Células madre en el síndrome de Down - Downciclopedia

Inicio / Genética / Peculiaridades en el síndrome de Down / El genoma humano, Identificación de los genes

Células madre en el síndrome de Down

El impacto social que ha ocasionado la amplia difusión del debate sobre la posible utilización terapéutica de las células madre en el ser humano, ha penetrado también en el mundo del síndrome de Down. Es importante, por consiguiente, explicar con claridad la realidad biológica que significa el uso de células madre y lo que hasta ahora se ha investigado con ellas y sobre ellas en relación directa con la problemática que plantea el síndrome de Down, para no crear falsas expectativas.

 

¿Qué son las células madre?

Cuando óvulo y espermatozoide humanos se funden en el proceso de la fecundación, surge una célula nueva que es el origen de todas las células que compondrán el organismo. Mediante rápidas y sucesivas divisiones nacen nuevas células que irán conformando los diversos órganos, tejidos y sistemas propios del cuerpo humano. Es decir, no sólo hay un aumento cuantitativo de células (al final habrá un total de unas 1014 células) sino también un cambio cualitativo: las células se especializan. Para ello se van modificando, de modo que unas sirvan para conformar el corazón, otras el hígado, otras la piel, otras la sangre, otras el cerebro, y así sucesivamente. Este proceso de especialización se llama diferenciación.

Por consiguiente, aquellas primeras células formadas a partir de la primera, poseen la potencialidad de convertirse en cualquiera otra especializada. Son las que obtenemos en la fase del embrión (primeras horas después de la fecundación): son las células madre embrionarias y son toti-potentes o pluri-potentes, así llamadas porque pueden originar cualquier tipo de célula propia del organismo humano, siempre que la célula se encuentre en un ambiente propicio. Diremos que es una célula muy inmadura, con mucha potencialidad para irse transformando, pero con poca diferenciación, es decir, poca especialización.

Un paso posterior al de las células madres embrionarias es el de las células progenitoras o raíces de un determinado linaje celular. Cuando una célula madre inicia su proceso interno para originar células del sistema nervioso (p. ej., neuronas), pasa por una serie de etapas sucesivas intermedias que empiezan en la célula madre original y terminan en la neurona propiamente dicha. Pero no hay un tipo único de neurona sino decenas de tipos neuronales, distintos entre sí por algún aspecto de su estructura o de su funcionamiento. Cada tipo constituye una rama o linaje. En todo ese recorrido, pues, nos encontramos con células que serán tanto más inmaduras cuanto más próximas se encuentren a la célula madre original, y más diferenciadas cuanto más se aproximen a la neurona final. A las primeras las llamamos células progenitoras porque de ellas van creciendo la rama o linaje hasta llegar a las neuronas finales, ya plenamente diferenciadas.

 

¿A qué se debe la diferenciación?

Todas las células humanas poseen todos los genes propios del ser humano, pero en una célula sólo suele actuar el 10 % de todos los genes. Es decir, que una célula sea neurona significa que en ella opera ese 10 % de genes responsables de formar unas proteínas que, adecuadamente ensambladas, hacen que la célula sea eso, una neurona, y la hacen funcionar como tal. Lógicamente, ese 10 % es distinto de otro 10 % que opera para que otra célula sea y actúe como una célula del corazón, que es diferente y tiene una función distinta de la del cerebro.

¿Qué es lo que hace que en una célula madre los genes actúen para que se convierta finalmente en una neurona, y en otra para que se convierta en célula cardíaca? Todo un conjunto de fuerzas internas de la célula, programadas cronológicamente, y de fuerzas externas a ella pero que actúan sobre ella a modo de señales o estímulos que influyen para que, dentro de ella, puedan operar unos genes y no otros.

La diferenciación celular, por tanto, es el resultado de acciones conjuntas internas y externas, que operan sobre la célula madre o la célula progenitora para convertirse en una célula concreta y definitiva.

 

¿Para qué pueden servir terapéuticamente las células madre?

Cuanto más pluripotente sea una célula, más capacidad tendrá para convertirse en la célula que queramos. Sólo bastará que la sometamos a unas señales concretas que sabemos que van a determinar el que la célula madre se transforme en la que deseamos obtener. Esas señales o estímulos son de carácter químico y suelen ser denominados factores tróficos o de crecimiento. Pongamos un ejemplo. Hay un tipo de diabetes (azúcar en la sangre) originada por la destrucción y desaparición de las células del páncreas que producen y segregan la insulina. Cabe la posibilidad de someter a células madre obtenidas por los medios adecuados y mantenidas en un cultivo celular, al tratamiento con un factor trófico capaz de transformarlas en las células secretoras de insulina. Una vez transformadas, se implantarían en el páncreas enfermo, en espera de que las células “prendan” (como si tratara de un injerto), y funcionen normalmente haciendo lo que es función suya: segregar insulina. Incluso cabe implantar células madre propiamente dichas que, en el ambiente natural del páncreas, se transformen en dichas células secretoras de insulina.

Las células madre más inmaduras y menos diferenciadas se consiguen de los embriones; una vez extraídas se mantienen en un ambiente adecuado, el cultivo, que hay que cuidarlo y protegerlo. Por su propia naturaleza, se dividen y se reproducen de manera constante y permanente. Pero incluso cuando un órgano ya está formado y se supone que todas sus células están diferenciadas, sigue habiendo en él una cierta proporción de células madre o precursoras, gracias a las cuales el órgano se sigue renovando como consecuencia de su proliferación. Como después veremos, es posible aislar un trozo de tejido cerebral (mejor si es relativamente inmaduro), ponerlo en un medio de cultivo y, mediante una serie de manipulaciones, conseguir que las células madre empiecen a proliferar. Incluso es posible conseguir que, con un tratamiento especial, una célula madre obtenida del tejido cerebral se convierta en una célula de tejido muscular: es el fenómeno llamado de trans-diferenciación.

 

¿Qué valor terapéutico podrían tener en el síndrome de Down?

En el ejemplo anterior del páncreas, la situación es sencilla –al menos teóricamente–: falta un tipo concreto de células y lo reponemos, en un órgano que, además, es fácilmente asequible. Hay enfermedades del sistema nervioso en que existe una carencia o degeneración de un único tipo de neuronas, ubicadas además en un sitio muy concreto. Cabe teóricamente sustituirlas mediante la implantación de células madre capaces de transformarse en ese tipo de neuronas que han degenerado.

Pero la problemática cerebral del síndrome de Down es mucho más compleja (el lector se dará cuenta que, aunque en el síndrome de Down puede haber afectación de diversos órganos, nos referimos al cerebro de manera especial por ser el más constantemente afectado y ser responsable de la discapacidad intelectual). La patología no queda restringida a un tipo concreto y único de neurona ubicada en un sitio específico, sino que consiste en difusos déficit que se extienden por amplias zonas de la corteza cerebral y del cerebelo. Se aprecia una reducción en el número de neuronas pequeñas o granulares (pero éstas pueden ser de varios tipos). Hay además un menor desarrollo de ramificaciones neuronales que llamamos dendritas, así como de las espinas que se ubican en las dendritas.Esta deficiencia en el desarrollo de las espinas se aprecia principalmente en los primeros meses después del nacimiento. En conjunto, pues, hay un problema en el proceso de formación y maduración de diversos tipos de neuronas, proceso que llamamos neurogénesis.

Lo que no está claro todavía es en qué etapa del desarrollo de la corteza cerebral surge el problema. ¿Es un problema de capacidad para proliferar? ¿Es un problema de capacidad para sobrevivir? ¿Es un problema de capacidad para emigrar desde el sitio en que la neurona nace hasta el sitio en donde debe quedar definitivamente ubicada? ¿Es un problema de programación interna de la neurona, de modo que no responde adecuadamente a los estímulos o señales externas para madurar plenamente y desarrollar al máximo su potencialidad para formar sus dendritas y sus espinas?

Son muchas preguntas para las que no tenemos respuesta. De ahí que la utilización terapéutica de células madre para mejorar el funcionamiento cerebral en el síndrome de Down sea todavía una posibilidad muy lejana. Es preciso conocer antes con exactitud cuáles son el o los fallos neuronales específicos y concretos que aparecen en el síndrome de Down. Qué linaje(s) neuronal es el afectado, cuándo aparece la afectación, en qué lugar, por qué motivo, etc. A responder estas preguntas van dirigidos los estudios que actualmente se están realizando en este campo.

 

Los estudios con células madre en el cerebro del síndrome de Down

Para ello se está desarrollando la tecnología del cultivo experimental de células cerebrales obtenidas de la corteza cerebral de fetos con síndrome de Down. De esta manera se dispone de un material neuronal abundante que se mantiene en placas de cultivo, en donde se puede trabajar con facilidad: ver cómo las neuronas se reproducen, cómo se diferencian y extienden sus prolongaciones, y forman sus redes de conexión entre ellas, qué supervivencia tienen, cómo responden a los estímulos o señales que se introducen desde fuera.

Al acercar la neurona a las manos del investigador, se hace más posible manipularla en diversos sentidos. Por ejemplo, constatar qué genes son los que están actuando en cada momento y son responsables de la alteración, modificar la acción de esos genes y ver qué repercusiones tiene sobre la función de la neurona y su desarrollo, someterlas a la acción de agentes externos que puedan mejorar su función (el lector puede consultar el artículo El envejecimiento de las personas con síndrome de Down y en él verá cómo la utilización de cultivo de neuronas fetales con síndrome de Down está permitiendo analizar las causas del envejecimiento neurona precoz que observamos en el síndrome de Down).

La utilización de tejido cerebral fetal, pues permite avanzar en el conocimiento. Pero esas neuronas corresponden a un periodo concreto del desarrollo, están ya bastante diferenciadas. Se trata ahora de conseguir neuronas en un periodo más precoz del desarrollo, es decir, menos diferenciadas, con mayor potencialidad de transformación, para analizar así con más precisión cuándo empiezan los problemas del desarrollo neuronal, a qué se deben, cómo se van manifestando. Sólo así podremos conocer, como en una película, cómo es la sucesión de problemas debidos a la anomalía de los genes propios del síndrome de Down.

Varios grupos de investigadores descubrieron que cuando se somete el tejido de corteza cerebral fetal humano, puesto en cultivo, a unas sustancias especiales llamadas factor de crecimiento epidérmico (EGF) y factor 2 de crecimiento fibroblástico (FGF-2), se forman unos agregados o acúmulos de células madre y de células progenitoras que se llaman neuroesferas. Los agregados pueden expandirse y mantenerse durante periodos prolongados de tiempo, lo que permite trabajar en ellos con holgura y facilidad, y analizar cronológicamente los procesos específicos del desarrollo de la corteza: la proliferación, la emigración, y la diferenciación neuronal.

Las células madre que existen en las neuroesferas se diferencian cuando se les priva de los factores de crecimiento que les hacía proliferar y, a cambio, se les somete a una determinada sustancia que les obliga a diferenciarse. De esta manera se convierten en dos tipos ce células: las neuronas progenitoras y las células gliales. Las neuronas progenitoras emigran dentro de la neuroesfera apoyándose en las fibras formadas por las células gliales, exactamente igual que en la vida real. Una vez que se salen de la neuroesfera, las células progenitoras se dividen y se diferencian. De este modo, las neuroesferas obtenidas del tejido cerebral humano ofrecen las siguientes oportunidades, lo que hace que sean un instrumento ideal para estudiar cómo se desarrollan las neuronas en el síndrome de Down:

1. A partir de una muestra de tejido humano que tiene trisomía 21 se puede obtener un número prácticamente ilimitado de células.
2. Se pueden usar las neuroesferas para estudiar el desarrollo prenatal, es decir, el periodo en que se está formando realmente la corteza cerebral.
3. Se pueden analizar aspectos específicos del desarrollo: proliferación, migración, diferenciación.
4. Se pueden someter las neuroesferas a la manipulación que se desee, bien de carácter genético (transfección y manipulación de genes), o epigenético (aplicando externamente sustancias o factores que modifiquen el metabolismo y funcionamiento de la célula).

Hasta ahora, se han obtenido ya algunos resultados que resumimos a continuación:

1. Las neuroesferas obtenidas a partir de tejido cerebral con síndrome de Down producen menos neuronas que las neuroesferas normales, cuando se las deja diferenciarse (figura 1).

Las neuroesferas obtenidas a partir de tejido cerebral con síndrome de Down

Figura 1. Neuroesferas corticales generadas a partir de tejido cerebral fetal normal o con síndrome de Down. Cuando se exponen a laminina y quedan privadas de los factores de crecimiento, inician su diferenciación. Las neuronas son marcadas por inmunofluorescencia: tubulina beta III (en rojo). Las neuroesferas del síndrome de Down generan muchas.

2. Las neuronas obtenidas en las neuroesferas siguen manteniendo la trisomía 21.

3. El material de expresión de los genes del cromosoma 21 obtenido en esas neuronas es variable: a pesar de que en la trisomía 21 hay sobreexpresión de genes, puede haber disminución de algunas proteínas.

4. Las neuroesferas obtenidas de corteza cerebral originan mayor número de neuronas grandes que de neuronas pequeñas, mientras que las obtenidas del tronco cerebral originan mayor número de neuronas pequeñas que de las grandes. Persiste, pues, en las neuroesferas una especificidad regional.

5. Queda por demostrar que la evolución que siguen las neuroesferas en cultivo sigue el programa de desarrollo que se observa al natural en el cerebro. Si así fuera, se podría analizar paso a paso cómo es el desarrollo en el síndrome de Down: en las fases iniciales, en las intermedias y en las finales. De ese modo se concretarían mejor cuándo surgen los problemas, qué genes son los responsables, y concentraríamos el esfuerzo para ver cómo se puede influir sobre esas fases concretas.

 

Conclusión

En el momento actual, la aplicación de células madre y células progenitoras neuronales con fines terapéuticos en el síndrome de Down carece de viabilidad, debido a la enorme complejidad de la patología cerebral en este síndrome. Sin embargo, la tecnología empleada para obtener estas células está permitiendo conocer aspectos críticos de los procesos de desarrollo neuronal del tejido cerebral, que deben acercarnos a conocer mejor cuáles son los problemas que existen en la realidad humana. Una vez conocidos, es más fácil y posible intentar solucionarlos.

 

Bibliografía

Bahn S, Mimmack M, Ryan M, Calwell MA, et al. Neuronal target genes of the neuron-restrictive silencer factor in neurospheres derived from fetuses with Down’s syndrome: a gene expression study. Lancet 2002: 359: 310-315.

 

Bhattacharyya A, Svendsen CN. Human neural stem cells: a new tool for studying cortical development in Down’s syndrome. Genes, Brain and Behavior 2003: 2: 1-8.

 

Stracham T, Read AP. Human Molecular Genetics, 3ª ed. Garland Publishing,Taylor & Francis. London 2004

 

Jesús Flórez,
Catedrático de Farmacología