Los investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford han trazado los conjuntos de señales biológicas y químicas necesarias para dirigir de manera rápida y eficiente las células madre embrionarias humanas para que se conviertan en poblaciones puras de cualquiera de los 12 tipos de células, incluidos hueso, músculo cardíaco y cartílago.
La capacidad de hacer poblaciones puras de estas células en días en lugar de las semanas o meses requeridos anteriormente es un paso clave hacia la medicina regenerativa clínicamente útil, lo que potencialmente permite a los investigadores generar nuevas células cardíacas que palpitan para reparar el daño después de un ataque cardíaco o paracrear cartílago o hueso para revitalizar las articulaciones crujientes o sanar de un trauma.
El estudio también destaca los patrones clave, pero de corta duración, de expresión génica que ocurren durante la segmentación de embriones humanos y confirma que el desarrollo humano parece depender de procesos que se conservan evolutivamente entre muchos animales. Estas ideas también pueden conducir a una mejor comprensiónde cómo ocurren los defectos congénitos.
"La medicina regenerativa se basa en la capacidad de convertir células madre humanas pluripotentes en células madre de tejido especializadas que pueden injertarse y funcionar en pacientes", dijo Irving Weissman, MD, director del Instituto de Biología de Células Madre y Medicina Regenerativa de Stanford, y tambiénde su Centro de Cáncer Ludwig. "Nos tomó años poder aislar las células madre formadoras de sangre y cerebro. Aquí usamos nuestro conocimiento de la biología del desarrollo de muchos otros modelos animales para proporcionar los factores de señalización positivos y negativos para guiarlas opciones de desarrollo de estas células madre de tejidos y órganos. Dentro de cinco a nueve días podemos generar prácticamente todas las poblaciones de células puras que necesitamos "
Weissman y Lay Teng Ang, del Instituto del Genoma de Singapur, son los autores principales del estudio, que se publicará el 14 de julio en Celda . El estudiante graduado Kyle Loh y la asistente de investigación Angela Chen, ambas en Stanford, comparten la autoría principal del estudio.
Desentrañando los misterios
Las células madre embrionarias son pluripotentes, lo que significa que pueden convertirse en cualquier tipo de célula en el cuerpo. Lo hacen respondiendo a una variedad de señales específicas de tiempo y ubicación dentro del embrión en desarrollo que las dirige a convertirse en tipos de células específicas. Investigadoreshe aprendido mucho sobre cómo se controla este proceso en animales, incluidos peces, ratones y ranas.
A diferencia de muchos otros animales, el desarrollo embrionario humano es un proceso misterioso, particularmente en las primeras semanas después de la concepción. Esto se debe a que muchos países y sociedades científicas prohíben el cultivo de un embrión humano por más de 14 días. Pero sí sabemosque, como otros animales, el embrión humano en sus primeras etapas consta de tres componentes principales conocidos como capas germinales: el ectodermo, el endodermo y el mesodermo.
Cada una de estas capas germinales es responsable de generar ciertos tipos de células a medida que se desarrolla el embrión. El mesodermo, por ejemplo, da lugar a tipos de células clave, que incluyen músculo cardíaco y esquelético, tejido conectivo, hueso, vasos sanguíneos, células sanguíneas, cartílagoy porciones de los riñones y la piel.
"La capacidad de generar poblaciones puras de estos tipos de células es muy importante para cualquier tipo de medicina regenerativa clínicamente importante", dijo Loh, "así como para desarrollar una hoja de ruta básica del desarrollo embrionario humano. Anteriormente, hacer estos tipos de célulastomó semanas o meses, principalmente porque no era posible controlar con precisión el destino celular. Como resultado, los investigadores terminarían con una mezcolanza de tipos celulares ".
Loh y Chen querían saber qué señales impulsan la formación de cada uno de los tipos de células derivadas mesodermalmente. Para hacerlo, comenzaron con una línea de células madre embrionarias humanas, que empujaron químicamente para convertirse en células que forman lo que se conoce como lo primitivoraya en la bola hueca de las células del embrión temprano. Luego experimentaron con diversas combinaciones de moléculas de señalización conocidas, como WNT, BMP y Hedgehog, como una forma de convencer a estas células para que se conviertan en células precursoras cada vez más especializadas.
Una estrategia de sí y no
Aprendieron que a menudo las células progresaban por el camino del desarrollo a través de una serie de elecciones consecutivas entre dos opciones posibles. Piense en el juego de carnaval en el que se deja caer un disco en un tablero inclinado, tachonado de clavijas para aterrizar en una de varias tazasen la parte inferior. El destino final está determinado por si el disco va a la izquierda o derecha de cada clavija consecutiva.
La forma más rápida y eficiente de microgestión de las decisiones de desarrollo de las células fue aplicar una combinación simultánea de factores que fomentaron la diferenciación en un solo linaje y al mismo tiempo bloquearon activamente las células de un destino diferente, una especie de "sí" yestrategia "no".
Por ejemplo, las células en la línea primitiva pueden convertirse en endodermo o en uno de los dos tipos de mesodermo. Inhibir la actividad de una molécula de señalización llamada TGF beta conduce a las células a un destino mesodérmico. Agregar una molécula de señalización llamada WNT, mientras que también bloqueala actividad de otra molécula conocida como BMP, promueve la diferenciación en un tipo de mesodermo; por el contrario, agregar BMP mientras se bloquea WNT conduce a las células a convertirse en el otro tipo de mesodermo.
"Aprendimos durante este proceso que es igualmente importante comprender cómo se desarrollan los tipos de células no deseadas y encontrar una manera de bloquear ese proceso al tiempo que fomentamos el camino de desarrollo que queremos", dijo Loh.
Al guiar cuidadosamente las opciones de las células en cada bifurcación en el camino, Loh y Chen pudieron generar precursores de células óseas que formaron hueso humano cuando se trasplantaron en ratones de laboratorio y golpearon las células del músculo cardíaco, así como otras 10 células derivadas mesodérmicaslinajes.
En cada etapa de desarrollo, los investigadores realizaron una secuenciación de ARN de una sola célula para identificar patrones únicos de expresión génica y evaluar la pureza de poblaciones de células individuales. Al observar el perfil de expresión génica en células individuales, los investigadores pudieron identificar transitorios previamente desconocidosestados que tipificaron la progresión de células precursoras a células más especializadas.
Segmentación en desarrollo embrionario
En particular, observaron por primera vez un pulso transitorio de expresión génica que precede a la segmentación del embrión humano en partes discretas que se convertirán en la cabeza, el tronco y las extremidades del cuerpo. El proceso refleja lo que se sabe que ocurre en otrosanimales, y confirma que el proceso de segmentación en el desarrollo humano se ha conservado evolutivamente.
"La segmentación del embrión es un paso fundamental en el desarrollo humano", dijo Loh. "Ahora podemos ver que, evolutivamente, es un proceso muy conservado". Comprender cuándo y cómo ocurren la segmentación y otros pasos clave del desarrollo podría proporcionar importantespistas sobre cómo surgen los defectos congénitos de nacimiento cuando estos pasos salen mal.
La capacidad de generar rápidamente poblaciones purificadas de células precursoras especializadas ha abierto nuevas puertas para estudios posteriores.
"A continuación, nos gustaría mostrar que estas diferentes células progenitoras humanas pueden regenerar sus respectivos tejidos y tal vez incluso mejorar la enfermedad en modelos animales", dijo Loh.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro médico de la Universidad de Stanford . Original escrito por Krista Conger. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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