¿Qué son las células madre? ¿Cuáles son sus usos y características?
Durante el desarrollo embrionario, un único óvulo fecundado puede dividirse y desarrollarse en tejidos u órganos multicelulares. En animales adultos, el metabolismo fisiológico normal o el daño patológico también pueden provocar la reparación y regeneración de tejidos u órganos. La diferenciación embrionaria y la regeneración de tejidos adultos son el resultado de una mayor diferenciación de las células madre. Las células madre embrionarias son totipotentes y tienen la capacidad de diferenciarse en casi todos los tejidos y órganos. Las células madre en tejidos u órganos adultos generalmente se consideran específicas de tejido y solo pueden diferenciarse en células o tejidos específicos.
Sin embargo, esta visión está siendo cuestionada actualmente.
Las últimas investigaciones muestran que las células madre específicas de tejido también tienen el potencial de diferenciarse en otras células o tejidos, lo que abre un espacio más amplio para la aplicación de células madre.
Las células madre tienen capacidades de autorrenovación y pueden producir células funcionales altamente diferenciadas. Las células madre se dividen en células madre embrionarias y células madre adultas según su etapa de supervivencia.
1.1 Células madre embrionarias
Células madre embrionarias (células madre embrionarias).
Células madre embrionarias Cuando un óvulo fertilizado se divide en un blastocisto, las células de la masa celular interna son células madre embrionarias. Las células madre embrionarias son totipotentes, autorrenovables y capaces de diferenciarse en todos los tejidos del cuerpo. Ya en 1970, Martin Evans aisló células madre embrionarias de ratones y las cultivó in vitro. Hasta hace poco, el cultivo in vitro de células madre de embriones humanos no había tenido éxito.
Además, las células madre embrionarias (células ES) son células muy indiferenciadas. Es totipotente en términos de desarrollo y puede diferenciarse en todos los tejidos y órganos de animales adultos, incluidas las células germinales. La investigación y utilización de células madre embrionarias es uno de los temas centrales en el campo de la bioingeniería. La investigación sobre las células ES se remonta a la década de 1950, y la investigación biológica sobre las células ES comenzó con el descubrimiento de las células madre de teratoma (células EC).
Actualmente, gran parte del trabajo de investigación se lleva a cabo en células ES de ratón. Por ejemplo, el año pasado equipos médicos de Alemania y Estados Unidos trasplantaron con éxito células gliales cultivadas a partir de células ES en ratones experimentales. Desde entonces, investigadores de Missouri han restaurado parte de las extremidades de un gato paralizado mediante un trasplante de células embrionarias de ratón. Con el estudio en profundidad de las células ES, la comprensión de las células ES humanas por parte de los científicos biológicos ha entrado en una nueva etapa. A finales de 1998, dos grupos de investigación cultivaron con éxito células madre embrionarias humanas y mantuvieron la totipotencia de las células madre embrionarias para diferenciarlas en diversas células somáticas. Esto hace posible que los científicos utilicen células madre de embriones humanos para tratar diversas enfermedades. Sin embargo, la investigación con células madre embrionarias humanas ha causado una gran controversia en todo el mundo. Por consideraciones sociales y éticas, algunos países incluso han prohibido la investigación con células madre de embriones humanos. Ya sea desde la perspectiva de la investigación básica o de la aplicación clínica, los beneficios de las células ES humanas superan con creces los posibles impactos negativos sobre la ética y la moralidad, por lo que existen fuertes llamados a la investigación con células ES humanas.
1.2 Células madre adultas
Muchos tejidos y órganos de animales adultos, como epidermis, sistema hematopoyético, etc., tienen capacidad de reparación y regeneración. Las células madre adultas desempeñan un papel clave en esto. Bajo ciertas condiciones, las células madre adultas producen nuevas células madre o se diferencian en nuevas células funcionales de acuerdo con ciertos procedimientos, manteniendo así el equilibrio dinámico del crecimiento y deterioro de tejidos y órganos. Anteriormente se pensaba que las células madre adultas incluyen principalmente células madre epiteliales y células madre hematopoyéticas. Investigaciones recientes muestran que el tejido neural que se cree que no es regenerable todavía contiene células madre neurales, lo que sugiere que las células madre adultas están en todas partes. El problema es cómo encontrar y aislar diversas células madre específicas de tejido. Las células madre adultas suelen residir en un microambiente específico. Las células mesenquimales en el microambiente pueden producir una serie de factores de crecimiento o ligandos que interactúan con las células madre y controlan la renovación y diferenciación de las células madre.
1.3 Células madre hematopoyéticas
Las células madre hematopoyéticas son la única fuente de diversas células sanguíneas en el cuerpo y se encuentran principalmente en la médula ósea, la sangre periférica y la sangre del cordón umbilical.
A principios de este año, Pang Wenxin del Instituto de Hematología de la Facultad de Medicina de la Unión de Pekín descubrió células madre con potencial hematopoyético en el tejido muscular. El trasplante de células madre hematopoyéticas es el método más eficaz para el tratamiento de enfermedades hematológicas, enfermedades hereditarias congénitas y enfermedades tumorales malignas múltiples y metastásicas.
En el tratamiento clínico se utilizaron anteriormente células madre hematopoyéticas. En la década de 1950, el trasplante de médula ósea (TMO) se utilizaba para tratar enfermedades de la sangre. A finales de la década de 1980, la tecnología de trasplante de células madre de sangre periférica se hizo popular gradualmente, la mayoría de las cuales eran trasplantes autólogos de células madre de sangre periférica. Fue superior al tratamiento convencional en términos de mejorar la eficiencia del tratamiento y acortar el curso del tratamiento y los resultados. fueron satisfactorios. En comparación con los dos, el trasplante de células madre de sangre de cordón umbilical tiene las ventajas de no tener restricciones de fuente, bajos requisitos de compatibilidad de HLA y no se contamina fácilmente con virus o tumores.
A principios de este año, el primer trasplante de células madre de sangre de cordón umbilical en el noreste de China tuvo éxito, inyectando nueva vitalidad a la tecnología de trasplante de células madre hematopoyéticas de mi país. Con la mejora continua de la tecnología de trasplante de células madre de sangre de cordón umbilical, puede reemplazar el estado actual de APBSCT y traer buenas noticias a más pacientes con enfermedades de la sangre y tumores malignos en todo el mundo.
1.4 Células madre neurales
Células madre neurales La investigación sobre las células madre neurales comenzó tarde. Debido a que el tejido cerebral fetal necesario para aislar las células madre neurales es difícil de obtener y la controversia sobre la investigación con células embrionarias aún no ha disminuido, la investigación sobre células madre neurales aún está en sus inicios. En teoría, cualquier enfermedad del sistema nervioso central puede atribuirse a una disfunción de las células madre neurales. Debido a la existencia de la barrera hematoencefálica, no habrá rechazo inmunológico en el cerebro ni en la médula espinal después de trasplantar las células madre al sistema nervioso central. Por ejemplo, el trasplante de células madre neurales que contienen células productoras de dopamina en el cerebro de personas con enfermedad de Parkinson puede curar los síntomas de algunos pacientes. Además, las funciones de las células madre neurales también se pueden ampliar a las pruebas de fármacos, que desempeñan un papel determinado a la hora de juzgar la eficacia y la toxicidad de los fármacos. De hecho, hasta el momento todavía hay muchos puntos ciegos en la comprensión que la gente tiene de las células madre. A principios de 2000, investigadores estadounidenses descubrieron accidentalmente la existencia de células madre en el páncreas; investigadores canadienses descubrieron "células madre latentes" en las retinas de humanos, ratones y ganado. Algunos científicos han confirmado que las células madre de la médula ósea pueden convertirse en células hepáticas y las células madre del cerebro pueden convertirse en células sanguíneas.
Con la continua expansión del campo de la investigación con células madre, las personas tendrán una comprensión más completa de las células madre. El siglo XXI es una era de las ciencias biológicas y una era que crea milagros mundiales para la salud y la longevidad humanas. La aplicación de células madre tendrá amplias perspectivas.
1.5 Las células madre musculares
Pueden desarrollarse y diferenciarse en mioblastos, que pueden fusionarse entre sí para formar fibras musculares multinucleadas y formar la estructura más básica del músculo esquelético.
[Editar este párrafo] 2. Aplicar fertilizante basal
La regulación de las células madre se refiere a regular la proliferación y diferenciación de las células madre proporcionando las condiciones de factor adecuadas, para que puedan desarrollarse en una dirección específica.
2.1 Regulación endógena
Las propias células madre tienen muchos factores reguladores que pueden responder a señales externas para regular su proliferación y diferenciación, incluidas proteínas que regulan la división celular asimétrica y genes que controlan la expresión génica. Factores nucleares. Además, el número de divisiones de las células madre antes de la diferenciación terminal también está restringido por factores reguladores intracelulares.
(1) Regulación de la división de células madre por proteínas intracelulares
La división de células madre puede producir nuevas células madre o células funcionales diferenciadas. Esta asimetría en la diferenciación resulta de la distribución desigual de los componentes celulares y de los efectos del entorno. Las proteínas estructurales de las células, especialmente los componentes citoesqueléticos, son importantes para el desarrollo celular. Por ejemplo, en el ovario de Drosophila melanogaster, la división asimétrica de las células madre está regulada por un orgánulo llamado cuerpo contráctil, que contiene muchas proteínas reguladoras, como las proteínas contráctiles de la membrana y la ciclina a. El cuerpo contráctil determina la combinación con el huso. la posición de la división de células madre, conservando así los componentes necesarios para mantener los rasgos de las células madre en generaciones posteriores de células madre.
(2) Regulación de los factores de transcripción
En los vertebrados, los factores de transcripción juegan un papel importante en la regulación de la diferenciación de las células madre. Por ejemplo, el factor de transcripción Oct4 es necesario durante el desarrollo de células madre embrionarias. Oct4 es un factor de transcripción expresado por células embrionarias tempranas de mamíferos. Los productos genéticos diana inducidos por el 4 de octubre son factores de crecimiento como el FGF-4, que puede regular la mayor diferenciación de las células madre y el trofoblasto circundante a través de los efectos paracrinos de los factores de crecimiento. Los embriones con mutaciones de deleción Oct4 solo pueden desarrollarse hasta la etapa de blastocisto, y sus células internas no pueden convertirse en la masa celular interna [1].
Además, el factor inhibidor de la leucemia (LIF) puede promover la autorrenovación de células ES de ratón cultivadas, pero no tiene ningún efecto sobre las células madre adultas humanas, lo que indica que la regulación transcripcional no es completamente consistente entre diferentes especies. Otro ejemplo es que la familia de factores de transcripción Tcf/Lef es importante para la diferenciación de células madre epiteliales. Tcf/Lef es un producto intermedio de la vía de señalización Wnt. Cuando forma un complejo transcripcional con β-catenina, promueve la transformación de los queratinocitos a un estado pluripotente y la diferenciación en folículos pilosos.
2.2 Regulación exógena
Además de la regulación endógena, la diferenciación de las células madre también puede verse afectada por factores exógenos como el tejido circundante y la matriz extracelular.
(1) Factores secretados
Las células mesenquimales pueden secretar una variedad de factores para mantener la proliferación, diferenciación y supervivencia de las células madre. Hay dos factores que juegan papeles importantes en diferentes tejidos e incluso en diferentes especies. Son la familia TGFβ y la vía de señalización Wnt. Por ejemplo, al menos dos miembros de la familia TGF regulan la diferenciación de las células madre de la cresta neural. Estudios recientes han descubierto que el factor neurotrófico derivado de células gliales (GDNF) no sólo promueve la supervivencia y diferenciación de una variedad de neuronas, sino que también desempeña un papel decisivo en la regeneración y diferenciación de las espermatogonias. Los ratones con deficiencia de GDNF muestran un número reducido de células madre y la sobreexpresión de GDNF conduce a la acumulación de espermatogonias indiferenciadas [3]. El mecanismo de Wnts es activar la transcripción mediada por Tcf/Lef y promover la diferenciación de células madre al prevenir la degradación de la β-catenina. Por ejemplo, la vía de señalización Wnt inducida por células vecinas puede controlar la iniciación del huso y la diferenciación del endodermo durante la división del blastómero en C. elegans.
(2) Interacciones célula-célula mediadas por proteínas de membrana
Algunas señales actúan a través del contacto directo entre células. La β-catenina es un componente estructural que media en la adhesión y las uniones celulares. Además, la proteína transmembrana Notch y su ligando Delta o Jagged también tienen un impacto importante en la diferenciación de las células madre. La señalización de Notch juega un papel muy importante en las células precursoras de órganos sensoriales en Drosophila, embriones de vertebrados y tejidos adultos, incluido el neuroepitelio de la retina, el músculo esquelético y el sistema sanguíneo. Cuando Notch se une a su ligando, las células madre experimentan una proliferación indiferenciada; cuando se inhibe la actividad de Notch, las células madre entran en el proceso de diferenciación y se convierten en células funcionales [4].
(3) Integrinas y matriz extracelular
La familia de las integrinas es la molécula más importante que media la adhesión de las células madre a la matriz extracelular. La interacción entre las integrinas y sus ligandos proporciona un microambiente adecuado para la proliferación sin diferenciación de las células madre. Por ejemplo, cuando la integrina β1 pierde su función, las células madre epiteliales escapan de las limitaciones del microambiente y se diferencian en queratinocitos. Además, la matriz extracelular afecta la dirección de distribución y diferenciación de las células madre al regular la expresión y activación de la integrina β1.
2.3 Plasticidad de las células madre
Cada vez hay más evidencia que muestra que las células madre adultas exhiben una fuerte plasticidad cuando se trasplantan a receptores. Normalmente, las células madre del donante se diferencian en células compatibles con el tejido de origen del receptor. En algunos casos, la diferenciación de las células madre no sigue este patrón. En 1999, Goodell et al. aislaron células madre de músculo de ratón, las cultivaron in vitro durante 5 días y las trasplantaron junto con una pequeña cantidad de células estromales de médula ósea en ratones que habían recibido radiación letal. Los resultados mostraron que las células madre musculares pueden diferenciarse en una variedad de linajes de células sanguíneas. Este fenómeno se llama transdiferenciación de células madre [5]. Los mecanismos regulatorios de la diferenciación horizontal no están claros. La mayoría de la gente cree que la diferenciación de las células madre está estrechamente relacionada con el microambiente. El posible mecanismo es que después de que las células madre ingresan a un nuevo microambiente, su respuesta a las señales de diferenciación se ve afectada por las células diferenciadoras circundantes, respondiendo así a las señales reguladoras en el nuevo microambiente.
El mecanismo y principio de clonación de cerdos y ovejas son consistentes con las células madre.
[Editar este párrafo] 3. Clasificación
Las células madre se pueden dividir en las siguientes cuatro categorías según sus capacidades:
1. Células madre totipotentes
Un óvulo fertilizado se produce mediante la fusión. de óvulos y espermatozoides. Sin embargo, cualquier célula anterior a la etapa de cuatro células durante la embriogénesis es una célula madre totipotente. Capacidad para convertirse en un individuo independiente. En otras palabras, las células capaces de convertirse en un individuo se denominan células madre totipotentes.
2. Células madre multipotentes
Son descendientes de las células madre totipotentes y no pueden desarrollarse en individuos, pero tienen la capacidad de desarrollarse en una variedad de tejidos.
3. Las células madre pluripotentes
Solo pueden diferenciarse en grupos específicos de células (como las células sanguíneas, incluidos los glóbulos rojos, los glóbulos blancos y las plaquetas) en tejidos u órganos específicos.
4. Células madre específicas
Solo pueden producir un tipo de célula; sin embargo, tienen propiedades de autorrenovación que las distinguen de las células no madre.
[Editar este párrafo] 4. Estado actual de la investigación
Historia de la investigación con células madre
Se cree que la investigación con células madre comenzó en 1960 d.C. tras la investigación de los científicos canadienses Ernest Moklock y James Teale.
En 1959, se informó por primera vez sobre la fertilización in vitro en Estados Unidos.
En la década de 1960, estudios sobre varios teratomas testiculares endogámicos de ratón demostraron que se originaban a partir de células germinales embrionarias (células EG), estableciendo así que las células de carcinoma embrionario (células EC) son un tipo de células madre.
En 1968, Edwards y Balvest obtuvieron el primer óvulo humano fuera del cuerpo.
En la década de 1970, se inyectaron células EC en blastocistos de ratón para producir ratones híbridos. Las células madre cultivadas se utilizan como modelo de desarrollo embrionario, aunque con números cromosómicos anormales.
En 1978 nació en Reino Unido la primera bebé probeta, Louise Brown.
En 1981, Evan, Kaufman y Martin aislaron células ES de ratón a partir de blastocistos de ratón. Establecieron condiciones de cultivo in vitro para células madre embrionarias de ratón. Las líneas celulares generadas a partir de estas células tienen diploidía normal y producen derivados de las tres capas germinales que se asemejan a las células germinales primordiales. La inyección de células ES en ratas superiores induce teratomas.
De 1984 a 1988, Anderews et al. generaron células pluripotentes e identificables (clonales) a partir de la línea celular de teratoma testicular humano Tera-2, que se denominaron células de carcinoma embrionario (células EC). Las células EC humanas clonadas se diferencian en células similares a neuronas y otros tipos de células bajo la acción del ácido retinoico.
En 1989, Pera aisló una línea celular EC humana que podía producir tejido con tres capas germinales. Estas células son aneuploides (más o menos cromosomas que las células normales) y su potencial de diferenciación in vitro es limitado.
Durante 1994, los blastocistos humanos se encontraban en la etapa 2 pronuclear mediante fertilización in vitro y donación del paciente. La población celular dentro del blastocisto se conserva en cultivo, con células trofoblásticas rodeándola y células tipo ES en el centro.
Desde 65438 hasta 0998, dos grupos en los Estados Unidos cultivaron células madre pluripotentes humanas: un grupo de investigación dirigido por James A. Thomson de la Universidad de Wisconsin cultivó líneas de células madre derivadas de tejido embrionario humano. El método que utilizaron fue: después de la fertilización in vitro de óvulos humanos, los embriones se cultivaron hasta la etapa de blastocisto y se extrajeron las células de la masa celular interna para establecer líneas celulares. Estas líneas celulares se analizaron en busca de marcadores de superficie celular y actividades enzimáticas y se confirmó que eran células madre totipotentes. De esta forma, se pueden cultivar entre 15 y 20 células madre por embrión. Otro equipo de investigación dirigido por John Gearhart de la Universidad Johns Hopkins también estableció líneas de células madre a partir de tejido embrionario humano. Su método consiste en extraer células germinales primordiales de embriones abortados entre 5 y 9 semanas después de la fertilización. Se demostró que las líneas celulares así cultivadas tenían las características de células madre totipotentes.
En el año 2000, científicos de Singapur y Australia, liderados por Pera, Trounson y Bongso, aislaron células madre embrionarias humanas a partir de blastocistos donados por parejas sometidas a tratamientos de infertilidad. Estas células proliferan in vitro, mantienen un cariotipo normal y se diferencian espontáneamente en linajes de células somáticas derivadas de las tres capas germinales. La inyección en ratones entrelazados inmunodeficientes produjo teratomas.
En 2003, se estableció un método de fusión entre especies de células de piel humana y óvulos de conejo, proporcionando una nueva forma para la investigación de células madre embrionarias humanas.
En 2004, la Advanced Cell Technology Company, con sede en Massachusetts, informó que las células madre de ratón clonadas podían reparar el daño miocárdico en ratones con insuficiencia cardíaca mediante la formación de cardiomiocitos que forman pequeños vasos sanguíneos. En comparación con las células madre adultas derivadas de la médula ósea, este tipo de células clonadas pueden repararse de forma más rápida y eficaz, reemplazando el 40% del tejido cicatricial y restaurando la función del miocardio. Esta es la primera vez que se demuestra que las células madre clonadas pueden reparar tejido dañado en animales vivos.
La importancia de la investigación con células madre
Las células diferenciadas a menudo pierden por completo la capacidad de volver a diferenciarse debido a su alto grado de diferenciación. Con el tiempo, dichas células envejecen y mueren. Sin embargo, durante el desarrollo de los animales, quedan en el cuerpo algunas células indiferenciadas, que son las células madre. Las células madre, también conocidas como células de origen y células pluripotentes, son un tipo de células con potencial de autorrenovación y diferenciación. Se puede decir que el cuerpo animal logra la renovación celular mediante la división de células madre, asegurando así el crecimiento y desarrollo continuo del cuerpo animal.
Las células madre se pueden dividir en dos tipos según su potencial de diferenciación: células madre totipotentes y células madre tisulares. El primero puede diferenciarse y desarrollarse hasta convertirse en un individuo animal completo, y el segundo es la célula origen de uno o más tejidos y órganos. Las células madre embrionarias humanas pueden convertirse en seres humanos completos, por lo que son células madre totipotentes.