EL ELIXIR DE LA ETERNA JUVENTUD

LA BÚSQUEDA DE LA PLURIPOTENCIA

Durante la embriogénesis, el ser vivo se desarrolla desde un cigoto unicelular, hasta un organismo pluricelular, constituido por múltiples tipos celulares organizados en tejidos y órganos. La trasformación de los primeros estadios del organismo, formado por unas pocas células idénticas no diferenciadas, a un organismo pluricelular compuesto por numerosas células diferenciadas, es decir especializadas en una determinada función, requiere una orquestación espacio temporal enormemente compleja. Solo de este modo se conseguirá “que todo esté en su sitio” y la obtención de un organismo maduro funcional.

En todo este proceso, son fundamentales las células madre. Estas son un tipo de células no diferenciadas, que al dividirse, por un lado se auto renuevan, es decir, se obtienen células idénticas a la de origen, y por otro, si se dan las condiciones adecuadas, se producen células que se irán diferenciando a los distintos tipos celulares.

Esquema de división y diferenciación de las células madre. Al dividirse, las células madre (A) son capaces de producir células idénticas a ellas y otras que comienzan el proceso de diferenciación (B) y que producirán células totalmente diferenciadas tras sucesivas divisiones. Fuente de la imagen: Wikipedia

Los organismos tienen células madre no sólo durante el estadio embrionario, sino durante toda su vida, ya que éstas además de intervenir en la embriogénesis, participan en el mantenimiento y regeneración de los tejidos. Sin embargo, no todas las células madre son iguales. Así, las células madre de los estadios embrionarios más tempranos (las células madre embrionarias), son capaces de diferenciarse a cualquier tipo celular. Es lo que se denomina pluripotencia. En el caso de los organismos adultos, el abanico de tipos celulares que pueden producirse a partir de las células madre adultas es mucho más limitado. Así, aunque algunas células madre adultas son capaces de diferenciarse en más de un tipo celular del mismo o distinto tejido, lo que se llama multipotencia, otras son precursoras directas de las células del tejido en el que se encuentran.

Esto es lógico, ya que durante la embriogénesis se produce la formación de los distintos tipos de tejidos a partir de células nada o poco diferenciadas, mientras que en el organismo adulto su función es el “mantenimiento” de los tejidos existentes.

La capacidad de renovación tisular de las células madre, hace que se haya estado investigando intensamente sobre su uso potencial en terapias regenerativas, ya que, en principio, se podrían utilizar en la sustitución de tejidos dañados o no funcionales por otros sanos. Sin embargo, el hecho de que las células madre adultas sean tan poco versátiles y produzcan tan pocos tipos celulares, ha llevado a los investigadores a dirigir sus miradas hacia las células madre embrionarias pluripotentes. Dichas células tienen la ventaja de que permiten la obtención de cualquier tipo de tejido, pero su origen embrionario hace que su utilización sea bastante controvertida.

En esta “búsqueda de la pluripotencia”, el Premio Nobel Yamanaka consiguió en 2006 junto con su equipo, un hito fundamental: transformar células de ratón diferenciadas adultas en células madre pluripotentes (Takahashi, K. et al. Cell. Agosto 2006, Vol. 126, Nº 4, páginas 663-676); es decir, dio marcha atrás al proceso de diferenciación celular. Para conseguir dicha marcha atrás, forzó la expresión de cuatro proteínas, los llamados factores de Yamanaka (Oct4, Sox2, Klf4 y c-Myc), en células adultas de ratón. Estas “células madre artificiales” se denominan células madre pluripotentes inducidas (iPSC) y han abierto una nueva vía de obtención de tejidos a partir de células diferenciadas adultas, mucho más fáciles de obtener que las células madre adultas, y sin los problemas éticos de las células embrionarias. Desde ese momento, tanto el equipo de Yamanaka, como otros grupos de investigación, entre ellos el de Juan Carlos Izpisúa, han publicado numerosos artículos científicos y patentes en los que se obtienen iPSCs a partir de células adultas procedentes de diferentes tejidos.

Imagen izquierda: EP1971446. Patente de Yamanaka en la que se describe la obtención de iPSCs mediante la expresión de los genes Oct4, Sox2, Klf4 y c-Myc en células de ratón adultas.

 Imagen derecha: US2012/0263689. Patente de Izpisúa en el que se obtienen iPSCs a partir de células adultas procedentes de tejido adiposo.

 LA BÚSQUEDA DE LA ETERNA JUVENTUD

 Sin embargo, ahí no terminan las propiedades especiales de las iPSCs. A medida que el organismo va envejeciendo, sus células son menos capaces de protegerse frente a los daños celulares y de regenerar tejidos. Así, estas células muestran ciertas características moleculares y celulares, que no están en las células de los organismos jóvenes y que están relacionadas con su envejecimiento: serían “las arrugas” o “las canas” de las células.

Tanto el grupo de Izpisúa, como otros equipos de investigación, han observado que las iPSCs, “tienen menos canas y arrugas” que las células adultas de las que proceden. Este hecho abre otra vía de investigación: ¿Y si se pudiera dar marcha atrás a la edad de las células? De este modo, las células serían más resistentes a los daños celulares y se aumentaría la capacidad de regeneración de los tejidos, lo cual tendría múltiples aplicaciones terapéuticas.

Siguiendo esta vía de investigación, el pasado mes de diciembre, se publicó un artículo en la prestigiosa revista Cell, en el que el equipo de Izpisúa consigue disminuir algunas características asociadas a la edad tanto en cultivos celulares como en seres vivos, mediante la expresión cíclica de los factores de Yamanaka (Ocampo, A. et al. Cell. 15 diciembre 2016, Vol. 167, Nº 7, páginas 1719-1733). Es decir, utilizaron las mismas proteínas que sirven para llevar hacia atrás la diferenciación celular, pero haciendo que se expresaran durante menos tiempo y de manera discontinua, en vez de manera constante. Con tal fin, realizaron experimentos en tres modelos biológicos: ratones con una enfermedad genética que produce el envejecimiento prematuro, ratones viejos sanos, y células de ratón y humanas. Veamos un resumen de los experimentos que llevaron a cabo.

RATONES CON PROGERIA

 La progeria es una enfermedad genética rara que cursa con el envejecimiento prematuro de los niños de entre 1 y 2 años. Se trata de  una enfermedad grave, cuyos pacientes tienen una esperanza de vida de 13 años. La forma más severa de la enfermedad es el síndrome de Hutchinson-Gilford.

Así, los autores de este artículo, estudiaron los efectos de la inducción de la expresión de los factores de Yamanaka en ratones que padecen progeria de Hutchinson–Gilford. En estos ratones, aparecen de manera prematura muchas características asociadas a la edad que afectan a numerosos órganos, y mueren prematuramente. Para estudiar el efecto de los factores de Yamanaka en dichos ratones, generaron un ratón transgénico que expresaba las cuatro proteínas (Oct4, Sox2, Klf4 y c-Myc), pero no de manera constante, sino cuando al ratón se le administraba un determinado compuesto, la doxiciclina. De este modo, podían controlar la expresión de los cuatro genes mediante la administración en de doxiciclina en el agua. Si se administraba esta molécula en el agua, sus células empezaban a expresar las proteínas. En el momento en que se dejaba de administrar, las proteínas dejaban de expresarse. ¿Y por qué hacerlo tan complicado y no dejar que se expresen los factores de Yamanaka constantemente? Porque la expresión conjunta de estas proteínas durante mucho tiempo, produce la desdiferenciación celular. Lo que los autores querían estudiar, es si podían “rejuvenecer” las células, no que dejaran de estar diferenciadas. Es decir, que las células del hígado, páncreas, musculares, etc. se siguieran comportando como tales, pero con menos edad.

De hecho, los autores probaron a administrar constantemente doxiciclina, con el fin de conseguir la expresión continua de las cuatro proteínas en los ratones, y esto llevó a la muerte prematura de los mismos.

Sin embargo, la administración de manera discontinua de doxiciclina, y por lo tanto la expresión cíclica de los factores de Yamanaka, hizo que estos ratones vivieran durante más tiempo. Además mejoró su aspecto físico externo (por ejemplo la curvatura de su espina dorsal) y en la necropsia se vio una mejoría del estado del tracto gastrointestinal, piel, bazo, riñones, estómago, sistema cardiovascular e hígado.

Por otro lado, si se aíslan células de estos ratones y se les hace expresar los factores de Yamanaka durante solo unos días, se puede comprobar que disminuyen las características celulares asociadas a la edad de manera temporal (si dejan de expresar estas proteínas, acaban por volver a parecer). Al volverse a inducir la expresión de estos factores se vuelven a revertir las características asociadas a la edad. También es importante resaltar que no se produce la desdiferenciación celular, que es uno de los efectos que los autores querían evitar.

En consecuencia, la expresión discontinua de los factores de Yamanaka en ratones con progeria produce un “rejuvenecimiento” de las células y una mejoría de los ratones, tanto en su aspecto externo como de sus órganos, que va acompañada con una mayor esperanza de vida.

Fotografía de tres ratones utilizados en el experimento. –Dox: ratón transgénico con progeria al que no se ha sometido a ningún tratamiento. +Dox: ratón transgénico con progeria en el que se ha inducido la expresión de los factores de Yamanaka. WT: ratón sano. El ratón con progeria sometido a tratamiento, presenta mucho mejor aspecto que al que no se le indujo la expresión de los factores de Yamanaka. Imagen obtenida de Ocampo, A. et al. Cell. 15 diciembre 2016, Vol. 167, Nº 7, páginas 1719-1733.

ESTUDIO EN ORGANISMOS SANOS

 Los experimentos anteriores abren una nueva vía en el estudio del envejecimiento celular, pero ¿qué sucede en los organismos sanos?

Primero, investigaron el efecto de la expresión de los factores de Yamanaka en células “viejas” procedentes de individuos sanos. Tanto en las células de ratón como en las humanas, la inducción temporal de los factores de Yamanaka, hizo que disminuyeran las características celulares y moleculares asociadas al envejecimiento.

Cabe mencionar, que el envejecimiento está caracterizado por una disminución de la capacidad del organismo para resistir el estrés, el daño celular y las enfermedades. Esto hace que se produzcan daños celulares con más facilidad, puesto que el mecanismo de protección de las células frente al mismo no es tan eficiente como en las células jóvenes. Además, los tejidos no se renuevan con tanta facilidad como en los organismos jóvenes.

Por este motivo, estudiaron la capacidad de renovación tisular en ratones viejos pero sanos, que expresaban de manera transitoria los factores de Yamanaka. Con tal fin, utilizaron el mismo diseño experimental que en los ratones con progeria.

Los ratones viejos tienen una capacidad de regenerar el páncreas menor que los jóvenes. Para estudiar si este defecto se podía revertir, o al menos disminuir, indujeron la expresión transitoria de los factores de Yamanaka en ratones transgénicos viejos, antes de dañarles el páncreas. La expresión de los factores mejoró la capacidad de regenerar este órgano. Hay que recordar que el páncreas es el órgano que produce la insulina. Por lo tanto, estos resultados son de gran interés en el estudio de la diabetes.

Durante el envejecimiento, también se produce la pérdida de masa muscular, lo que supone una de las principales causas de incapacitación en individuos de edad avanzada: es la llamada sarcopenia, que es debida a la disminución de la capacidad de las células madre musculares de regenerar dicho tejido. Comprobaron que en ratones viejos a los que se les había producido un daño muscular, la inducción de la expresión de los factores de Yamanaka aumentó su capacidad de regeneración muscular, debido a un aumento de las células madre musculares.

Imagen de células madre musculares (color rojo). Fotografía obtenida de Hellinska et al. Hellinska et al. European Journal of Cell Biology. Enero2017, Vol. 96, Nº 1, páginas 47-60.

 Así pues, estos resultados apuntan al potencial uso de la reprogramación in vivo en la disminución de los fenotipos asociados a la edad, tales como la disminución de la capacidad de resistir el daño celular y la capacidad regenerativa de los tejidos.

CONCLUSIONES

 Los autores de este artículo, han demostrado que la expresión temporal de los factores de Yamanaka (Oct4, Sox2, Klf4 y c-Myc) produce un “rejuvenecimiento” de las células. Además, no se limitaron a mostrar resultados realizados en cultivos celulares, sino que continuaron la experimentación en dos modelos animales, consiguiendo resultados espectaculares y enormemente esperanzadores. Así, por un lado, en los ratones con progeria, enfermedad que cursa con envejecimiento prematuro, hay una disminución de las características asociadas a la edad y un aumento de su esperanza de vida, y por otro, en los ratones viejos sanos, se produce una mejoría en la capacidad de regeneración tisular.

Esquema gráfico de la experimentación llevada a cabo. Imagen obtenida de Ocampo, A. et al. Cell. 15 diciembre 2016, Vol. 167, Nº 7, páginas 1719-1733.

En los países desarrollados, la edad es principal factor de riesgo del padecimiento de la mayoría de las enfermedades, tales como el cáncer, la diabetes o las enfermedades neurodegenerativas. Por lo tanto, los resultados de este artículo abren una vía de investigación muy prometedora, en el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas dirigidas al tratamiento de las enfermedades relacionadas con la edad, y por lo tanto en la mejoría de la salud y el incremento de la longevidad de las personas.