La investigación de quimeras abre nuevas puertas para comprender y tratar enfermedades

Jul 10, 2023

Hannah se unió a Drug Discovery News como editora asistente en 2022. Obtuvo su doctorado en neurociencia de la Universidad de Washington en 2017 y completó la beca Dalla Lana en periodismo global en 2020.

"Cuando estaba en la universidad, mi madre necesitaba un trasplante de corazón", dijo Mary Garry, bióloga celular de la Universidad de Minnesota. Aunque solo tenía cincuenta y tantos años, le dijeron a la madre de Garry que era demasiado mayor para recibir un trasplante; simplemente no había suficientes corazones disponibles.

"Mi madre murió en 1980", dijo Garry. "La cantidad de corazones de donantes que están disponibles hoy en día no es mucho mayor que la cantidad que estuvo disponible más adelante en la década de 1980".

La necesidad de órganos, especialmente riñones, hígados y corazones, supera con creces la disponibilidad. En la actualidad, más de 100 000 personas solo en los Estados Unidos están en la lista de espera nacional para trasplantes (1). Muchos morirán mientras esperan.

A medida que mejoraba la comprensión científica de las células madre, la edición de genes y el desarrollo de organismos, Garry sintió que su carrera profesional estaba clara. "Cuando las tecnologías estuvieron disponibles para resolver este problema, parecía que era lo correcto".

Hoy, Garry y su esposo Dan, un cardiólogo especialista en trasplantes, son pioneros en el campo de la investigación de quimeras entre especies, el estudio de organismos que contienen células de dos especies diferentes. Su equipo se centra en el uso de células madre pluripotentes inducidas por humanos para cultivar tejidos humanos dentro de cerdos.

Otros científicos, incluido Jun Wu, biólogo de células madre en el Centro Médico Southwestern de la Universidad de Texas, también están estudiando quimeras con el objetivo final de poder desarrollar algún día suficientes órganos humanos para satisfacer la enorme necesidad de trasplantes, lo que podría salvar cientos de miles de vidas. "Las células madre pluripotentes humanas albergan el potencial de proporcionar un suministro inagotable de células, tejidos u órganos de donantes para el trasplante", escribió Wu en un correo electrónico.

En la mitología griega, la quimera era un monstruo que escupe fuego, en parte cabra, en parte serpiente, en parte león, que aterrorizaba a la gente de Licia antes de ser asesinado por el héroe Belerofonte. En biología, una quimera es mucho menos monstruosa; es cualquier organismo que contiene dos o más conjuntos de ADN. Esto puede variar desde lo relativamente pedestre, como una persona que recibió un trasplante de médula ósea, hasta criaturas que parecen estar más en casa en la ciencia ficción, como animales que contienen células o tejidos que pertenecen a otras especies.

Las quimeras entre especies creadas en laboratorio no son especialmente nuevas. Los científicos del Instituto ARC de Fisiología Animal anunciaron la creación de híbridos de oveja y cabra conocidos como geeps en 1984 (2). Las primeras investigaciones sobre quimeras eran difíciles e inexactas. Los científicos extrajeron laboriosamente tejido de un embrión y lo injertaron en otro embrión (3). Sin embargo, los avances en la investigación con células madre en la década de 2000 revolucionaron el campo, abriendo nuevas posibilidades y nuevas aplicaciones para la investigación de organismos de múltiples especies.

En 2007, un equipo de la Universidad de Kyoto creó células madre pluripotentes a partir de células somáticas humanas adultas (4). Los investigadores comenzaron a soñar con un futuro en el que las propias células de los pacientes, tal vez de la sangre o la piel, pudieran convertirse en estas células madre pluripotentes inducidas y crecer en cualquier órgano que el paciente necesitara. Esto no solo proporcionaría un suministro adecuado de órganos, sino que también eliminaría la necesidad de que los pacientes tomen medicamentos inmunosupresores potencialmente peligrosos; dado que los nuevos órganos estarían hechos de sus propias células, no tendrían que preocuparse por el rechazo de órganos.

Algunos investigadores están tratando de usar células madre para bioingeniería de órganos humanos en el laboratorio in vitro, en lugar de dentro de otra especie (5). Si bien Garry reconoce fácilmente la importancia de los múltiples enfoques, dijo que existen ventajas importantes para el cultivo de órganos en animales en desarrollo en lugar de in vitro.

"Creemos que las señales de desarrollo que existen en el cerdo ayudarán a guiar a las células humanas dentro del embrión porcino. En el enfoque in vitro, existe un andamiaje físico, pero las señales biológicas como los factores de crecimiento o la fuerza pura falta el flujo sanguíneo u otras cosas de esa naturaleza que están presentes en el organismo vivo", dijo. Es posible que los científicos aún no sepan lo suficiente como para imitar con precisión todas las señales de desarrollo que instruyen a las células para que se conviertan en un órgano específico. "La naturaleza sabe más que nosotros porque no podemos reinventar todas esas cosas in vitro", dijo Garry.

Un método para hacer crecer un órgano de un animal dentro de una especie diferente es la complementación con blastocistos. Los investigadores eliminan un gen que impulsa el desarrollo de un órgano específico en el blastocisto huésped e implantan células madre pluripotentes de una especie donante.

Los primeros estudios demostraron que esta técnica funcionaba, al menos en algunas especies estrechamente relacionadas. En 2010, el biólogo de células madre Hiromitsu Nakauchi y su equipo de la Universidad de Tokio eliminaron un gen que impulsa la formación de páncreas en embriones de ratón e inyectaron células madre pluripotentes de rata para llenar el nicho vacío. Los ratones resultantes nacieron con páncreas funcionales hechos principalmente de células de rata (6).

Desde entonces, Nakauchi y otros han creado organismos quiméricos con hígados, pulmones y riñones de "reemplazo" (7–9). A pesar de estos éxitos en modelos de roedores, traducir estos hallazgos a órganos humanos está demostrando ser mucho más desafiante.

El grado de relación entre los animales parece ser un factor importante para determinar la facilidad con la que se puede crear una quimera entre especies. En este sentido, podría ser más fácil hacer crecer órganos humanos en primates no humanos estrechamente relacionados. Sin embargo, muchos científicos creen que desde el punto de vista logístico, los cerdos son las especies más adecuadas para la producción a gran escala de órganos humanos: los cerdos maduran rápidamente, tienen camadas grandes y su fisiología es similar a la de los humanos en muchos aspectos (10). De 90 a 200 libras, el tamaño del cuerpo de un cerdo en miniatura es más similar al de un humano que al de un mono de investigación típico; Los macacos rhesus machos pesan solo alrededor de 17 libras en promedio, lo que podría presentar dificultades al tratar de desarrollar órganos de tamaño humano (11).

Aunque los cerdos son óptimos para desarrollar órganos humanos en algunos aspectos, su distancia evolutiva de los humanos crea algunas dificultades. Durante su investigación postdoctoral en el Instituto Salk de Estudios Biológicos, Wu exploró estrategias para hacer que las células madre humanas sean más adecuadas para esta tarea.

Al persuadir a las células madre pluripotentes humanas a una forma intermedia, en algún lugar entre una célula madre ingenua y una célula madre preparada, Wu, junto con otros investigadores del Instituto Salk, produjeron los primeros embriones quiméricos humano-cerdo en 2017 (12). Aunque este fue un gran paso adelante, estaba muy lejos de los cerdos con órganos completamente humanos. Los investigadores estimaron que los embriones contenían aproximadamente una célula humana por cada 100 000 células de cerdo (12,13).

La eliminación de genes de cerdo que impulsan el desarrollo de órganos específicos, como lo hizo Nakauchi en ratones y ratas, puede ayudar a que más células madre humanas crezcan en embriones de cerdo, pero aún no es suficiente para producir un tipo de órgano o tejido completamente humano. Los Garry sabían que las células humanas necesitaban un impulso adicional, por lo que utilizaron células humanas que sobreexpresaban BCL2, un factor antiapoptótico. Al combinar estas células humanas potenciadas con blastocistos de cerdo que carecían del gen regulador maestro ETV2, los Garry produjeron con éxito un embrión de cerdo con un endotelio totalmente humano, el tejido que recubre el sistema vascular, incluidos el corazón y los vasos sanguíneos (14).

Si bien los trasplantes de endotelio no son factibles, Garry dijo que este sigue siendo un importante paso adelante. En otros modelos, el riñón o el páncreas pueden estar hechos de células de otra especie, pero el endotelio todavía estaba hecho de células huésped, que juegan un papel importante en el rechazo de órganos por parte del receptor del trasplante.

El endotelio es tan importante que "es posible que simplemente anular la vasculatura con la eliminación de un solo gen, ETV2, pueda ser suficiente para hacer que todos los órganos porcinos sean compatibles para trasplantarlos a humanos. El sitio de rechazo es principalmente el endotelio que recubre la vasculatura, dijo Gary.

Los Garry también crearon embriones de cerdo con tejido de músculo esquelético humano, esta vez eliminando la proteína p53 en las células humanas para estimular el crecimiento (15). Si bien estos estudios muestran que es posible cultivar tejidos humanos en cerdos, estas estrategias de estimulación del crecimiento no son necesariamente apropiadas para crear órganos para trasplantar a humanos, ya que ambas alteraciones genéticas también conllevan un mayor riesgo de crecimiento de cáncer.

El equipo de Garry está trabajando actualmente para comprender la relación entre las células madre humanas y las células porcinas del embrión huésped, lo que puede conducir a estrategias para aumentar el crecimiento de las células humanas que son más adecuadas para órganos destinados a trasplantes.

"Creemos que la eficiencia del quimerismo realmente se reduce a las barreras inmunológicas", dijo. "Entonces, estamos trabajando con varios otros grupos que son realmente expertos en inmunobiología, incluido el grupo de David Sachs en la Universidad de Columbia, que nos están ayudando a comprender todos estos factores que presentan obstáculos para el avance".

Garry estimó que los órganos cultivados en cerdos podrían estar listos para pruebas en humanos en tan solo cinco años.

Otros investigadores están explorando estrategias alternativas para aumentar la eficiencia incluso en animales evolutivamente distantes (16,17).

Wu espera progresar en esta área al explorar las diferencias en el quimerismo entre organismos estrechamente relacionados y más distantes. "Comparar las diferencias de las células madre pluripotentes extendidas humanas en blastocistos de ratón y mono en cultivo nos ayudará a comprender las barreras de las especies durante el desarrollo temprano debido a la evolución genómica y desarrollar mejores estrategias para superar estas barreras y permitir una contribución más sólida del quimerismo humano en especies evolutivamente más distantes". , por ejemplo, cerdos", escribió Wu.

Con este fin, Wu, junto con un equipo de investigadores del Instituto Salk de Estudios Biológicos y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Kunming, crearon los primeros embriones quiméricos de mono humano en 2021 (18).

Wu también identificó la competencia celular entre células animales y humanas durante el desarrollo como un factor importante en el fracaso del quimerismo (19). "Se sabe que la competencia celular sirve como un mecanismo de control de calidad para eliminar selectivamente las células no aptas de un embrión en desarrollo. Por lo tanto, las células madre pluripotentes humanas se tratan como células no aptas en un embrión animal en crecimiento y se eliminan", escribió Wu.

Al investigar los mecanismos subyacentes a este proceso, el equipo de Wu identificó formas de ayudar a las células humanas a sobrevivir en embriones animales. Al cultivar embriones de ratón y humanos, encontraron una regulación al alza de genes relacionados con la vía de señalización de NF-κB en las células humanas. Esta vía controla muchas funciones celulares diferentes, incluida la respuesta al estrés y la apoptosis, un tipo de muerte celular. Al alterar genéticamente esta vía, los investigadores mejoraron la supervivencia de las células humanas en los embriones de ratón (19).

Jian Feng, investigador de células madre en la Universidad de Buffalo, está desarrollando otra técnica para estimular el crecimiento de células humanas en embriones de ratón. A diferencia de Garry y Wu, el objetivo de Feng no es desarrollar órganos humanos, sino mejorar nuestra comprensión de las enfermedades neurodegenerativas.

Feng se formó originalmente como biólogo molecular, pero pronto se interesó en estudiar la enfermedad de Parkinson, especialmente la forma de aparición temprana de la enfermedad causada por una mutación en el gen PRKN. "Sentí que podía usar todo el poder de la biología molecular para estudiar una enfermedad humana compleja", dijo.

Feng pronto encontró las dificultades de estudiar enfermedades humanas en ratones. Cuando eliminó el gen PRKN en los ratones, no parecían afectados en absoluto. Entonces, cuando leyó sobre la creación de células madre pluripotentes inducidas en ratones, seguida poco después por la generación de versiones humanas en la década de 2000, supo de inmediato que quería usar estas células humanas para estudiar esta enfermedad humana.

Sin embargo, estudiar las células en cultivo no era necesariamente la respuesta. "Si queremos estudiar los problemas del SNC humano, tenemos que tener un circuito", dijo Feng. Además, las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra, que degeneran en la enfermedad de Parkinson, no se pueden recrear fácilmente en un plato. "Estas son células muy singulares. Tienen una arborización de axones extremadamente complicada", dijo Feng. "Necesitábamos encontrar un sustituto que pudiera permitirnos hacer estas células in vivo".

Al igual que otros investigadores, Feng ha estado trabajando en estrategias para mejorar la eficiencia del quimerismo humano-animal. Al inhibir temporalmente la proteína de señalización mTOR, Feng convirtió las células madre pluripotentes humanas en una forma que mostró un crecimiento mejorado cuando se trasplantaron a embriones de ratón; después de 17 días, algunos de los embriones de ratón tenían hasta un cuatro por ciento de células humanas (16).

Eventualmente, Feng quiere usar la tecnología de quimeras para crear mejores modelos de la enfermedad de Parkinson, como ratones con neuronas dopaminérgicas humanas en la sustancia negra. Sin embargo, señaló que todavía hay muchos problemas técnicos que superar.

Si bien la creación de roedores con células cerebrales humanas es una tarea abrumadora, no carece por completo de precedentes. En 2017, un grupo de la Universidad de Rochester creó ratones quiméricos con células gliales, las células no neuronales del sistema nervioso central, a partir de células madre pluripotentes inducidas derivadas de pacientes humanos con esquizofrenia (19). Las células gliales se desarrollaron de manera anormal y los ratones mostraron ansiedad, deterioro del comportamiento social y patrones de sueño interrumpidos, lo que sugiere que las células gliales probablemente desempeñen un papel en el desarrollo de la esquizofrenia y que estos ratones podrían usarse como modelos mejorados para desarrollar nuevas terapias.

Más recientemente, en el otoño de 2022, investigadores de la Universidad de Stanford trasplantaron un organoide cortical derivado de células madre humanas en el cerebro de una rata recién nacida (20). Las neuronas humanas integradas en el cerebro de rata; activarlos suficientemente provocaba ciertos comportamientos.

Si bien los investigadores todavía tienen mucho trabajo por delante, esperan que algún día sus esfuerzos proporcionen órganos para trasplantes y una comprensión más profunda de las enfermedades neuropsiquiátricas, salvando vidas y aliviando el sufrimiento en todo el mundo.

Hannah se unió a Drug Discovery News como editora asistente en 2022. Obtuvo su doctorado en neurociencia de la Universidad de Washington en 2017 y completó la beca Dalla Lana en periodismo global en 2020.

Número de mayo de 2023