Investigadores de la Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford, en California (Estados Unidos), han identificado los grupos de señales biológicas y químicas necesarias para que células madre de embriones humanos se conviertan rápida y eficientemente en poblaciones puras de cualquiera de los 12 tipos de células, incluyendo de hueso, músculo cardiaco y cartílago.
La capacidad de hacer poblaciones puras de estas células en cuestión de días en lugar de semanas o meses como requerían antes es un paso clave hacia la medicina regenerativa clínicamente útil. Y potencialmente hace posible que los investigadores puedan generar nuevas células de latidos del corazón para reparar el daño después de un ataque cardiaco o crear cartílago o hueso con el fin de reactivar las articulaciones débiles o curar del trauma.
El estudio también muestra los patrones de expresión génica clave de corta duración, que se producen durante la segmentación del embrión humano y confirma que el desarrollo humano parece basarse en procesos conservados evolutivamente entre muchos animales. “La medicina regenerativa se basa en la capacidad de convertir células madre humanas pluripotentes en células madre de tejidos especializados que se injertan y funcionan en los pacientes”, señala Irving Weissman, director del Instituto de Stanford de Biología de Células Madre y Medicina Regenerativa.
“Hemos utilizado nuestro conocimiento de la biología del desarrollo de muchos otros modelos animales para proporcionar factores de señalización positivos y negativos para guiar las decisiones de desarrollo de células madre de estos tejidos y de órganos. Entre cinco y nueve días podemos generar prácticamente todas las poblaciones de células puras que necesitemos”, explica.
Hacia la medicina regenerativa
Se sabe que el embrión humano en sus primeras etapas consta de tres componentes principales conocidos como capas germinales: ectodermo, endodermo y mesodermo. Cada una de ellas es responsable de generar ciertos tipos de células durante el desarrollo del embrión.
“La capacidad de generar poblaciones puras de estos tipos de células es muy importante para cualquier tipo de medicina regenerativa clínicamente importante, así como para diseñar un plan de acción fundamental para el desarrollo embrionario humano. Anteriormente, generar estos tipos de células llevaba entre semanas y meses, principalmente porque no era posible controlar con precisión el destino celular. Como resultado, los investigadores terminaban con una mezcolanza de tipos de células”, subraya Kyle Loh, uno de los principales autores del trabajo.
Loh y Angela Chen (otra de las autoras) querían saber qué señales impulsan la formación de cada uno de los tipos de células derivadas del mesodermo. Para ello, empezaron con una línea de células madre embrionarias humanas, que químicamente impulsaron para convertirse en células formadoras de lo que se conoce como la línea primitiva en la bola hueca de células del embrión temprano. A continuación, experimentaron con diferentes combinaciones de moléculas de señalización conocidas como WNT, BMP y Hedgehog, como una manera de lograr que estas células se conviertan en células precursoras cada vez más especializadas.
Así, aprendieron que las células avanzaban por el camino del desarrollo a través de una serie de elecciones consecutivas entre dos opciones posibles. La forma más rápida y más eficiente de micro-gestionar las decisiones de desarrollo de las células era aplicar una combinación simultánea de factores que animó a la diferenciación en un linaje a la vez que bloqueó de forma activa un destino diferente de las células, una especie de estrategia de “sí” y “no”.
“Hemos aprendido durante este proceso que es igualmente importante entender cómo se desarrollan los tipos de células no deseadas y encontrar una manera de bloquear este proceso fomentando al mismo tiempo la vía de desarrollo que queremos”, resalta Loh. Este experto, junto con Chen, logró generar células precursoras de hueso, las cuales forman hueso humano al ser implantadas en ratones de laboratorio, y células musculares del corazón, así como otros diez linajes de células derivadas del mesodermo.
En cada etapa de desarrollo, los investigadores llevaron a cabo la secuenciación de ARN de una sola célula para identificar patrones únicos de expresión de genes y evaluar la pureza de las poblaciones de células individuales. Al observar el perfil de expresión génica en las células individuales, consiguieron identificar los estados transitorios hasta ahora desconocidas que tipifican la progresión desde precursoras a células más especializadas. Además, observaron por primera vez un impulso transitorio de la expresión génica que precede a la segmentación del embrión humano en partes discretas que se convertirán en la cabeza, el tronco y las extremidades del cuerpo. El proceso refleja lo que se sabe que ocurre en otros animales y confirma que el proceso de segmentación en el desarrollo humano se ha conservado evolutivamente.
