTOCKPHOTO.COM
La tecnología iPSC también es prometedora para estudiar trastornos más complicados, como la enfermedad de Crohn, una enfermedad inflamatoria intestinal. Crohns es notoriamente difícil de estudiar, ya que parece tener componentes tanto genéticos como ambientales e involucra muchos sistemas corporales. Con la tecnología iPSC, Mostoslavsky y sus colegas de BU han creado células iPS de pacientes con enfermedad de Crohn que, con suerte, pueden diferenciarse en todos los tipos de células implicados en la enfermedad, incluidas neuronas, macrófagos, células epiteliales y más. Luego, dice Mostoslavsky, los tipos de células pueden combinarse in vitro para ver cómo interactúan entre sí y con factores ambientales como los patógenos.
Por primera vez, esta es una gran oportunidad para tratar de modelar esta enfermedad. in vitro, usando todos los elementos potenciales involucrados en la enfermedad, dice.
Pronto, las células iPS pueden ser aún más maleables que antes. En un estudio publicado el jueves pasado (14 de julio) en Cell, Rudolf Jaenisch y sus colegas demostraron una nueva técnica para manipular genes individuales en células iPS. La capacidad de modificar los genomas de las células iPS en un sitio específico permitirá a los científicos crear líneas celulares y controles específicos de la enfermedad que sean genéticamente idénticos, excepto por un solo cambio genético.
Aún así, al igual que con otros sistemas modelo , quedan varios desafíos. En febrero, Joseph Ecker y sus colegas del Instituto Salk demostraron que las células iPS tienen «puntos calientes» en sus genomas que no están completamente reprogramados, y estos puntos calientes se conservan incluso después de que las células se diferencian en células somáticas adultas. Los científicos también han descubierto que las células iPS pueden ser más o menos capaces de diferenciarse en ciertos tejidos debido a los patrones de metilación del ADN retenidos o a una memoria epigenética.
Diferencias adicionales pueden derivarse de las técnicas utilizadas para reprogramar las células ( por ejemplo, viral frente a basado en proteínas, etc.), lo que puede dar lugar a diferentes propiedades celulares y moleculares. Además, puede ser difícil generar una población purificada de células iPS o células derivadas de iPSC, dice Ebert. Es posible que los resultados obtenidos no sean totalmente precisos si se trata de una población mixta de celdas.
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