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Células embrionarias pluripotentes
INTRODUCCIÓNEl cuerpo humano se compone de una gran variedad de células especiali-
zadas en diferentes funciones. Esta especialización determina una divergencia
extrema en la apariencia externa y capacidad funcional de cada una de las cla-
ses de células que componen un organismo. Por ejemplo, una célula ósea difiere
extraordinariamente en su apariencia externa de una neurona y no podría rea-
lizar sus funciones especializadas. La composición y diversidad celular de
nuestro cuerpo, salvo excepciones, está presente en el momento de nacer y nos
acompaña hasta la muerte. Sin embargo, a pesar de su gran heterogeneidad, to-
das nuestras células descienden de única célula embrionaria: el zigoto. Durante
el desarrollo embrionario ocurren dos importantes procesos que conducen a la
composición final del recién nacido; por un lado el zigoto se multiplica por di-
visión, generando el número de células necesarias para la construcción del or-
ganismo, y en paralelo, distintos linajes celulares se diferencian en poblaciones
celulares que adoptan las características propias de su identidad.
Una vez diferenciadas, las células disponen de un periodo de vida limita-
do y deben ser reemplazadas por otras nuevas para mantener la función de
los tejidos y órganos del individuo. En el embrión temprano existe una po-
CÉLULAS EMBRIONARIAS PLURIPOTENTESMiguel Torres. Científico titular del Departamento de Inmunología y OncologíaCentro Nacional de Biotecnología, CSIC-Pfizer
Células embrionarias pluripotentesBIOTECNOLOGÍA APLICADA6º Curso de
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blación de células, las células troncales embrionarias, capaz de diferenciarse
en cualquier tipo celular del organismo, y por lo tanto, capaz de aportar todos
los tipos celulares necesarios para la construcción de los distintos tejidos y
órganos. En el individuo ya desarrollado, son las células troncales adultas las
que heredan esta capacidad y aportan a cada tejido u órgano un flujo cons-
tante de nuevas células, que sustituyen a las envejecidas o dañadas por enfer-
medad o accidente, regenerando órganos y tejidos. Sin embargo, la capacidad
de regeneración es muy variable según el tejido; desde casi nula en el caso
del Sistema Nervioso Central, o muy reducida en el caso del páncreas, hasta
muy activa en el caso de la piel, el sistema hematopoyético o el hígado. Esta
circunstancia determina que la pérdida o deterioro de una población celular
concreta durante la vida adulta sea, en muchos casos, insustituible de manera
espontánea.
La carencia de las funciones realizadas por las células dañadas provoca el
sufrimiento de enfermedades crónicas como la diabetes, el Parkinson, la escle-
rosis múltiple, etc. ó la pérdida de determinadas funciones, como las parálisis
sufridas tras una lesión de médula. Una de las soluciones para resolver este ti-
po de enfermedades sería la disponibilidad de células embrionarias totipotentes,
capaces de especializarse en las funciones perdidas durante la vida adulta. Sin
embargo, las células troncales embrionarias se encuentran de manera natural en
el embrión en estadio de blastocisto, en número muy limitado y en una ventana
de tiempo muy restringida. Por esta razón, la posibilidad de usarlas depende de
la capacidad de aislar y multiplicar las células troncales embrionarias de mane-
ra controlada en el laboratorio.
LAS CÉLULAS TRONCALES EMBRIONARIAS: OBTENCIÓN,CARACTERÍSTICAS Y APROXIMACIONES TERAPÉUTICASEXPERIMENTALES
El aislamiento y cultivo de células troncales embrionarias se consiguió por
primera vez a partir de blastocistos de ratón en el año 1981 (Figura 1), cono-
ciéndose universalmente como células ES (según la denominación inglesa
"Embryonic Stem") (1,2). Las células aisladas mostraron características excep-
cionales; por un lado, se multiplican indefinidamente en cultivos in vitro, y a la
vez, si se les proporciona las condiciones adecuadas, se diferencian dando lu-
gar a las distintas cé-
lulas especializadas
del organismo. Las
conclusiones deriva-
das del cultivo y uso
de las células ES en
el ratón son contun-
dentes. Células ES
mantenidas en culti-
vo por periodos pro-
longados son capa-
ces de mezclarse con
células de un em-
brión en desarrollo,
contribuyendo célu-
las sanas y funciona-
les a todos los teji-
dos de un animal
adulto (Figura 2). A pesar de haber acumulado un número indefinido
de divisiones in vitro, las células ES no parecen "envejecer", ya que
los animales generados a partir de estas células no presentas sínto-
mas de envejecimiento prematuro. Estas características se relacionan
con una alta actividad telomerasa y con la expresión de otros marca-
dores relacionados con el mantenimiento del estado indiferenciado y
proliferante.
En 1998 se consiguió por primera vez obtener y propagar in
vitro líneas de células pluripotentes aisladas de blastocistos y de
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Células embrionarias pluripotentes
Figura 1: Establecimientode líneas de célulastroncales embrionarias.
Figura 2: Contribuciónde las células ES a laformación de quimerasde ratón con colonizaciónde la línea germinal.
gónadas fetales humanas (3, 4). Al igual que sus homólogas de ratón, las cé-
lulas pluripotentes embrionarias humanas se multiplican indefinidamente en
cultivos artificiales, pero si se les proporciona las condiciones adecuadas, se
diferencian dando lugar a las distintas células especializadas del organismo.
Los cultivos de células ES humanas representan por lo tanto una fuente ili-
mitada de células jóvenes capaces de contribuir a cualquier tejido del orga-
nismo adulto (5, 6).
En modelos experimentales animales se han producido ya varios ejem-
plos del potencial terapéutico de las células ES. Se ha descrito, por ejemplo,
la diferenciación de células ES de ratón hacia músculo cardíaco y su im-
plantación con éxito en el corazón de un animal adulto (7). En estudios si-
milares, se han observado mejorías de lesiones medulares y enfermedades
neurodegenerativas trasplantando, respectivamente, poblaciones de neuro-
blastos o gliales diferenciadas in vitro a partir de células ES de ratón (8, 9).
También se han conseguido derivar células beta-pancreáticas funcionales a
partir de células ES, mediante un proceso de diferenciación y purificación.
La posterior implantación de estas células en modelos experimentales de
diabetes ha eliminado los síntomas de la enfermedad, demostrando la efica-
cia de la aproximación (10).
LIMITACIONES PRESENTES EN LA APLICACIÓN DE LASCÉLULAS TRONCALES EMBRIONARIAS EN TERAPIA HUMANA
Existen al menos tres problemas conocidos que impiden prever qué enfer-
medades se beneficiarán de la nueva técnica y cuándo será posible su aplica-
ción.
En primer lugar, las células ES de ratón forman teratocarcinomas al ser
implantadas en estado indiferenciado en animales de laboratorio. Este problema
desaparece si se implantan después de su diferenciación total ó parcial in vitro,
por lo que cualquier protocolo de transferencia de células ES deberá incluir un
paso previo de diferenciación in vitro.
Un segundo problema para la aplicación terapéutica de las células ES resi-
de en la dificultad de obtener células diferenciadas a un linaje celular puro.
Cuando se estimula su diferenciación, las células ES son capaces de originar
cualquier tipo celular, pero raramente lo hacen de manera homogénea, sino que
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Células embrionarias pluripotentesBIOTECNOLOGÍA APLICADA6º Curso de
dan lugar a poblaciones de células en las que se mezclan distintos tipos espe-
cializados. Idealmente deberíamos ser capaces de controlar las vías elegidas
por las células ES cuando se diferencian (6, 11). Gracias a experimentos en cé-
lulas en cultivo y a modelos animales como el ratón, hoy conocemos genes de
diferenciación que controlan estas vías. Por ejemplo, existen genes miogénicos
que determinan la diferenciación hacia músculo, neurogénicos que inducen la
diferenciación hacia neuronas, genes que determinan los distintos tipos celula-
res pancreáticos, otros implicados en determinar los diferentes tipos celulares
de la hipófisis y un largo etcétera. La activación controlada de genes de dife-
renciación en las células ES podría producir el tipo celular deseado para cada
aplicación. Un ejemplo práctico de esta aplicación es la estimulación de la pro-
ducción in vitro de células troncales hematopoyéticas a partir de células ES de
ratón por la sobreexpresión del factor de transcripción HoxB4 (12). Alternati-
vamente, se pueden exponer los cultivos a factores difusibles capaces de ins-
truir a las células sobre la vía de diferenciación a seguir. Muchos de estos fac-
tores de crecimiento tienen ya aplicaciones terapéuticas y su utilización sería
fácil y directa. Algunas de estas aproximaciones se han aplicado ya con éxito
para dirigir la diferenciación de células ES a determinados linajes in vitro (11).
El tercer problema sería que las células implantadas podrían sufrir el mis-
mo tipo de rechazo inmune que se produce en el trasplante de órganos. Antes
de su utilización habría que establecer bancos de distintas líneas de celulares
compatibles con el sistema inmune de cada uno de los posibles receptores, una
tarea abordable con la tecnología disponible en este momento, pero sin duda
laboriosa. Una posibilidad en este contexto sería utilizar técnicas de clonación
por transferencia nuclear, mediante lo cual se pueden generar líneas de células
troncales personalizadas a partir de células somáticas de cada individuo (13).
Esta aproximación se ha demostrado viable en animales de experimentación y
sería la solución definitiva al problema del rechazo.
COMBINACIÓN DE TERAPIA CELULAR Y TERAPIA GÉNICA PORMUTAGÉNESIS DIRIGIDA: ¿UNA VENTAJA TERAPÉUTICA DELAS CÉLULAS TRONCALES EMBRIONARIAS?
En aquellos casos en que una población celular determinada esté da-
ñada debido a un defecto genético congénito o adquirido, el autotransplan-
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te, simple o por clonación, no sería eficaz. Por otro lado, el trasplante de
células sanas ajenas plantearía los problemas de rechazo antes menciona-
dos. De nuevo el modelo experimental de ratón ofrece una posible solu-
ción idónea a este problema. La tecnología de células ES en el ratón se ha
explotado fundamentalmente como una vía para la producción de animales
modificados genéticamente (14, 15). La repercusiones de esta aplicación
han sido, y serán en el futuro, de gran importancia. Baste mencionar la
disponibilidad de modelos de ratón que reproducen patologías humanas,
como el cáncer, la esclerosis múltiple o la diabetes, o el avance en el co-
nocimiento sobre cómo los genes determinan los distintos linajes celulares
que componen el organismo. Gracias a esto, las técnicas de modificación
dirigida del genoma del ratón se han desarrollado enormemente, y en la
actualidad permiten realizar de manera "limpia" mutaciones puntuales, de-
leciones, inserciones, sustituciones, translocaciones, inversiones, mutacio-
nes inducibles etc. El potencial terapéutico de estas aproximaciones sería
extraordinario en el caso de que se pudieran aplicar a la reparación del ge-
noma en células ES humanas. La reparación genética mediante estas técni-
cas representaría la terapia génica idónea, al reestablecer un genoma intac-
to, en lugar de añadir material genético de manera incontrolada. Este tipo
de modificaciones genéticas se han realizado extensivamente en células ES
de ratón, pero se pueden realizar en cualquier línea celular establecida. Sin
embargo, por el momento, no se ha tenido éxito al intentar aplicarlas en
células troncales humanas, ya sean adultas o embrionarias. En caso de no
conseguir aplicar estas técnicas en células troncales, existiría un argumen-
to añadido en favor de la utilización de la clonación terapéutica, ya que se
podría realizar la corrección genética en una línea establecida de células
somáticas y utilizar sus núcleos como donadores para obtener, primero
blastocistos, y luego células troncales corregidas. En un experimento para-
digmático, que supera todas las limitaciones previsibles a la aplicación te-
rapéutica de las células ES (16), se han combinado las diferentes aproxima-
ciones mencionadas en este artículo para sanar ratones inmunodeficientes a
causa una mutación en el gen Rag-2. Mediante biopsia, se obtuvieron nú-
cleos celulares de los ratones adultos inmunodeficientes y, por trasplante
nuclear, se clonaron blastocistos genéticamente idénticos al ratón original.
Posteriormente, de estos blastocistos se derivaron células ES y se corrigie-
ron por modificación dirigida, reparando el defecto en el gen Rag-2. A con-
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Células embrionarias pluripotentesBIOTECNOLOGÍA APLICADA6º Curso de
tinuación, se utilizó una combinación de diferenciación espontánea, y diri-
gida por el gen selector HoxB4, para obtener in vitro células troncales he-
matopoyéticas reparadas. Finalmente, se trasplantaron las células obtenidas
en los ratones deficientes en Rag-2, reconstituyendo establemente un siste-
ma inmune completamente sano.
CONCLUSIONES Y PERSPECTIVASEn resumen, la disponibilidad de células ES humanas representa un gran
avance que proporciona accesibilidad ilimitada a tejidos especializados y a su
proceso de diferenciación. De manera inmediata, representan un modelo ex-
celente para el estudio de los procesos de generación de diversidad celular en
nuestro organismo y para la caracterización de fármacos que puedan dirigir-
los. Los resultados de los ensayos terapéuticos realizados en animales modelo
permiten pensar en la aplicación a corto/medio plazo de la tecnología de cé-
lulas troncales embrionarias en terapia humana. Una de las perspec-
tivas más prometedoras en este campo es la combinación del uso
de Células Troncales Embrionarias con la reparación genómica diri-
gida, lo que representaría la terapia génica ideal. En cualquier caso,
existen limitaciones técnicas a la aplicación terapéutica de las célu-
las troncales embrionarias, que impiden determinar con certeza qué
enfermedades se van a
beneficiar de las nuevas
terapias y en qué plazos.
La combinación de la
tecnología de células
troncales embrionarias
con la clonación tera-
péutica permitirá, al me-
nos, eliminar los proble-
mas de rechazo, y
además, puede ser esen-
cial para conseguir la
reparación genómica di-
rigida (Figura 3).63
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Células embrionarias pluripotentes
Figura 3: Esquemapropuesto para la
aplicación de nuevasestrategias en terapia
celular.
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