Investigadores de Cedars-Sinai han descubierto que la microgravedad tiene el potencial de contribuir a los avances que salvan vidas en la Tierra al facilitar la rápida producción en masa de células madre.

Un nuevo estudio, publicado en la revista de revisión por pares Stem Cell Reports, destaca las oportunidades clave discutidas durante el Simposio de Biomanufactura en el Espacio 2020 para expandir la fabricación de células madre en el espacio.

Tres categorías

La biofabricación, un tipo de producción de células madre que utiliza materiales biológicos como microbios para producir sustancias y biomateriales adecuados para su uso en aplicaciones preclínicas, clínicas y terapéuticas, puede ser más productiva en condiciones de microgravedad.

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Los asistentes al simposio del espacio virtual en diciembre identificaron más de 50 oportunidades comerciales potenciales para realizar trabajos de biofabricación en el espacio, según el documento Cedars-Sinai. Los más prometedores se clasificaron en tres categorías: modelos de enfermedades, biofabricación y productos derivados de células madre.

El primero, el modelado de enfermedades, lo utilizan los científicos para estudiar enfermedades y posibles tratamientos mediante la replicación de estructuras de función completa, ya sea utilizando células madre, organoides (estructuras en 3D en miniatura cultivadas a partir de células madre humanas que se asemejan al tejido humano) u otros tejidos.

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Los investigadores han descubierto que una vez que el cuerpo está expuesto a condiciones de baja gravedad durante períodos prolongados, experimenta una pérdida ósea acelerada y un envejecimiento. Al desarrollar modelos de enfermedades basados ​​en este proceso de envejecimiento acelerado, los científicos de investigación pueden comprender mejor los mecanismos del proceso de envejecimiento y la progresión de la enfermedad.

Otro tema muy discutido en el simposio fue la biofabricación, que utiliza procesos de fabricación para producir materiales como tejidos y órganos. Una de las tecnologías centrales de biofabricación es la impresión 3D.

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Un problema importante con la producción de estos materiales en la Tierra tiene que ver con la densidad inducida por la gravedad, lo que dificulta que las células se expandan y crezcan. Con la ausencia de gravedad y densidad en el espacio, los científicos tienen la esperanza de poder usar la impresión 3D para imprimir formas y productos únicos, como organoides o tejidos cardíacos, de una manera que no se pueda replicar en la Tierra.

La tercera categoría tiene que ver con la producción de células madre y la comprensión de cómo la microgravedad influye en algunas de sus propiedades fundamentales. Algunas de estas propiedades incluyen la potencia, o la capacidad de una célula madre para renovarse a sí misma, y ​​la diferenciación, la capacidad de las células madre para convertirse en otros tipos de células.

La diabetes es una enfermedad cada vez más común. Actualmente se trata con una combinación de cambios en el estilo de vida, medicamentos e inyecciones de insulina, pero en última instancia se asocia con una reducción de 10 años en la esperanza de vida.

Actualmente, alrededor de 34 millones de estadounidenses, poco más de 1 de cada 10, padecen diabetes, el 90% de ellos de diabetes tipo 2. Pero las cosas podrían cambiar pronto a juzgar por los resultados de un nuevo estudio realizado en ratones. Los hallazgos se han publicado recientemente en Science Advances.

Autoinjerto de células musculares

En el nuevo procedimiento se utiliza un autoinjerto de células musculares diseñado para absorber azúcar a tasas mayores. Los ratones tratados de esta manera mostraron niveles normales de azúcar en sangre durante meses después de un solo procedimiento.

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Las células musculares se encuentran entre los principales objetivos de la insulina y se supone que absorben el azúcar de la sangre. En su estudio, se aisló células musculares de ratones y diseñó estas células para presentar más transportadores de azúcar activados por insulina (GLUT4). Estas células luego se cultivaron para formar un tejido muscular diseñado y finalmente se transportaron de regreso al abdomen de ratones diabéticos.

Las células modificadas no solo procedieron a absorber el azúcar correctamente, mejorando los niveles de azúcar en sangre, sino que también indujeron una mejor absorción en las otras células musculares de los ratones, mediante señales enviadas entre ellas. Después de este único tratamiento, los ratones permanecieron curados de la diabetes durante cuatro meses, todo el tiempo que permanecieron bajo observación.

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Sus niveles de azúcar en sangre permanecieron así más bajos y tenían niveles reducidos de hígado graso que normalmente se muestran en la diabetes tipo 2.

Todos los seres humanos parten de una sola célula que luego se divide para eventualmente formar el embrión. Dependiendo de las señales enviadas por sus células adyacentes, estas células divididas se desarrollan o diferencian en tejidos u órganos específicos.

En la medicina regenerativa, controlar esa diferenciación en el laboratorio resulta crucial, ya que las células madre podrían diferenciarse para permitir el crecimiento de órganos in vitro y reemplazar las células adultas dañadas.

Cuerpos embrioides

Un enfoque común que adoptan los científicos al diferenciar las células madre es mediante el uso de estimuladores químicos. Alternativamente, inspirado por el proceso natural de desarrollo celular, otro método implica el empaquetado de células madre en pequeños agregados celulares, o esferas llamadas cuerpos embrioides.

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Sin embargo, dado que los científicos no han podido controlar los parámetros necesarios, han tenido que producir laboriosamente una gran cantidad de cuerpos embrioides y seleccionar los específicos con características adecuadas.

Para abordar este desafío, los investigadores de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD) recurrieron a la fabricación aditiva para controlar la diferenciación de células madre en cuerpos embrioides. Su estudio ha sido publicado en Bioprinting.

Adoptando un enfoque multidisciplinario mediante la combinación de los dominios de investigación de fabricación 3D y las ciencias de la vida, se imprimieron en 3D varios dispositivos físicos a microescala con geometrías finamente ajustadas.

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En el estudio, regularon con éxito los parámetros para mejorar la producción de cardiomiocitos, células que se encuentran en el corazón.

Según el investigador principal asistente, Javier G. Fernández, de SUTD:

El campo de la fabricación aditiva está evolucionando a un ritmo inigualable. Estamos viendo niveles de precisión, velocidad y costo que eran inconcebibles hace solo unos años. Lo que hemos demostrado es que la impresión 3D ha alcanzado ahora el punto de la precisión geométrica donde es capaz de controlar el resultado de la diferenciación de células madre. Y al hacerlo, estamos impulsando la medicina regenerativa para avanzar más junto con el ritmo acelerado de la industria de fabricación aditiva.

Investigadores químicos de Scripps Research, Hans Renata y Alexander Adibekian, han descubierto una manera de crear de forma eficiente una versión sintética de un valioso compuesto natural llamado cepafungina I, que se ha mostrado prometedor como agente contra el cáncer.

Esta secreción bacteriana puede bloquear una pieza de la maquinaria molecular conocida como proteasoma, una estrategia que utilizan muchos medicamentos contra el cáncer existentes para destruir las células tumorales. La cuestión es que la cepafungina I se une no a uno sino a dos lugares del proteasoma, lo que ofrece resultados mucho más prometedores.

La compleja estructura molecular de la cepafungina

La cepafungina I primero intrigó a los investigadores por su utilidad como sustancia antifúngica y luego como un agente anticanceroso prometedor. Mata las células actuando sobre el proteasoma, que se encarga de limpiar la 'basura' producida por las células. Cuando se bloquea la función del proteasoma, las células se ven afectadas por sus desechos y mueren. Según explica Hans Renata:

Debido a que la cepafungina I es capaz de involucrar al proteasoma de dos maneras, permite la amplificación de su efecto. Demostramos que este compuesto provoca muchas respuestas biológicas posteriores similares a las de la quimioterapia bortezomib aprobada por la FDA, al tiempo que tiene ciertas cualidades que pueden traducirse en menos efectos secundarios no deseados para los pacientes.

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Debido a la compleja estructura molecular de la cepafungina, sin embargo, fabricar suficiente cantidad de forma eficiente es todo un desafío. El equipo de investigación de Scripps lo ha logrado y puede sintetizar el compuesto en solo nueve pasos. A modo de comparación, un compuesto relacionado conocido como glidobactina A se sintetizó en 21 pasos en 1992, lo que se consideró un hito en aquel momento.

El equipo pudo acelerar el proceso mediante el uso de ciertas enzimas que permitieron la construcción de uno de los bloques de construcción clave del compuesto, un aminoácido. Luego, desarrollaron otros métodos para simplificar la construcción de otras partes de la molécula, incluida una porción de lípidos ramificados que posteriormente se descubrió que contribuía a la potente actividad del compuesto.

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Después de crear el compuesto, los químicos descubrieron que, además de ser excepcionalmente selectivo para dirigirse a dos sitios del proteasoma, no mostraba ninguna reacción cruzada no deseada con otras proteínas en las células, una característica que podría convertirlo en un mejor candidato a fármaco.

La FDA ya ha aprobado tres inhibidores del proteasoma (bortezomib, carfilzomib e ixazomib) para el tratamiento del mieloma múltiple. 'Pero esos medicamentos tienen algunos efectos secundarios potencialmente graves y las células cancerosas pueden desarrollar resistencia a ellos con el tiempo', dice el coautor Adibekian, profesor asociado de química en Scripps Research. 'Existe la necesidad de inhibidores del proteasoma alternativos y más específicos'.

Biólogos de la Universidad de Bayreuth han descubierto una forma de regeneración excepcionalmente rápida en las neuronas lesionadas y su función en el sistema nervioso central del pez cebra. Los científicos han publicado sus hallazgos en la revista Communications Biology.

En los sistemas nerviosos centrales de otras especies animales, una regeneración tan completa de las neuronas aún no se ha demostrado de forma definitiva.

Células de Mauthner

Las células de Mauthner son las células más grandes que se encuentran en los cerebros de los animales. Forman parte del sistema nervioso central de la mayoría de las especies de peces y anfibios y desencadenan respuestas de escape que salvan sus vidas cuando se acercan los depredadores.

La transmisión de señales en las células de Mauthner a sus motoneuronas solo está garantizada si una determinada parte de estas células, el axón, está intacta. El axón es una estructura alargada que limita el cuerpo celular con su núcleo celular en uno de sus dos extremos. Si la lesión del axón ocurre cerca del cuerpo celular, la célula Mauthner muere. Si el axón está dañado en su extremo opuesto, las funciones perdidas no se restauran en absoluto o solo de manera lenta y limitada.

Sin embargo, la célula de Mauthner reacciona a una lesión en el medio del axón con una regeneración rápida y completa. De hecho, dentro de una semana después de la lesión, el axón y su función se restauran por completo, y el pez puede escapar nuevamente de los depredadores que se acercan.

Podría ser posible que otras neuronas en el pez cebra puedan inducir este comportamiento de escape que salva vidas y, por lo tanto, asumir la función perdida de las células de Mauthner. Sin embargo, precisamente esta posibilidad fue descartada por los hallazgos publicados anteriormente. Según uno de los investigadores principales, Hecker:

Las células de Mauthner ahora nos ofrecen la posibilidad de investigar respuestas muy diferentes a las lesiones de las células individuales dentro del mismo sistema nervioso: una ausencia o procesos de regeneración insuficientes por un lado, y una regeneración sólida y completa por el otro. Sorprendentemente, las lesiones al axón, que condujo a respuestas tan contradictorias, no estaban muy lejos. Elucidar las causas es un campo de investigación emocionante, que también incluye la identificación de los genes que son activos en la regeneración de las neuronas. Y si descubrimos Por qué los procesos de regeneración en las células de Mauthner no se producen, también podríamos comprender mejor los mecanismos que impiden la regeneración de las neuronas en los humanos.

Recientemente, ha sido descubierta una población de células madre con la capacidad de generar hueso nuevo por parte de investigadores de la Facultad de Medicina Dental de UConn.

El estudio donde se revela el hallazgo ha sido publicado en la revista Stem Cells.

Células madre

La nueva población de células residen a lo largo de los canales vasculares que se extienden a través del hueso y conectan las partes interna y externa del hueso. Estas células probablemente regulan la formación de hueso o participan en el mantenimiento y reparación de la masa ósea.

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Durante mucho tiempo se ha creído que las células madre para el hueso están presentes dentro de la médula ósea y la superficie externa del hueso, sirviendo como células de reserva que generan constantemente hueso nuevo o participan en la reparación ósea. Estudios recientes han descrito la existencia de una red de canales vasculares que ayudó a distribuir las células sanguíneas fuera de la médula ósea, pero ninguna investigación ha demostrado la existencia de células dentro de estos canales que tengan la capacidad de formar nuevos huesos.

Para llegar a esta conclusión, los investigadores observaron las células madre dentro de un modelo de trasplante óseo ex vivo. Estas células migraron fuera del trasplante y comenzaron a reconstruir la cavidad de la médula ósea y formar hueso nuevo.

Si bien este estudio muestra que hay una población de células que pueden ayudar a la formación ósea, se necesita hacer más investigación para determinar el potencial de las células para regular la formación.

En 2008, el Museo de arte Moderno de Nueva York (MoMa) exhibió una 'chaqueta de cuero' diminuta que no estaba elaborada con cuero vacuno, sino de tejido de ratón.

La obra artística se tituló Victimess Leather (cuero sin víctimas), y fue una creación de los "bioartistas" Oron Catts e Ionat Zurr, del laboratorio SymbioticA de la University of Western Australia.

Acto reivindicativo

El procedimiento para crear la chaqueta de cuero fue: las células derivadas de células madre embrionarias de ratón se cultivaron en una estructura de polímero que las guiaba hacia la forma de la minúscula prenda.

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El biorreactor utilizado en este proyecto fue hecho a medida, basado en una bomba de perfusión de órganos diseñada por Alexis Carrel y Charles Lindbergh (sí, el famoso aviador). Lo que Carrel quería lograr era preservar la vida fuera del cuerpo: mantener vivos tejidos y órganos "in vitro", es decir, en recipientes de vidrio. Su artefacto se llamaba la bomba "Modelo T" y, en años posteriores, fue desarrollada por otros, conduciendo finalmente a la construcción de la primera máquina corazón-pulmón.

Con todo, la chaqueta no duró mucho tiempo como tal, porque a las pocas semanas de estar en la exposición se le cayó la manga, y poco después las células del tejido empezaron a separarse en grupo de la estructura de polímero.

La 'chaqueta de células de ratón' tenía un propósito reivindicativo, tal y como explica la comisaria de la exposición,** Paola Antonelli**, en el libro Cómo crear un ser humano, de Philip Ball:

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A partir de células madre se ha logrado cultivar cartílago

La idea de la producción in vitro de materiales de imitación del cuero como solución a los problemas asociados con la fabricación de cuero animal para bienes de consumo humano, y formaba parte de un conjunto más amplio de obras que abordaban el uso que se estaba dando a la tecnología para ensombrecer, más que para eliminar, a las víctimas de nuestro consumo.

Los humanos pueden estar contribuyendo involuntariamente a la propagación mundial de cánceres infecciosos que pueden afectar a los mejillones y otros bivalvos, como almejas y berberechos, tal y como sugiere un nuevo estudio publicado en eLife.

Uno de estos cánceres, llamado neoplasia transmisible de bivalvos, se encontró previamente en una especie de mejillón llamada Mytilus trossulus (M. trossulus) que vive en Columbia Británica, Canadá.

Cánceres infecciosos

Las células cancerosas normalmente no se propagan de un organismo a otro, pero hay excepciones, y podría darse el caso de cánceres transmisibles, según han sugerido en el estudio citado.

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La prueba de ello fue que el equipo descubrió que las células cancerosas recolectadas en mejillones de Europa y América del Sur eran casi idénticas genéticamente, lo que sugiere que provenían de un origen común. De momento, se está analizando si estos cánceres transmisibles son inherentes a los bivalvos o podrían ser extrapolables a otras especies.

En el estudio, Yonemitsu y sus colegas secuenciaron ADN de células cancerosas en las especies relacionadas M. edulis, de Francia y los Países Bajos, y M. chilensis, que vive en las costas de Chile y Argentina. Pero ¿en qué medida la actividad humana ha favorecido esta propagación? Básicamente, debido al transporte de los buques mercantes, tal y como explica el autor principal Michael Metzger, investigador asistente de Pacific Northwest Research:

Dado que los mejillones Mytilus no viven en la zona ecuatorial, les habría sido casi imposible propagar este cáncer entre Sudamérica y el hemisferio norte por sí mismos.

Un estudio reciente sugiere un nuevo tratamiento que elimina las células B del sistema inmunitario, curando a los ratones de la afección del lupus, una enfermedad autoinmune de difícil tratamiento.

Aunque el trabajo es preliminar, ha entusiasmado a los investigadores porque utiliza una terapia ya aprobada para personas con cáncer de sangre.

Ingeniería genética

La estrategia se conoce como terapia con receptor de antígeno quimérico (CAR) -T. Implica la ingeniería genética de las células T, los centinelas del sistema inmune, para que reconozcan y destruyan ciertas células del cuerpo. Fue aprobado en 2011 para tratar ciertas leucemias en niños y linfomas en adultos.

Aunque la terapia CAR-T puede apuntar a diferentes células, los tratamientos aprobados cazan y destruyen las células B al detectar un marcador de proteína, CD19, que casi todas las células B lucen en su superficie.

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Desde que surgió la terapia CAR-T, los científicos que estudian las enfermedades autoinmunes lo han observado con interés porque las células B están involucradas en muchas de estas enfermedades.

En el estudio citado, se probó en enfoque contra el lupus en ratones. Después de que los ratones se enfermaron, el equipo los expuso a la radiación de todo el cuerpo para eliminar las células inmunes existentes. (Las personas que reciben terapia CAR-T reciben quimioterapia con el mismo propósito).

Luego, los científicos infundieron las células T genéticamente alteradas en 41 animales. En 26 de los ratones, las células CAR-T destruyeron con éxito las células B con CD19, y esas células nunca reaparecieron. Eso es similar a lo que se ha observado en pacientes con cáncer que se someten a terapia CAR-T.

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La mayoría de los animales que fueron tratados con éxito vivieron más de un año después del tratamiento, un largo período en los estándares de un ratón. Todos los animales que recibieron terapia con placebo murieron en un plazo de 8 a 10 meses, y muchos fallecieron antes.

El lupus puede ser una enfermedad difícil de tratar. Aunque muchos afectados por esta enfermedad autoinmune viven vidas relativamente normales, algunos sufren de insuficiencia renal, coágulos sanguíneos y otras complicaciones que pueden ser mortales.

Actualmente, reparar las células madre implica eliminarlas de sus escondites en lo más profundo del cuerpo, luego alterarlas genéticamente y devolverlas al paciente.

Sin embargo, una nueva investigación realizada en la Universidad de Harvard ha probado que pueden hacerlo en el propio cuerpo del paciente (de momento, en ratones).

Células madre

Debemos nuestras largas vidas a las células madre, que se encuentran anidadas en el interior de ciertos tejidos del cuerpo y reemplazan constantemente las células viejas. En los últimos años, los científicos han podido corregir enfermedades genéticas eliminando estas células madre, editando sus genomas y luego volviéndolos a implantar en el paciente.

El procedimiento estándar para editar células madre, extraerlas del cuerpo, sin embargo acarrea muchas complicaciones: porque las células madre pueden morir en el plato de cultivo, el sistema inmunitario del paciente puede rechazarlas una vez que se han trasplantado o simplemente no pueden volver a activarse.

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Ahora, una nueva investigación dirigida por científicos de Harvard ha editado con éxito los genes de las células madre mientras aún está en el cuerpo. Sobre la base de trabajos anteriores, el equipo cargó la maquinaria de edición de genes en diferentes tipos de virus adeno-asociados (AAV). Estos virus pueden penetrar en las células de los mamíferos, y se han alterado para no causar enfermedades y sí para entregar una carga útil de maquinaria de edición de genes.

En las pruebas en ratones, los investigadores utilizaron los AAV para obtener el sistema de edición del gen CRISPR en diferentes tipos de células de la piel, la sangre y el músculo y las células progenitoras. Hasta el 60 por ciento de las células madre en el músculo esquelético fueron editadas, así como hasta el 27 por ciento de las células progenitoras de la piel y el 38 por ciento de las células madre en la médula ósea.

El equipo dice que este gran avance podría conducir a nuevos tratamientos para las enfermedades genéticas, en particular aquellas como la distrofia muscular que depende de la regeneración de tejidos. Según explica Sharif Tabebordbar, autor principal del estudio:

Nuestro estudio demuestra que podemos modificar permanentemente el genoma de las células madre y, por lo tanto, sus progenies, en su nicho anatómico normal. Existe un gran potencial para hacer avanzar este enfoque y desarrollar terapias más duraderas para diferentes formas de enfermedades genéticas.