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Fibao Una perspectiva molecular en medicina
REVISIÓN
Células madre iPS para modelar enfermedades humanas
Prevención
Tratamiento
Etiopatogenia
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Fecha de Publicación: 26-1-2010 Última actualización : 26-1-2010
Resumen
Las tecnologías de obtención de células madre pluripotentes inducidas, conocidas como células iPS (induced Pluripotent Stem) permite una amplia disponibilidad de células específicas de un paciente y por tanto también de pacientes con una misma enfermedad. Estas células tienen un gran potencial para la modelización in vitro de una enfermedad. Cultivando células con el genotipo que determina una enfermedad es posible en muchos casos recrear su patogénesis en una placa de Petri. Esto permite profundizar en los mecanismos moleculares involucrados en el desarrollo de esa enfermedad y facilita el diseño de nuevas terapias.
Introducción
La animación muestra de forma esquemática el proceso para recrear la patogénesis de una enfermedad empleando células iPS
Tener acceso a un número ilimitado de células genéticamente idénticas a las propias células de un paciente ha sido desde hace mucho tiempo el sueño de la medicina regenerativa. Pero además las células iPS tienen un extraordinario potencial en investigación básica para modelar enfermedades humanas in vitro. El cultivo de estas células de pacientes con el genotipo determinante de la enfermedad permite recrear la patogénesis de la enfermedad y profundizar así en los mecanismos moleculares implicados en su desarrollo. El descubrimiento de estos mecanismos abrirá nuevas vías de investigación en fármacos diseñados en base a estos descubrimientos.
 
El desarrollo de las tecnologías de generación de células iPSC (induced Pluripotent Stem cell) ha permitido la reprogramación de células somáticas hacia el estado de pluripotencia mediante la expresión de un conjunto de factores de transcripción que son clave en la adquisición de esa pluripotencia.  Muchos de los retos asociados a la generación de las células iPS se han superado por completo y la derivación de múltiples líneas de diferentes individuos con una misma enfermedad, cosa inconcebible hace sólo unos años, es ahora un procedimiento de rutina en muchos laboratorios.
Estado actual
La imagen esquematiza el uso de células iPS para modelizar enfermedades
Modelización de enfermedades
 
Aunque aún se necesitan muchas mejoras técnicas, la tecnología de células humanas iPS ha madurado hasta el nivel necesario para probar su potencial en la modelización de enfermedades. Los estudios iniciales en este sentido trataron de demostrar que se podía generar una librería de líneas humanas específicas de un paciente con una enfermedad. El siguiente paso fue diferenciar esas células en los tipos celulares cuya función se afecta en esa enfermedad. Por ejemplo se derivaron motoneuronas medulares de una línea iPS de una persona que sufría esclerosis lateral amiotrófica (ALS: Amyotrophic Lateral Sclerosis), y se derivaron neuronas dopaminérgicas de 7 personas con Parkinson. Estos estudios iniciales no consiguieron caracterizar fenotipos relacionados con la enfermedad. Sin embargo estudios más recientes están empezando a mostrar la posibilidad de modelar patogénesis de enfermedades en estas células y testar fármacos candidatos in vitro. Uno de estos ejemplos en los que se observaba el fenotipo de la enfermedad se realizó con motoneuronas derivadas de células iPSC de un niño de 3 años con atrofia muscular espinal (SMA), un desorden de las neuronas motoras de temprana aparición. Este modelo mostró una supervivencia comprometida en las motoneuronas diferenciadas que mostraban una expresión reducida de la proteína SMN. Esta proteína forma parte de unos agregados nucleares. Exposición a ácido valproico o tobramicina, que aumentan la proteína SMN en modelos de ratón, fueron efectivos para aumentar la cantidad de proteína SMN en la neuronas derivadas de las iPSC.
 
Otro ejemplo es el modelo de disautonomía familiar, un raro desorden genético que afecta al sistema nervioso periférico y produce una sintomatología clínica muy grave. Su pronóstico es muy grave ya que sólo el 40% de los pacientes sobreviven a los 20 años de edad. En la mayoría de los casos la enfermedad se debe a una mutación puntual que altera el splicing del gen IKBKAP también conocido como ELP1 que codifica un componente del complejo de elongación transcripcional. El aislamiento y diferenciación de líneas de células iPSC de 3 individuos con disautonomía familiar permitió modelar in vitro las causas subyacentes de la enfermedad. Las células precursoras de la cresta neural derivadas de las FD-iPSC tenían una expresión disminuida de IKBKAP. Además presentaban defectos en neurogénesis y en la motilidad celular. La hormona de plantas kinetina se testó como componente terapéutico y se consiguió observar una mejora del splicing correcto del gen IKBKAP y una recuperación del defecto de neurogénesis.
 
Los desórdenes de origen genético definido son especialmente apropiados para ser estudiados mediante tecnologías de iPSCs. Hay algunos datos preliminares alentadores en modelización de enfermedades del sistema hematopoyético.
 
Un punto importante es disponer de marcadores para purificar los tipos celulares relevantes de cada enfermedad.
 
Retos
 
Un reto muy importante en la modelización de enfermedades con células iPS es lo que podríamos llamar la diferenciación de la señal frente al ruido en la detección de un fenotipo relacionado con la enfermedad de forma consistente en medio de un contexto de una gran variabilidad técnica y biológica. El ruido en las tecnologías iPS puede deberse al fondo genético o a las diferencias en el propio estado de pluripotencia de las células iPS, ya que, por ejemplo, pueden estar en estados de reprogramación incompleta. Quizá el mayor problema es la heterogeneidad de las células que se consiguen por inducción y en este sentido son fundamentales los protocolos de diferenciación y el contar con buenos métodos de caracterización de las células obtenidas. Así marcadores de superficie o marcadores genéticos que permitan seleccionar de forma específica los tipos celulares relacionados con la enfermedad pueden resultar fundamentales para reducir esta variabilidad celular. Es necesario desarrollar herramientas genéticas para poder purificar células iPS de un linaje específico.
 
Un estudio reciente ha demostrado que es posible corregir la anemia de Fanconi mediante transgénesis por lentivirus de un gen sano a los fibroblastos del paciente que posteriormente fueron reprogramados a hematíes. Probablemente para demostrar la especificidad de los modelos de enfermedad con células iPS se acabe exigiendo demostrar la reparación del defecto genético que causa la enfermedad conseguiendo células sanas.
Otro aspecto que pueden manejar las tecnologías iPS es la edad celular. La edad de una célula puede ser revertida mediante reprogramación hacia el estado de pluripotencia. Esto en muchos sentidos es una ventaja pero se convierte en un verdadero reto cuando se trata de modelizar células envejecidas de 80 años de edad como ocurre en la modelización de enfermedades como el Alzheimer o el Parkinson. Por otro lado los protocolos habituales de diferenciación consiguen células similares a las de etapas prenatales que no tienen la suficiente madurez para tener las funcionalidades necesarias como por ejemplo responder a glucosa o a dopamina. Por tanto las enfermedades de aparición en edades avanzadas necesitan nuevos métodos de diferenciación que consigan células similares a las células adultas para poder ser modelizadas mediante tecnologías de células iPS. Se está intentando obtener células similares a las células de la edad avanzada mediante exposición a radicales libres o a toxinas o favoreciendo la formación de agregados intracelualeres tóxicos. También se ha abierto otra vía que intenta investigar si las células iPS del donante podrían llevar memoria epigenética de su edad que pudiera ser utilizada.
 
Existen muchas enfermedades humanas de origen genético no bien definido con etiologías no bien conocidas que involucran factores genéticos y ambientales. Probablemente las tecnologías iPC permitan estudiar más a fondo y con otras posibilidades la etiología de muchas de estas enfermedades. Un caso en el que probablemente aporten nuevas vías de estudio son los casos de enfermedades para las que no se ha conseguido un modelo animal manejable.
Conclusiones
La imagen recoge las principales aplicaciones de las células iPS en medicina personalizada

La tecnología iPS es una tecnología aún en desarrollo que necesita salvar aún muchos obstáculos para convertirse en una aproximación real para el estudio de enfermedades humanas pero tiene un gran potencial y puede revolucionar en gran medida la medicina personalizada. Todas estas tecnologías nos hacen posible imaginar un escenario en que exista la posibilidad de tener acceso a toda la información genética de cada paciente y poder probar con tejidos de las propias células iPS del paciente multitud de cuestiones médicas y eficacia de tratamientos. Así se podría testar la respuesta a distintos fármacos antes de tratar al paciente, cuantificar la susceptibilidad a una enfermedad o el riesgo de desarrollar cáncer mediante pruebas de exposición a distintos factores o validar el impacto de distintas estrategias preventivas de forma individualizada. Mientras muchas de estas ideas suenan aún a ciencia ficción las nuevas tecnologías de células iPS hacen que este escenario no nos parezca inalcanzable.

Bibliografía