Qué son las células madre y por qué están revolucionando la medicina

Las células madre han pasado en poco tiempo del laboratorio a la aplicación médica para tratar todo tipo de enfermedades

Las células madre son aquellas células que tienen la capacidad de dividirse. Si una célula está diferenciada tiene una función biológica especializada, y eso tiene un coste: la célula no se puede dividir. Un ejemplo claro son las neuronas. Estas células están altamente especializadas en su función. Por ello, la mayoría de las neuronas en los adultos no se dividen (excepto en el bulbo olfatorio y el giro dentado del hipocampo).

Pero no todas las células madre tienen la misma capacidad de dividirse. A esa capacidad de división se le denomina potencia. Así, las células totipotentes son aquellas que pueden dar lugar a un individuo completo. Un zigoto es, por tanto, una célula totipotente.

Cuando el zigoto comienza a dividirse y forma una esfera de 64 células, conocida como blástula, el embrión se pliega formando tres capas paralelas: ectodermo (capa externa del embrión), mesodermo (la capa intermedia) y endodermo (la capa interna). Las células que constituyen cada una de las tres capas tienen la capacidad de dividirse y convertirse en algunos tipos celulares, pero no en otros.

Por ejemplo, las células del endodermo darán lugar al tubo y mucosa digestiva, las células del mesodermo al sistema reproductor y circulatorio, y las del ectodermo al sistema nervioso, esmalte dental y epidermis. Las células que constituyen cada una de las tres capas son pluripotentes, es decir, tienen la capacidad de convertirse en muchos tipos celulares, pero no en todos.

Las células madre en el laboratorio

Tradicionalmente, las células madre (que pueden encontrarse, por ejemplo, en el cordón umbilical), han sido de gran utilidad para desarrollar cultivos celulares en el laboratorio. El procedimiento sería el siguiente: se extrae una muestra que contenga células madre, se cultivan en el laboratorio y se aplican diversas moléculas para que las células se diferencien (conviertan) en el tipo celular deseado. Así, empleando distintos protocolos de diferenciación, a partir de células madre se pueden obtener neuronas, fibroblastos o adipocitos, entre otros.

En 2012 el científico japonés Shinya Yamanaka fue galardonado con el premio Nobel de Fisiología o Medicina por el desarrollo de las células pluripotenciales inducidas o iPSC por sus siglas en inglés. El hallazgo consistió en conseguir células madre pluripotentes a partir de células diferenciadas como los fibroblastos (células de la piel). Es decir, consiguió desdiferenciar una célula somática a célula madre. Una vez conseguido esto, las células pluripotenciales inducidas o iPSCs, pueden convertirse a otros tipos celulares en el laboratorio.

Las aplicaciones de este avance científico son muy numerosas, pero podemos clasificarlo en dos tipos. Primero, estas células sirven para hacer ciencia básica. Por ejemplo, pongamos que estamos interesados en investigar la enfermedad de Alzheimer. Los modelos animales para la investigación de la enfermedad de Alzheimer consisten en ratones modificados genéticamente para que tengan las mutaciones del alzhéimer de aparición temprana, el cual se considera causado por tres tipos de mutaciones y representa aproximadamente un 1% de los casos. El resto de enfermos de alzhéimer no tiene esas mutaciones. La aproximación consiste en inducir esas mutaciones en los ratones y estudiar a distintos niveles el desarrollo del animal. No obstante, estos modelos tienen fuertes limitaciones. Por un lado, la esperanza de vida de estos animales es aproximadamente dos años, mientras que la enfermedad de Alzheimer se desarrolla durante unos 20. Además, de esta manera sólo se investigan las tres mutaciones causantes del alzhéimer de aparición temprana, quedando el resto de variabilidad genética que es parcialmente responsable del 99% de los casos de alzhéimer fuera de la ecuación.

Gracias a la tecnología de las células madre, podemos hacer una pequeña biopsia de piel de un paciente de alzhéimer, desdiferenciar esas células a células madre iPSC y diferenciarlas a neuronas. De esta manera, conseguimos un cultivo celular de enorme complejidad con unas neuronas u otras células con la dotación genética de un paciente de alzhéimer.

Cabe destacar que el proceso desde el estadio iPSC hasta las neuronas maduras consiste en recapitular el desarrollo embrionario, de manera que se producen los mismos procesos cuando se generan las neuronas en un embrión en el útero materno que mediante la aplicación de los protocolos de diferenciación in vitro (células en una placa de laboratorio).

Esta aproximación ha arrojado luz sobre los mecanismos que actúan en multitud de enfermedades y son buenos sistemas para testar nuevos fármacos. La otra gran aplicación, la de la ciencia aplicada, consiste principalmente en trasplantes. Al provenir las células del propio paciente, la probabilidad de rechazo es muy baja. Aunque su
uso es todavía poco frecuente, en 2014 fue la primera vez que un paciente de degeneración macular sufrió un trasplante proveniente de células iPSC producidas a partir de sus propias células diferenciadas.

Los organoides, órganos humanos en miniatura para experimentar

Uno de los últimos avances en el campo son los organoides: estructuras tridimensionales que al formarse in vitro recapitulan los procesos fisiológicos que tienen lugar en los embriones. De esta manera, si desarrollamos un organoide cerebral, tendremos un cerebro humano en miniatura. Los organoides suponen una fuente de conocimiento de cómo se desarrolla el cerebro humano, ya que, por razones obvias, no se puede estudiar el desarrollo de un cerebro humano en el laboratorio. Además, son de un enorme interés en el estudio de los trastornos del neurodesarrollo, es decir, aquellos trastornos que afectan al desarrollo del cerebro, como, por ejemplo, el trastorno de espectro autista.

En definitiva, la tecnología de las células madre y en especial la invención de las iPSCs ha supuesto una enorme revolución en todas las ciencias biológicas. El que muchos grupos de investigación alrededor del mundo inviertan tiempo y esfuerzo en ello ha provocado que existan protocolos de diferenciación para conseguir prácticamente cualquier tipo de célula.

Además, el rápido ritmo de crecimiento del campo está optimizando tremendamente el trabajo. Por ejemplo, ya es posible la conversión directa de un fibroblasto (célula diferenciada de la piel) a una neurona sin que sea necesario pasar por el estadio desdiferenciado de célula madre iPS. Sólo los mayores expertos son capaces de atisbar qué podrá conseguir esta tecnología en un futuro no muy lejano.

Sergio Escamilla Ruiz, estudiante predoctoral en el Instituto de Neurociencias de Alicante
(UMH-CSIC)

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