stem cells: potencial de regeneracion terapeutica de tejidos y su rol

APLICACIÓN CLÍNICA DE LA TERAPIA CON CÉLULAS MADRE EN
ORTODONCIA.
Lina María Quintero, Jose Alejandro Ariza, Liliana Otero.
Las Stem Cells (SC) o células madre son
células extraordinarias que poseen la
capacidad de autoregeneración y
pueden dar origen a diferentes tipos
celulares, este tipo de células pueden
hallarse en el embrión o en tejidos
adultos. Los requisitos básicos que
deben cumplir las células para ser
clasificadas como células madre son:
auto renovación, proliferación ilimitada
y diferenciación en varias líneas
celulares (1).
Durante la embriogénesis humana
normal, las células madre del huevo
fertilizado se diferencian en una amplia
variedad de tipos de células que forman
los órganos adultos (2). También el
cuerpo humano tiene una notable
capacidad para regenerarse, las células
de tejidos provenientes de la sangre,
intestino delgado y epitelios, se dividen
rápidamente
y
se
regeneran
continuamente a lo largo de toda la vida
gracias a la diferenciación de las células
madre. Estas células hacen posible la
regeneración de células dañadas o
envejecidas (1,2).
Los médicos han explorado las SC para
propósitos terapéuticos durante más de
40 años. Por ejemplo, el transplante de
SC hematopoyéticas en pacientes con
ciertos tipos de enfermedades de la
médula ósea.
Sin embargo, la utilidad del transplante
de las SC estuvo limitado por dos
hechos: se pensaba que muchos órganos
(cerebro, médula espinal, corazón,
riñones) carecían de estas células, y que
las células de estos órganos no podían
ser reprogramadas para diferenciarse
durante la edad adulta. (2)
Tres descubrimientos recientes han
revolucionado la ciencia y han
demostrado el potencial clínico de estas
células en un amplio rango de
enfermedades humanas. Primero, las
SC han sido detectadas en órganos,
como el cerebro (3), corazón (4) y
músculos (5). Varias áreas del cerebro
contienen SC que mantienen la
capacidad de proliferar y madurar
dentro de tipos de células neurales
diferentes in vitro e in vivo. Los estudios
animales han sugerido que las células
proliferantes en el sistema nervioso
central juegan un papel importante en el
aprendizaje y la memoria.
Además, estas células pueden ser
cultivadas y transplantadas al sistema
nervioso central donde ellas se
diferencian en neuronas maduras.
De modo similar, las SC
de los
músculos
esqueléticos
(mioblastos)
pueden ser cultivadas in vitro y
transplantadas dentro del músculo
receptor, en donde se diferencian en
miotubulos y se fusionan con las fibras
1
musculares endógenas para repoblar el
músculo dañado.
Segundo, las SC adultas de órganos
específicos parecen mostrar mucha
mayor plasticidad de lo que se pensó
originalmente y ofrece una alternativa a
las SC embrionarias que presentan gran
cantidad de consideraciones éticas. Las
SC aisladas de un tejido pueden
diferenciarse en una variedad de tipos
de células y tejidos no relacionados. Los
experimentos recientes en animales han
demostrado que SC provenientes de
tejido nervioso pueden diferenciarse en
linajes hematopoyéticos (2). De modo
similar, las SC derivadas de la médula
ósea pueden diferenciarse en varios
tipos de células no hematopoyéticas,
incluyendo las del músculo esquelético,
microglia y astroglia en el cerebro, y
hepatocitos (6).
Estos hallazgos
provocan la asombrosa posibilidad de
usar transplantes de médula ósea para
tratar una amplia variedad de
desordenes, tales como distrofias
musculares, enfermedad de Parkinson,
apoplejía y falla hepática (7).
Quizá la demostración más notable de la
plasticidad ocurrió en 1997 con la
clonación de la oveja Dolly, mediante la
transferencia del núcleo de una célula
de la glándula mamaria dentro de un
oocito. Ratones, vacas y monos han sido
clonados subsecuentemente usando
técnicas similares. Estos experimentos
demostraron que los núcleos de las
células totalmente diferenciadas pueden
ser reprogramadas para que se
comporten como totipotenciales. De
acuerdo a lo anterior, puede ser posible
generar tipos específicos de SC
terapéuticas in Vitro, a partir de un
pequeño
número
de
células
diferenciadas del paciente, evitando así
las respuestas inmunes a las células
transplantadas.
Tercero, las SC embrionarias (SCE)
humanas pueden ser aisladas a partir de
fetos en estadíos tempranos (etapa de
blastocito, fase celular interna) y se
pueden diferenciar in Vitro, en una
amplia variedad de tipos celulares,
incluyendo células hematopoyéticas,
miocitos cardíacos y esqueléticos, y
adipositos (1,2).
Bajo las condiciones de cultivo
apropiadas (ambiente propicio), las SCE
tienen la capacidad de replicación
ilimitada, cuando son reimplantadas
dentro de un blastocito, éstas pueden
contribuir en la formación de los futuros
tejidos, como lo hacen normalmente.
Todos estos hallazgos con las SCE abren
una nueva perspectiva para el
tratamiento de una variedad de
enfermedades que requiere reparación
tisular, tales como la apoplejía,
enfermedades
neuro-degenerativas,
infarto del miocardio y falla hepática.
Sin embargo la terapia con células
madre aún no ha podido ser
implementada, porque aún es necesario,
comprender mejor la forma ideal para
aislar;
cultivar; y regular la
supervivencia,
diferenciación
y
proliferación in Vitro e in vivo de estas
células.
2
OBTENCION DE CÉLULAS MADRE
Stem Cells Emrionarias (SC)
El zigoto (óvulo fertilizado) es una
célula totipotente, capaz de dar origen a
todo el organismo. Durante las primeras
divisiones el embrión es una esfera
compacta (mórula), en la que todas las
células son totipotentes. A los pocos días
comienza una primera especialización,
de modo que se produce un blastocisto,
con una capa superficial que dará origen
al trofoblasto, del que deriva la placenta,
y una cavidad casi “hueca” (rellena de
fluido) en la que está la masa celular
interna (m.c.i.).
Las células de esta m.c.i. son
pluritotentes, porque aunque por sí
solas no pueden dar origen al feto
completo (necesitan el trofoblasto), son
el origen de todos los tejidos y tipos
celulares del adulto.
Aunque las células de la masa celular
interna del blastocisto son pluripotentes,
no son en sí mismas células madre
dentro del embrión, porque no se
mantienen indefinidamente como tales
in vivo, sino que se diferencian
sucesivamente en los diversos tipos
celulares durante la fase intrauterina. Lo
que ocurre es que cuando se extraen del
embrión y se cultivan in Vitro bajo
ciertas condiciones, se convierten en
células “inmortales” dotadas de: auto
renovación, pluripotencia (capacidad de
diferenciarse in vivo e in Vitro en una
gran diversidad de tipos celulares), y
contribución a la línea germinal. La
pluripotencialidad In vivo se manifiesta,
cuando al incorporar células madre al
blastocisto, éstas pueden dar origen a
cualquier tejido u órgano. In Vitro con
las señales adecuadas, estas células se
diferencian en líneas celulares de las tres
capas
embrionarias
(ectodermo,
mesodermo y endodermo) (1,2).
Las células madre embrionarias de ratón
pueden contribuir a la línea germinal de
ratones quiméricos. Al inyectar células
madre cultivadas de una raza de ratón
en el interior de un embrión normal
(blastocisto) de otra raza, dichas células
madre pueden dar origen a cualquier
tipo de tejido del adulto. Estos ratones
en los que hay tejidos procedentes de
dos razas distintas se denominan
quimeras, y en algunas quimeras las
células reproductivas proceden de las
células madres introducidas en el
blastocisto, de modo que su constitución
genética se puede distinguir de la de las
células somáticas.
Cuando se manipulan células madre por
ingeniería genética, y se las transfieren a
un blastocisto, se pueden obtener
ratones quimeras en los que parte de los
tejidos están alterados genéticamente. Si
las
células
madre
manipuladas
contribuyen a la línea germinal, el rasgo
genético modificado en el ratón quimera
se transmite a la descendencia,
constituyéndo una línea de ratones
transgénicos. Los ratones transgénicos,
incluidos
los
denominados
K.O.
(noquedados genéticamente, es decir,
con un gen mutante introducido por
recombinación
homóloga)
son
actualmente
una
herramienta
valiosísima en biología y en diseño de
modelos de enfermedades humanas (8).
3
Otro tipo de SC son las células madre
germinales que se aíslan de fetos, a
partir de la cresta germinal, donde se
está produciendo la diferenciación de la
línea germinal.
Stem Cells Adultas (SCA)
En humanos se conoce desde hace años,
al igual que en ratones, la célula madre
hematopoyética de adultos, que reside
en la médula ósea y que da origen a
toda las líneas de células sanguíneas e
inmunes (9). Aunque desde hace tiempo
es claro que las células madre de tejidos
como la sangre o la epidermis,
presentan
una
gran
tasa
de
proliferación, recientemente se han
descubierto células madre en órganos
que normalmente tienen una baja tasa
de renovación, como es el caso del
cerebro (3, 10). Todo esto hace pensar
que existen SCA en cualquier tejido del
cuerpo humano y que éstas, en
condiciones
propicias,
pueden
diferenciarse en cualquier tipo de célula;
ejemplo de ello son las investigaciones
que han obtenido tejido muscular y del
cerebro a partir de SC de médula ósea o,
aún mas asombroso, SC del Sistema
Nerviosos Central (SNC) que han dado
origen a tejidos musculares, sanguíneos
y cardíacos. (2)
Actualmente las fuentes mas usadas
para extraer SCA son las células madre
mesenquimales (MSC) humanas que
están presentes en el estroma de la
médula ósea, constituyendo una
población totalmente diferente de las
células madre hematopoyéticas, y su
papel es contribuir a la regeneración de
los tejidos mesenquimáticos (hueso,
cartílago, músculo, ligamento, tendón,
tejido adiposo y estroma). Se ha podido
aislar, cultivar y diferenciar MSC
humanas, con rasgos típicos de
osteocitos, condrocitos o adipocitos,
respectivamente (1,2, 11).
POTENCIAL
DE
APLICACIÓN
CLINICA
EN
EL
COMPLEJO
OROFACIAL
Las SC aisladas de hueso o de pulpa
dental podrán ser usadas para reparar el
hueso craneofacial o regenerar tejido
dental. (1)
Regeneración de tejido óseo.
Las patologías como infecciones,
trauma, deformidades esqueléticas y
cáncer, que se tratan con injertos
autógenos o materiales aloplásticos,
presentan
algunas
limitaciones
terapéuticas (sitio donante o rechazo).
Mankani et al (2001), demostraron la
efectividad de las SC en la reparación
ósea de modelos animales (12).
Mediante este método, Krebsbach y col.
en 1998 lograron la regeneración exitosa
de huesos largos y de la calvaria. (1)
Una de las aplicaciones terapéuticas en
el futuro de las stem cells, consiste en
reproducir el tejido óseo del complejo
craneofacial para reparar defectos óseos
en
pacientes
con
enfermedades
degenerativas,
síndromes
y/o
maloclusiones esqueléticas.
Uno de los inductores de diferenciación
de las SC en osteoblastos más
reconocido es la proteína ósea
morfogenética (BMP7 y BMP2). Esta
4
proteína permite un ambiente propicio
para la diferenciación fenotípica de las
SC en células óseas (13).
Regeneración de dentina.
Otro tejido mineralizado que tiene una
gran similitud con el hueso es la
dentina. Aunque la dentina no presenta
una taza de recambio a través de la vida
(a diferencia del tejido óseo), si posee un
limitado potencial de reparación
postnatal, al parecer mantenida por un
grupo de SC pulpares (SCP) que tienen
el potencial de diferenciarse en
odontoblastos. Gronthos y col. en el
2000 encontró que cuando las SCP son
transplantadas
con
hidroxiapatita/
fosfato tricalcio en ratones inmunocomprometidos, estas células generan
estructuras similares a la dentina, con
fibras colágenas perpendiculares a la
superficie mineralizada, tal como ocurre
normalmente in vivo, en presencia de la
sialoproteina dentinal. Iohara y col. en el
2004, demostraron que la BMP2 puede
inducir la diferenciación de las SCP en
odontoblastos, lo cual resulta en una
formación de dentina. (14)
Por otra parte las SCP se pueden
diferenciar también en tejido adiposo,
óseo y en células neuronales (13).
Regeneración
periodontal.
del
ligamento
Seo y col (2004), reportaron la presencia
de SC en el ligamento periodontal
humano. Estas células fueron capaces de
diferenciarse en pre-cementoblastos,
adipositos y células formadoras de
colágeno.
En este estudio, las SC
provenientes del ligamento periodontal
(SCPDL) fueron cultivadas in Vitro, e
implantadas subcutáneamente en la
superficie dorsal de 12 ratones
inmunosuprimidos y en el área
periodontal
de
6
ratas
inmunosuprimidas.
Después
de
6
semanas
los
investigadores encontraron
que las
SCPDL expresan marcadores de SC
mesenquimales
STRO-1
y
CD146/MUC18 in
Vitro, y pueden
diferenciarse
en
cementoblastos,
adipositos y células formadoras de
colágeno (fibroblastos).
In vivo, se
observó en ambos grupos de roedores,
la capacidad de las SCPDL para
regenerar cemento y reparar el tejido
periodontal. Estos hallazgos sugieren
que el ligamento periodontal contiene
células con el potencial de generar
cemento y tejido similar al ligamento
periodontal in vivo, por esta razón esta
puede ser una nueva posibilidad
terapéutica para la regeneración de
tejido destruido por enfermedad
periodontal en el futuro. (15)
La capacidad de regeneración
del
ligamento periodontal in Vivo, a partir
del implante de células madre, ha sido
demostrada por Hasegawa y col (2005)
en animales de experimentación (16).
Regeneración de dientes:
El desarrollo de los dientes es el
resultado de interacciones recíprocas
entre el mesénquima y las células
epiteliales, en donde el epitelio provee la
información necesaria para la iniciación
y determinación de la forma. Basados en
5
esta afirmación, Ohazama y col. en el
2004, recombinaron las células del
epitelio oral con SC mesenquimatosas
provenientes del tejido nervioso y la
médula ósea adulta (estas células
expresan genes odontogénicos). Este
tejido recombinado fue posteriormente
implantado en las cápsulas renales y en
las mandíbulas de ratones adultos. Las
SC Embrionarias se mostraron capaces
de formar estructuras dentales asociadas
a hueso, si estaban adecuadamente
estimuladas (17).
Un método para inducir la formación de
tejido dental completo a partir de SC, es
estimular los genes MSX1, Lhx7 y el
Pax9, junto con algunos factores de
crecimiento (14, 17).
La identificación de células madre en el
ligamento periodontal y en la pulpa
dental, abre amplias posibilidades
terapéuticas en la regeneración tisular,
no sólo de tejidos dentales, sino también
de otros tejidos del cuerpo, con la
ventaja adicional que ofrece la
utilización de las SC contenidas en el
ligamento periodontal y la pulpa dental
de los terceros molares (18).
Técnicas Terapéuticas combinadas:
Células madre-Bioingeniería- Terapia
Génica.
La terapia génica es una herramienta
poderosa para modificar las células
madre, con el fin de utilizarlas en el
tratamiento de una variedad de
enfermedades
humanas.
La
implantación de SC del músculo
esquelético que han sido modificadas
genéticamente
con
vectores
que
programan la expresión y secreción de
las proteínas terapeúticas, tales como la
eritropoyetina o la hormona de
crecimiento, resulta en la liberación
estable de proteínas recombinantes a la
circulación sistémica. De modo similar,
la reconstitución genética de las SC
hepáticas o miocíticas carentes de
productos genéticos específicos con una
copia normal del gen defectuoso, puede
ser útil en el tratamiento de pacientes
con mutación genética única heredada,
como la hemofilia y la distrofia
muscular. (2)
La Ingeniería de tejidos o bioingeniería
es utilizada junto con la terapia de
células madre, en la neoformación de
diferentes tejidos. La mayoría de
polímeros usados para promover la
formación de un tejido, son embebidos,
no solo en factores de crecimiento y
nutrientes, sino que son mezclados con
células madre, que pueden haber sido
previamente diferenciadas en una línea
celular. La investigación actual está
dirigida hacia la regeneración de tejidos
del complejo craneofacial con la ayuda
de células madre tales como: defectos
mandibulares (19), creación de cóndilos
mandibulares (20), formación de
pequeños segmentos de hueso (21), y
creación y transplante de grandes
segmentos de hueso mandibular (22),
entre otros.
El potencial terapéutico de las células
madre en odontología es inmenso, pero
aún quedan varios interrogantes de
orden ético y científico por resolver,
antes de implementar este tipo de
terapias en la clínica.
6
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