La diferenciación celular es un proceso fundamental en el desarrollo de todos los organismos multicelulares. A medida que las células se dividen y proliferan, se someten a una especialización progresiva, dando lugar a una amplia gama de tipos celulares con funciones únicas. La biología del desarrollo estudia cómo, a partir de una única célula, se genera un organismo entero formado por diferentes tipos de células. La comprensión de la diferenciación celular y los diferentes tipos de células madre es fundamental para avanzar en la biología del desarrollo y la medicina regenerativa.
Tipos de Células Madre según su Potencial de Diferenciación
Las células madre se clasifican en función de su potencia celular, es decir, el número de diferentes tipos celulares en los que pueden diferenciarse. A grandes rasgos, se dispone de dos tipos principales de progenitores celulares: las células madre embrionarias y las células madre adultas.
Células Totipotentes
Las células totipotentes son las células madre embrionarias más primitivas. Tienen la extraordinaria capacidad de diferenciarse en cualquier tipo de célula del cuerpo, tanto embrionaria como extraembrionaria. Esta versatilidad permite el desarrollo de un organismo completo a partir de un solo cigoto, siendo este el paradigma de célula totipotencial. Únicamente el cigoto y las descendientes de las dos primeras divisiones son células totipotenciales, capaces de formar tanto el embrión como el trofoblasto de la placenta.
El cigoto posee 46 cromosomas, y su división celular da lugar a dos células, las cuales son totipotenciales con capacidad de proliferar indefinidamente in vitro. La fecundación es el proceso constituyente de un nuevo ser, el inicio para el desarrollo del nuevo individuo completo, siendo la etapa unicelular de un nuevo ser.
Células Pluripotentes
Las células pluripotentes son células madre embrionarias que tienen la capacidad de diferenciarse en cualquier tipo de célula de los tres linajes germinales (endodermo, mesodermo y ectodermo). Sin embargo, a diferencia de las células totipotentes, no pueden dar lugar a estructuras extraembrionarias. Se encuentran en el embrión interno y son esenciales para el desarrollo de los tejidos y órganos. Las células pluripotenciales forman linajes celulares y, entre ellas, las más estudiadas son las células madre embrionarias.
A los cuatro días, las células totipotenciales empiezan a diferenciarse, formando el blastocisto y la masa celular interna. Las células de la masa celular interna son consideradas pluripotenciales y pueden diferenciarse en las tres líneas germinales (endodermo, mesodermo y ectodermo), pero pierden la capacidad de formar la placenta.
Células Madre Pluripotentes Inducidas (iPSC)
Hoy es posible manipular células humanas de adulto y generar células con pluripotencialidad inducida (iPS). Este tipo de células se puede obtener directamente de células adultas con una técnica desarrollada en 2006 por el Dr. Shinya Yamanaka, quien insertó cuatro genes de pluripotencialidad de las células madre en células somáticas. Se ha comprobado que las iPS poseen el mismo potencial de crecimiento y diferenciación que las células madre embrionarias.
Como ventajas técnicas, las iPS no inducen rechazo inmunológico, lo que abre la posibilidad de crear fármacos específicos para un paciente determinado, siendo además una técnica muy sencilla y con coste reducido.
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Células Multipotentes
Las células multipotentes son células madre adultas que tienen la capacidad de diferenciarse en un número limitado de tipos celulares relacionados. Por ejemplo, las células madre hematopoyéticas pueden diferenciarse en todos los tipos de células sanguíneas. Se encuentran en tejidos y órganos específicos y juegan un papel crucial en la reparación y el mantenimiento de los tejidos.
En el organismo adulto, las células madre y las células germinales actúan en la regeneración o reparación de los tejidos del organismo. La mayoría de los tejidos de un organismo adulto poseen una población residente de células madre que permiten su renovación periódica o su regeneración cuando se produce algún daño tisular. Algunas células madre adultas son capaces de diferenciarse en más de un tipo celular, como sucede con las células madre mesenquimales y con las hematopoyéticas.
Células Unipotentes
Las células unipotentes son células madre adultas que solo pueden diferenciarse en un tipo de célula específica. Por ejemplo, las células madre de la piel solo pueden diferenciarse en células de la piel. Se encuentran en tejidos y órganos específicos y están destinadas a reponer un tipo particular de célula.
La Primera Diferenciación Celular: Desarrollo del Blastocisto
Investigadores del Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares (CNIC) han descubierto la clave de la aparición de los dos primeros tipos de células de los mamíferos, que se establecen antes incluso de que se forme el embrión, en la etapa de desarrollo en la que los mamíferos están en la fase de blastocisto.
El blastocisto es una estructura embrionaria presente en las etapas tempranas del desarrollo de mamíferos, antes de la implantación en el útero materno. Está compuesto por entre 64 y 100 células que rodean una cavidad central. Antes de que el embrión alcance este estadio, todas las células que lo forman son equivalentes y totipotentes, es decir, son capaces de formar todas las estructuras del embrión.
Pero con la formación del blastocisto ocurre la primera distinción entre células. En esta etapa del desarrollo temprano pueden suceder abortos espontáneos, generalmente debidos a que el embrión tiene defectos estructurales que le impiden desarrollarse.
Establecimiento de Linajes Embrionarios y Extraembrionarios
Como consecuencia de esta primera decisión de linaje que ocurre en el blastocisto, se establecen dos poblaciones de células:
- Las que darán lugar al trofectodermo (origen de la futura placenta y membranas amnióticas).
- Las que formarán la masa celular interna, origen del resto del embrión y del organismo adulto.
"Esta segregación es clave ya que, por un lado, las células embrionarias pierden su totipotencialidad y, por otro, se genera un tejido, el trofectodermo, que es característico de mamíferos", explica el Dr. Miguel Manzanares, principal autor de un estudio relevante en este campo. De este tejido se origina el trofoblasto que, tras diferenciarse en varios tipos celulares, forma la placenta y las membranas amnióticas.
El Papel del Gen Cdx2 y la Vía Notch
Es en la formación del trofectodermo donde juega un papel fundamental el gen Cdx2, esencial en la segregación del trofectodermo frente a la masa celular interna.
El equipo del Dr. Manzanares, con Teresa Rayón (primera firmante del estudio) y Sergio Menchero, en colaboración con el grupo del Dr. José Luis de la Pompa del CNIC y otros investigadores, han identificado un elemento regulador de la función de Cdx2. "El elemento que hemos descubierto dirige la expresión de un gen marcador de una manera restringida al trofectodermo, siendo esencial para comprender la información que recibe y procesa Cdx2 para activarse y ejercer su función", subraya Teresa Rayón.
Además, han descubierto que la vía de señalización de Notch está implicada en la formación del trofectodermo junto con Tead4, un gen recientemente implicado en esta primera decisión. Los investigadores han caracterizado que la regulación conjunta y en paralelo de Notch y Tead4 se procesa sobre el elemento regulador de Cdx2 identificado, de tal forma que se garantiza el correcto desarrollo del embrión, ya que demuestra que existen mecanismos de compensación en estos estadios de desarrollo para favorecer la viabilidad del embrión.
"Los aspectos importantes de la especificación temprana del trofectodermo se conservan entre humano y ratón, por lo que el conocimiento de los procesos de formación de linajes murinos nos ayudará a comprender mejor lo que ocurre en humanos y favorecerá la mejora de las tecnologías de reproducción asistida", apunta el Dr. Manzanares. Este hallazgo fue publicado en la revista Developmental Cell en agosto de 2014.
Aplicaciones Clínicas de las Células Madre
Las células totipotentes y pluripotentes tienen el potencial de revolucionar la terapia celular y la medicina regenerativa. Su capacidad para diferenciarse en una amplia gama de tipos celulares las convierte en una fuente prometedora de células para reparar tejidos dañados y tratar enfermedades. La primera aplicación principal es la que se les ha dado aprovechando su potencial de diferenciación en el uso de la regeneración de tejidos destruidos o dañados, como terapia de reemplazo celular o medicina regenerativa.
Las principales investigaciones se han desarrollado con la finalidad de diferenciarlas in vitro hacia otros tejidos como páncreas, condrocitos y cardiomiocitos, entre otros, con el objetivo de llegar a ser una fuente de reemplazo celular. También tienen otras aplicaciones, como el vehículo terapéutico de genes para enfermedades monogénicas o como vehículo de terapias antitumorales.
Actualmente existen muchas investigaciones enfocadas a descubrir células progenitoras que sirvan como banco de células para usos terapéuticos, habiéndose evaluado varias estrategias, las que incluyen terapias celulares derivadas de células autólogas y terapias celulares derivadas de líneas celulares establecidas desde una variedad de células madre que incluyen médula ósea, cordón umbilical, células madre embrionarias, así como células de tejidos y órganos de animales genéticamente modificados.
La principal aplicación de las células madre es con la médula ósea, la cual es un recurso celular propio, accesible y abundante para la terapia celular de células madre autólogas.
Células Madre de la Médula Ósea
La médula ósea ha demostrado ser la mejor fuente de células madre del organismo adulto. Se han descrito diferentes tipos de células madre en la médula ósea:
- Células madre hematopoyéticas (HSC): Identificadas tanto in vitro como in vivo, y utilizadas clínicamente desde hace más de 50 años. El trasplante alogénico de progenitores hematopoyéticos ha demostrado definitivamente que existen células madre multipotenciales hematopoyéticas en la médula ósea y en la sangre periférica. Son capaces de contribuir a la angiogénesis y vasculogénesis in vivo, y de diferenciarse en células de músculo cardíaco y hepatocitos.
- Células madre mesenquimales (MSC): También denominadas células madre estromales, capaces de diferenciarse a tejidos mesodérmicos funcionales, como osteoblastos, condroblastos, adipocitos y mioblastos esqueléticos. Se encuentran en otros tejidos como el músculo, la piel y el tejido adiposo.
- Células "side population" (SP): Han sido aisladas tanto a partir de médula ósea como de músculo. Se sabe que las SP son capaces de diferenciar a HSC en humanos, roedores y otras especies.
- Células progenitoras multipotenciales adultas (MAPC): Descritas como auténticas células pluripotenciales con una capacidad diferenciadora muy similar a las células madre embrionarias. Son capaces de proliferar in vitro más de 120 divisiones celulares sin un aparente envejecimiento, manteniendo altos niveles de telomerasa.
La médula ósea del individuo adulto contiene numerosas poblaciones celulares, incluyendo células primitivas que constituyen un grupo heterogéneo.
Otras Fuentes de Células Madre Adultas
Además de la médula ósea, se han encontrado células madre adultas en:
- Sangre del cordón umbilical: De donde se pueden aislar células madre multipotentes con características embrionarias y hematopoyéticas. Estas células madre adultas se diferencian en células de la sangre y del sistema inmunológico.
- Tejido adiposo: Existe una población de células localizadas en la fracción vascular del estroma del tejido adiposo susceptibles de diferenciarse en múltiples líneas celulares y con capacidad de autorrenovarse. Son células con una gran plasticidad (diferenciación miógena, neuronal y cardiomiocítica).
- Músculo esquelético: Contiene células satélites que permanecen en un estado quiescente bajo la membrana basal de las fibras musculares esqueléticas maduras.
- Corazón: Existe una población de células madre cardíacas residentes capaces de diferenciarse en cardiomiocitos, células musculares lisas y células endoteliales que contribuyen a la regeneración miocárdica.
- Líquido amniótico: Sus células madre se expanden fácilmente en cultivo, mantienen la estabilidad genética y se pueden inducir para su diferenciación también en células hematopoyéticas.
Desafíos y Perspectivas Éticas
Trabajar con células embrionarias es un tema controvertido éticamente, y los científicos de todo el mundo están buscando otras fuentes de células madre. El hecho de que estas células implican el uso de embriones humanos y de tejido cadavérico fetal conlleva un cuidadoso examen de las cuestiones éticas relacionadas con el progreso de la investigación biomédica.
Las investigaciones médicas opinan que es necesario proceder con las investigaciones de las células madre embrionarias porque las tecnologías resultantes podrían tener un gran potencial médico, y que el exceso embrionario creado por la fertilización in vitro puede ser donado para las investigaciones. Esto en cambio, produjo conflictos con el movimiento Pro-Life (Pro-Vida), quienes adjudican la protección de embriones humanos.
A pesar de las grandes expectativas, es fundamental mantener un espíritu crítico y realista al analizar los avances científicos en esta área. Los inconvenientes están relacionados con cuestiones éticas y legales, la necesidad de inmunosupresión si se utilizan células alogénicas y la capacidad oncogénica de estas células (formación de teratomas).