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Células madre Tipos y Métodos

Células madre

Las células madre son una clase de células indiferenciadas que pueden diferenciarse en tipos de células especializadas. Comúnmente, las células madre provienen de dos fuentes principales:

  1. Embriones formados durante la fase de blastocisto del desarrollo embriológico (células madre embrionarias) y
  2. Tejido adulto (células madre adultas).

Ambos tipos generalmente se caracterizan por su potencia o potencial para diferenciarse en diferentes tipos de células (como piel, músculo, hueso, etc.).

Qué son las células madre

Las células madre son las materias primas del cuerpo, las células a partir de las cuales se generan todas las demás células con funciones especializadas. Bajo las condiciones adecuadas en el cuerpo o en el laboratorio, las células madre se dividen para formar más células llamadas células hijas.

Estas células hijas se convierten en nuevas células madre (autorrenovación) o se convierten en células especializadas (diferenciación) con una función más específica, como células sanguíneas, células cerebrales, músculo cardíaco o hueso. Ninguna otra célula en el cuerpo tiene la capacidad natural de generar nuevos tipos de células.

Células madre adultas

Las células madre adultas o somáticas existen en todo el cuerpo después del desarrollo embrionario y se encuentran dentro de diferentes tipos de tejido. Estas células madre se han encontrado en tejidos como el cerebro, la médula ósea, la sangre, los vasos sanguíneos, los músculos esqueléticos, la piel y el hígado. Permanecen en estado de reposo o no dividido durante años hasta que se activan por una enfermedad o lesión tisular.

Las células madre adultas pueden dividirse o autorenovarse indefinidamente, lo que les permite generar un rango de tipos de células del órgano de origen o incluso regenerar todo el órgano original. En general, se cree que las células madre adultas tienen una capacidad limitada para diferenciarse en función de su tejido de origen, pero hay algunas pruebas que sugieren que pueden diferenciarse para convertirse en otros tipos de células.

Células madre embrionarias

Las células madre embrionarias se derivan de un embrión humano de cuatro o cinco días que se encuentra en la fase de desarrollo del blastocito. Los embriones generalmente son extras que se han creado en las clínicas de fecundación in vitro (FIV) donde varios óvulos se fecundan en un tubo de ensayo, pero solo uno se implanta en una mujer.

La reproducción sexual comienza cuando el esperma de un hombre fertiliza el óvulo (óvulo) de una hembra para formar una sola célula llamada cigoto. La única célula de cigoto comienza una serie de divisiones, formando 2, 4, 8, 16 células, etc. Después de cuatro a seis días, antes de la implantación en el útero, esta masa de células se denomina blastocito. El blastocisto consiste en una masa celular interna (embrioblastos) y una masa celular externa (trofoblasto). La masa celular externa se convierte en parte de la placenta, y la masa celular interna es el grupo de células que se diferenciarán para convertirse en todas las estructuras de un organismo adulto. Esta última masa es la fuente de células madre embrionarias: células totipotentes (células con potencial total para convertirse en cualquier célula del cuerpo).

En un embarazo normal, la etapa del blastocisto continúa hasta la implantación del embrión en el útero, en cuyo punto el embrión se conoce como feto. Esto generalmente ocurre al final de la 10ª semana de gestación después de que se hayan creado todos los órganos principales del cuerpo.

Sin embargo, cuando se extraen células madre embrionarias, la etapa de blastocito indica cuándo aislar las células madre al colocar la “masa celular interna” del blastocisto en una placa de cultivo que contiene un caldo rico en nutrientes. Al carecer de la estimulación necesaria para diferenciarse, comienzan a dividirse y replicarse mientras mantienen su capacidad de convertirse en cualquier tipo de célula en el cuerpo humano. Eventualmente, estas células indiferenciadas pueden ser estimuladas para crear células especializadas.

Cultivos de células madre

Las células madre se extraen del tejido adulto o de un zigoto divisorio en un plato de cultivo. Una vez extraídos, los científicos colocan las células en una cultura controlada que les prohíbe especializarse o diferenciarse más, pero generalmente les permite dividirse y replicarse. El proceso de crecimiento de grandes cantidades de células madre embrionarias ha sido más fácil que el crecimiento de grandes cantidades de células madre adultas, pero se está progresando en ambos tipos de células.

Líneas de células madre

Una vez que se ha permitido que las células madre se dividan y propaguen en un cultivo controlado, la colección de células sanas, divisorias e indiferenciadas se denomina línea de células madre. Estas líneas de células madre se gestionan y comparten posteriormente entre los investigadores. Una vez bajo control, se puede estimular a las células madre para que se especialicen según lo indique un investigador, un proceso conocido como diferenciación dirigida. Las células madre embrionarias son capaces de diferenciarse en más tipos de células que las células madre adultas.

Potencia de la células madre

Las células madre se clasifican por su potencial para diferenciarse en otros tipos de células. Las células madre embrionarias son las más potentes ya que deben convertirse en todo tipo de células en el cuerpo. La clasificación completa incluye:

  • Totipotente: la capacidad de diferenciarse en todos los tipos de células posibles. Los ejemplos son el zigoto formado en la fertilización del huevo y las primeras pocas células que resultan de la división del zigoto.
  • Pluripotente: la capacidad de diferenciarse en casi todos los tipos de células. Los ejemplos incluyen células madre embrionarias y células derivadas de las capas germinales de mesodermo, endodermo y ectodermo que se forman en las etapas iniciales de la diferenciación de células madre embrionarias.
  • Multipotente: la capacidad de diferenciarse en una familia de células estrechamente relacionada. Los ejemplos incluyen células madre hematopoyéticas (adultas) que pueden convertirse en glóbulos rojos y blancos o plaquetas.
  • Oligopotente: la capacidad de diferenciarse en unas pocas células. Los ejemplos incluyen células madre (adultas) linfoides o mieloides.
  • Unipotente: la capacidad de producir únicamente células de su propio tipo, pero que tienen la propiedad de autorrenovación, se requiere que se etiquete como una célula madre. Los ejemplos incluyen células madre musculares (adultas).

Las células madre embrionarias se consideran pluripotentes en lugar de totipotentes porque no tienen la capacidad de formar parte de las membranas extra embrionarias o la placenta.

Identificación de células madre

Aunque no hay un acuerdo completo entre los científicos sobre cómo identificar las células madre, la mayoría de las pruebas se basan en asegurarse de que las células madre no se diferencien y sean capaces de autorrenovarse. Las pruebas a menudo se llevan a cabo en el laboratorio para verificar estas propiedades.

Una forma de identificar las células madre en un laboratorio, y el procedimiento estándar para analizar la médula ósea o las células madre hematopoyéticas (HSC), es mediante el trasplante de una célula para salvar a un individuo sin HSC. Si la célula madre produce sangre nueva y células inmunitarias, demuestra su potencia.

Los ensayos clonogénicos (un procedimiento de laboratorio) también se pueden utilizar in vitro para evaluar si las células individuales pueden diferenciarse y autorenovarse. Los investigadores también pueden inspeccionar las células bajo un microscopio para ver si están sanas e indiferenciadas o si pueden examinar los cromosomas.

Para evaluar si las células madre embrionarias humanas son pluripotentes, los científicos permiten que las células se diferencien espontáneamente en el cultivo celular, manipulan las células para que se diferencien para formar tipos celulares específicos o inyecten las células en un ratón inmunosuprimido para evaluar la formación de un teratoma (un tumor benigno que contiene una mezcla de células diferenciadas).

Investigación con células madre

Los científicos e investigadores están interesados ​​en las células madre por varias razones. Aunque las células madre no cumplen ninguna función, muchas tienen la capacidad de cumplir cualquier función una vez que se las instruye para especializarse. Cada célula en el cuerpo, por ejemplo, se deriva de las primeras pocas células madre formadas en las primeras etapas del desarrollo embriológico.

Por lo tanto, las células madre extraídas de embriones pueden inducirse para convertirse en cualquier tipo de célula deseada. Esta propiedad hace que las células madre sean lo suficientemente potentes como para regenerar el tejido dañado en las condiciones adecuadas.

Regeneración de órganos y tejidos de la células madre

La regeneración tisular es probablemente la aplicación más importante posible de la investigación con células madre. Actualmente, los órganos deben ser donados y transplantados, pero la demanda de órganos excede por mucho la oferta. Las células madre podrían usarse potencialmente para cultivar un tipo particular de tejido u órgano si se dirigen a diferenciarse de cierta manera.

Las células madre que se encuentran justo debajo de la piel, por ejemplo, se han utilizado para diseñar nuevos tejidos de piel que pueden injertarse en víctimas de quemaduras.

Terapia de deficiencia celular

Las células del corazón sanas desarrolladas en un laboratorio pueden ser trasplantadas algún día a pacientes con enfermedad cardíaca, repoblando el corazón con tejido sano. Del mismo modo, las personas con diabetes tipo I pueden recibir células pancreáticas para reemplazar las células productoras de insulina que se han perdido o destruido por el propio sistema inmune del paciente.

La única terapia actual es un trasplante de páncreas, y es poco probable que ocurra debido a un pequeño suministro de páncreas disponible para trasplante.

Tratamientos de enfermedades de la células madre

Las células madre hematopoyéticas adultas encontradas en la sangre y la médula ósea se han usado durante años para tratar enfermedades como la leucemia, la anemia de células falciformes y otras inmunodeficiencias. Estas células son capaces de producir todos los tipos de células sanguíneas, como los glóbulos rojos que transportan oxígeno a los glóbulos blancos que combaten las enfermedades. Surgen dificultades en la extracción de estas células mediante el uso de trasplantes invasivos de médula ósea.

Sin embargo, las células madre hematopoyéticas también se han encontrado en el cordón umbilical y la placenta. Esto ha llevado a algunos científicos a pedir un banco de sangre del cordón umbilical para que estas poderosas células sean más fáciles de obtener y para disminuir las posibilidades de que un cuerpo rechace la terapia.

Controversia sobre las células madre

Los debates sobre la investigación con células madre se basan principalmente en métodos relacionados con la investigación con células madre embrionarias. Fue solo en 1998 que los investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison extrajeron las primeras células madre embrionarias humanas que pudieron mantenerse vivas en el laboratorio.

La principal crítica de esta investigación es que requirió la destrucción de un blastocisto humano. Es decir, un óvulo fertilizado no tuvo la oportunidad de convertirse en un humano completamente desarrollado.

Por que las células madre son importantes

Las células madre son importantes para los organismos vivos por muchas razones. En el embrión de 3 a 5 días de vida, llamado blastocito , las células internas dan lugar a todo el organismo, incluidos todos los tipos de células y órganos especializados, como el corazón, los pulmones, la piel, los espermatozoides, huevos y otros tejidos En algunos tejidos adultos, como la médula ósea, los músculos y el cerebro, las poblaciones discretas de células madre adultas generan reemplazos para las células que se pierden debido al desgaste normal, lesiones o enfermedades.

Dadas sus habilidades regenerativas únicas, las células madre ofrecen nuevos potenciales para el tratamiento de enfermedades como la diabetes y las enfermedades del corazón. Sin embargo, queda mucho por hacer en el laboratorio y la clínica para comprender cómo usar estas células para terapias basadas en células para tratar enfermedades, que también se conoce como medicina regenerativa o reparadora.

Los estudios de laboratorio de células madre permiten a los científicos conocer las propiedades esenciales de las células y lo que las hace diferentes de los tipos de células especializadas. Los científicos ya están usando células madre en el laboratorio para detectar nuevos medicamentos y desarrollar sistemas modelo para estudiar el crecimiento normal e identificar las causas de los defectos de nacimiento.

La investigación sobre células madre continúa avanzando en el conocimiento sobre cómo se desarrolla un organismo a partir de una sola célula y cómo las células sanas reemplazan las células dañadas en organismos adultos. La investigación con células madre es una de las áreas más fascinantes de la biología contemporánea, pero, como ocurre con muchos campos en expansión de investigación científica, la investigación sobre células madre plantea preguntas científicas tan rápidamente como genera nuevos descubrimientos.

Tipos de células madre

Tipos de células madre

Teniendo en cuenta su potencia,​ las células madre pueden clasificarse en seis tipos:

Las células madre totipotentes 

Pueden crecer y formar un organismo completo, tanto los componentes embrionarios (como por ejemplo, las tres capas embrionarias, el linaje germinal y los tejidos que darán lugar al saco vitelino), como los extraembrionarios (como la placenta). Es decir, pueden formar todos los tipos celulares. ​ La célula madre totipotente por excelencia es el cigoto, formado cuando un óvulo es fecundado por un espermatozoide.

Las células madre pluripotentes

No pueden formar un organismo completo, pero sí cualquier otro tipo de célula correspondiente a los tres linajes embrionarios (endodermo, ectodermo y mesodermo). Pueden, por lo tanto, formar linajes celulares. Se encuentran en distintas etapas del desarrollo embrionario. Las células madre pluripotentes más estudiadas son las células madre embrionarias (en inglés embryonic stem cells o ES cells) que se pueden aislar de la masa celular interna del blastocisto.
El blastocisto está formado por una capa externa denominada trofoblasto, formada por unas 70 células, y una masa celular interna constituida por unas 30 células que son las células madre embrionarias que tienen la capacidad de diferenciarse en todos los tipos celulares que aparecen en el organismo adulto, dando lugar a los tejidos y órganos. En la actualidad se utilizan como modelo para estudiar el desarrollo embrionario y para entender cuáles son los mecanismos y las señales que permiten a una célula pluripotente llegar a formar cualquier célula plenamente diferenciada del organismo.

Las células madre germinales 

Son células madre embrionarias pluripotentes que se derivan de los esbozos gonadales del embrión. Estos esbozos gonadales se encuentran en una zona específica del embrión denominada cresta gonadal, que dará lugar a las gónadas, ovario o testículo, y a los óvulos y espermatozoides respectivamente.

Tienen una capacidad de diferenciación similar a las de las células madre embrionarias, pero su aislamiento resulta más difícil.

Celulas madre pluripotentes inducidas 

Hoy se pueden manipular células humanas de adulto y generar células con pluripotencialidad inducida (iPS), que se ha visto poseen el mismo potencial de crecimiento y diferenciación de las células madre embrionarias, e irán sustituyendo o ampliando con creces las posibilidades biotecnológicas soñadas para las embrionarias. El compromiso de Shinya Yamanaka, diseñador de esta tecnología y ganador del premio nobel por su descubrimiento, en relación con su uso hacia otros fines, es un ejemplo de la ética y la responsabilidad del investigador y supone asumir que la ciencia triunfa al servicio del hombre.

Las ventajas técnicas de las iPS son muchas, las más importantes son: no inducen rechazo inmunológico lo que abre la posibilidad de crear fármacos específicos para un paciente determinado; no requiere la utilización de óvulos humanos, la técnica es muy fácil de realizarse y su costo es reducido.

Las células madre multipotentes 

Son aquellas que solo pueden generar células de su misma capa o linaje de origen embrionario (por ejemplo: una célula madre mesenquimal de médula ósea, al tener naturaleza mesodérmica, dará origen a células de esa capa como miocitos, adipocitos u osteocitos, entre otras). Otro ejemplo son las células madre hematopoyéticas —células madre de la sangre que puede diferenciarse en los múltiples tipos celulares de la sangre—.

Las células madre unipotentes 

También llamadas células progenitoras son células madre que tiene la capacidad de diferenciarse en solo un tipo de células.​ Por ejemplo las células madre musculares, también denominadas células satélite solo pueden diferenciarse en células musculares.

Además de por el criterio de potencia, las células madre también pueden clasificarse en cuanto a si se encuentran en el embrión o en tejidos adultos.

Las células madre adultas se encuentran en tejidos y órganos adultos y que poseen la capacidad de diferenciarse para dar lugar a células adultas del tejido en el que se encuentran. En humanos, se conocen hasta ahora alrededor de 20 tipos distintos de células madre adultas, que son las encargadas de regenerar los tejidos en continuo desgaste como la piel, la sangre o el intestino o bien tejidos que han sufrido un daño (como por ejemplo el hígado).

En esta clasificación se incluyen células madre unipotentes, como las células madre hematopoyéticas de la médula ósea (encargadas de la formación de la sangre). En la misma médula ósea, aunque también en sangre del cordón umbilical, en sangre periférica y en la grasacorporal se ha encontrado otro tipo de células madre adultas, denominadas mesenquimales que puede diferenciarse en numerosos tipos de células de los tres derivados embrionarios (musculares, vasculares, nerviosas, hematopoyéticas, óseas, etc.).

Métodos de obtención de células madre 

Existen diferentes técnicas para la obtención de células madre. Las células madre embrionarias y algunas células madre adultas pueden aislarse desde su localización original en embriones o tejidos y mantenerse en condiciones especiales de cultivo de manera más o menos indefinida. Las fuentes que se utilizan de manera rutinaria o que han empezado a postularse son:

  • Embriones crioconservados: La criopreservación o crioconservación es un método que utiliza nitrógeno líquido (-196 °C) para detener todas las funciones celulares y así poderlas conservar durante años. Estos embriones son procedentes de los tratamientos de reproducción humana asistida, que cuando se fecundan más de los necesarios pueden ser donados por los pacientes que se someten a este tratamiento. Estos embriones criopreservados en fase de blastocisto pueden conservarse durante cinco años, según lo reglamenta el R.D. 413/1996. 
  • Blastómeros individuales: Con esta técnica, probada primero en ratones y después en humanos, se consigue no destruir el embrión. Se utilizaron óvulos fecundados de ratón que se dejaron crecer hasta que tuviesen de 8 a 10 células. Una de estas células se extrae y se cultiva. Con esta técnica se ha logrado obtener dos líneas celulares estables que mostraban un cariotipo normal y presentaban marcadores característicos de pluripotencialidad. El embrión del que se obtiene esta célula es completamente viable por lo que se puede implantar en un útero y seguir un desarrollo normal.
  • Partenogénesis: Este proceso reproductivo no se da en mamíferos. Sin embargo, la partenogénesis puede ser inducida en mamíferos mediante métodos químicos o físicos in vitro. Como resultado de esta activación, se obtiene una masa celular denominada partenote de las que se pueden aislar células madre pluripotentes. Esta técnica solo es aplicable en mujeres.
  • Obtención a base de donantes cadavéricos: Recientes investigaciones han descrito que las [células madre musculares] sobreviven y mantienen sus propiedades tras un proceso de congelación post-mortem.

De dónde provienen las células madre

 Los investigadores han descubierto varias fuentes de células madre:
  • Células madre embrionarias. Estas células madre provienen de embriones que tienen entre tres y cinco días de vida. En esta etapa, un embrión se llama blastocisto y tiene alrededor de 150 células.

    Estas son células madre pluripotentes (ploo-RIP-uh-tunt), lo que significa que pueden dividirse en más células madre o convertirse en cualquier tipo de célula en el cuerpo. Esta versatilidad permite que las células madre embrionarias se utilicen para regenerar o reparar tejidos y órganos enfermos, aunque su uso en personas se ha limitado hasta la fecha a trastornos relacionados con los ojos, como la degeneración macular.

  • Células madre adultas. Estas células madre se encuentran en pequeñas cantidades en la mayoría de los tejidos adultos, como la médula ósea o la grasa. En comparación con las células madre embrionarias, las células madre adultas tienen una capacidad más limitada para dar lugar a diversas células del cuerpo.Hasta hace poco, los investigadores pensaban que las células madre adultas solo podían crear tipos similares de células. Por ejemplo, los investigadores pensaron que las células madre que residen en la médula ósea podrían dar lugar solo a las células sanguíneas.Sin embargo, la evidencia emergente sugiere que las células madre adultas pueden ser capaces de crear tipos de células no relacionadas. Por ejemplo, las células madre de la médula ósea pueden ser capaces de crear células musculares óseas o cardíacas. Esta investigación ha llevado a ensayos clínicos en etapas tempranas para evaluar la utilidad y la seguridad en las personas. Por ejemplo, actualmente se están probando células madre adultas en personas con enfermedades neurológicas o cardiacas.
  • Células adultas alteradas para tener propiedades de células madre embrionarias (células madre pluripotentes inducidas). Los científicos han transformado con éxito células adultas regulares en células madre mediante la reprogramación genética. Al alterar los genes en las células adultas, los investigadores pueden reprogramar las células para que actúen de manera similar a las células madre embrionarias.Esta nueva técnica puede permitir a los investigadores utilizar estas células reprogramadas en lugar de células madre embrionarias y evitar el rechazo del sistema inmune de las nuevas células madre. Sin embargo, los científicos aún no saben si la alteración de las células adultas causará efectos adversos en los seres humanos.

    Los investigadores han podido tomar células de tejido conjuntivo regulares y reprogramarlas para que se conviertan en células cardíacas funcionales. En estudios, los animales con insuficiencia cardíaca a los que se les inyectaron nuevas células cardíacas experimentaron una mejor función cardíaca y un mejor tiempo de supervivencia.

  • Células madre perinatales Los investigadores han descubierto células madre en el líquido amniótico además de las células madre de la sangre del cordón umbilical. Estas células madre también tienen la capacidad de convertirse en células especializadas.

    El líquido amniótico llena el saco que rodea y protege a un feto en desarrollo en el útero. Los investigadores han identificado células madre en muestras de líquido amniótico extraídas de mujeres embarazadas durante un procedimiento llamado amniocentesis, una prueba realizada para detectar anomalías.

    Se necesita más estudio de las células madre de líquido amniótico para comprender su potencial.

Por qué hay una controversia sobre el uso de células madre embrionarias

 Las células madre embrionarias se obtienen de embriones en etapa temprana, un grupo de células que se forma cuando el óvulo de una mujer se fecunda con el esperma de un hombre en una clínica de fertilización in vitro. Debido a que las células madre embrionarias humanas se extraen de embriones humanos, se han planteado varias preguntas y problemas sobre la ética de la investigación con células madre embrionarias.
Los Institutos Nacionales de la Salud crearon directrices para la investigación con células madre humanas en 2009. Las directrices incluyeron la definición de células madre embrionarias y cómo se pueden usar en las directrices de investigación y donación para las células madre embrionarias. Además, las directrices establecen que las células madre embrionarias solo pueden usarse a partir de embriones creados mediante fertilización in vitro cuando ya no se necesita el embrión.

De dónde vienen estos embriones

Los embriones que se utilizan en la investigación de células madre embrionarias provienen de huevos que fueron fertilizados en clínicas de fertilización in vitro pero que nunca se implantaron en el útero de una mujer. Las células madre se donan con el consentimiento informado de los donantes. Las células madre pueden vivir y crecer en soluciones especiales en tubos de ensayo o placas de Petri en laboratorios.

Por qué los investigadores no pueden usar células madre adultas en su lugar

Aunque la investigación en células madre adultas es prometedora, las células madre adultas pueden no ser tan versátiles y duraderas como lo son las células madre embrionarias. Es posible que las células madre adultas no puedan manipularse para producir todos los tipos de células, lo que limita la manera en que las células madre adultas pueden usarse para tratar enfermedades.
Las células madre adultas también tienen más probabilidades de contener anomalías debidas a riesgos ambientales, como toxinas, o de errores adquiridos por las células durante la replicación. Sin embargo, los investigadores descubrieron que las células madre adultas son más adaptables de lo que inicialmente se sospechaba.
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Las células madre son una clase de células indiferenciadas que pueden diferenciarse en tipos de células especializadas. Comúnmente, las células madre provienen de dos fuentes principales:
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