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Así que ahora que hemos hablado de las células madre embrionarias,
déjenme contarles un poco sobre las células madre adultas.
Les voy a hablar sobre el trabajo que hace mi laboratorio.
Vamos a profundizar un poco más en la biología de las células madre.
Aquí vamos a aprovechar del potencial de las células madre adultas.
Vamos a hablar sobre su biología y vamos a hablar de
estas células como potenciales para la medicina regenerativa.
Entonces, ¿qué son las células madre adultas? Vamos a actualizar nuestro conocimiento nuevo.
Estas son las células, recuerden, del cuerpo que pueden reparar los tejidos heridos
o cuando un tejido se somete al desgaste normal.
Por lo tanto, algunos tejidos tienen más células madre que otras y reemplazan sus células continuamente.
Unos ejemplos de eso serían las células madre de la piel que regeneran la epidermis y los folículos pilosos,
las células madre de la sangre que pueden regenerar las células rojas de la sangre y células inmunes.
Y de hecho, cada dos semanas tienes una superficie completamente nueva en la epidermis,
y por supuesto, si tienes suerte, los folículos del pelo no sólo se someten a períodos de descanso,
sino que también se someten a períodos de crecimiento.
Y las células sanguíneas tienen una enorme capacidad de regenerarse continuamente.
Otros tejidos, sin embargo, tienen muy pocas células madre.
Esos son los tejidos de los que hablábamos antes en la presentación;
las células del sistema nervioso central y periférico.
De hecho, sólo en el último par de años supimos que hay
células madre en el sistema nervioso adulto.
El páncreas es aún más problemático.
El laboratorio de Doug Melton ha estado estudiando la formación de los islotes pancreáticos y
encontraron que la única manera de conseguir islotes es al dañar islotes existentes
y conseguir que los islotes produzcan más islotes.
Al parecer, no existen estas células madre multipotentes adultas, por ejemplo,
que podrían regenerar un islote si fuera necesario.
Y esa es una de las razones por las que
dediqué la primera parte de mi charla a las células madre embrionarias.
Así que, excepto los tejidos que tienen una abundancia de células madre adultas,
podemos pensar en estos tipos de célula madre para la medicina regenerativa.
Así, la característica de las células madre adultas es que pueden dividirse para producir más células madre.
Así que sean células madre adultas o embrionarias,
todas tienen la capacidad de auto-renovación
y la capacidad de producir tejidos diferenciados.
En el caso de mi laboratorio, los tejidos son de epidermis, cabello o las glándulas sebáceas.
Las células madre adultas tienden a ser inmaduras en relación a su progenie.
Por eso, cuando se estudian las células madre del pelo,
estas células son menos maduras que el resto de las células dentro del cabello.
Las células madre adultas son típicamente multipotentes
y pueden hacer un subconjunto de los linajes celulares como acabo de describirles
en el caso de las células madre hematopoyéticas o células madre de la piel.
Así que el citoplasma determina el patrón de expresión génica que el núcleo tendrá.
Hablamos sobre el hecho de que células madre adultas de la piel
tienen un núcleo y propiedades de la expresión génica bastante diferentes
de cuando ese núcleo de la célula madre adulta de la piel
se coloca en el medio ambiente de los ovocitos.
En el caso de tomar células madre adultas de la piel y ponerlas en el ovocito para
hacer una célula híbrida que entonces genera
células madre embrionarias, el núcleo se reprograma.
En el caso de células madre adultas de la piel, el citoplasma de esta célula es diferente
y presenta un programa diferente de la expresión génica
para este núcleo frente a ese núcleo.
A pesar de que éste y ése tienen el mismo contenido genético,
el patrón de expresión génica es diferente.
Actualmente, las únicas células y el único citoplasma que sabemos
que puede producir una variedad ilimitada de patrones de expresión génica
para todas las células del cuerpo es el citoplasma del óvulo.
Por lo que sabemos, el citoplasm adulto de la piel no tiene esa capacidad.
Así que realmente nos gustaría saber más sobre la diferencia entre esta célula y esa célula.
Y por qué estas células tienen diferentes patrones de expresión génica
y cuáles son esos diferentes patrones de expresión génica.
Por lo tanto, mi laboratorio hace el estudio y la piel que se utiliza como un sistema modelo.
Creo que de todos los diversos tejidos y órganos del cuerpo, no hay duda de que
la naturaleza se ha divertido más en crear superficies
que en crear cualquiera de esos órganos feos
que se encuentran escondidos debajo y que la mayoría de los científicos estudia.
Así que mi laboratorio ha estado fascinado en la piel
al igual que toda la naturaleza, y creo que muchos de Uds.
Es un tejido de nuestro cuerpo que nos parece realmente íntimo.
Lo vemos todos los días. Nos damos cuenta cuando hay el más mínimo cambio en nuestra piel.
Y si tomamos en cuenta que casi todas las sociedades
en el mundo adornan lo que la naturaleza nos ha dado...y creo que es interesante
que muchas veces, si tomamos en cuenta las diferentes sociedades y
culturas, y los adornos
que las sociedades han dado a su piel y cabello,
que a menudo se utilizan apéndices de otros animales,
como la pluma, para mejorar la superficie de la piel.
Así que ésa es sólo una de las razones por las que siempre me gusta recordar a mi público
que también tienen un interés en la piel y que nuestra visión es poco profunda.
Entonces, ¿de dónde vienen las células madre adultas de la piel?
Durante el desarrollo embrionario, las células se vuelven
cada vez más restringidas en cuanto a los tejidos que pueden hacer.
Por lo tanto, durante el desarrollo temprano,
la superficie de la piel comienza a formarse después de la gastrulación del embrión.
Y en ese momento hay una sola capa de pluripotentes células madre embrionarias de la piel.
Y estas células pueden dar lugar a la epidermis, los folículos pilosos y las glándulas sebáceas.
En el caso de la epidermis, de la célula madre unipotente,
estas células existen dentro de la epidermis.
Y cuando vamos desde el epitelio monocapa al epitelio estratificado,
ésta es la estructura de la epidermis que se va a mantener en la piel adulta.
Y esta única capa situada al interior, denominada la capa basal de la epidermis,
va a ser la única capa de células que permanecen unipotentes y proliferativas.
Estas células se van a diferenciar y medida que se diferencian, empiezan a moverse hacia arriba
y estas células en la parte superior van a ser las que en última instancia
se desprenderán de la superficie de la piel,
continuamente sustituidas por células internas que se diferencian y se mueven hacia arriba.
Así que éste es el reservorio aquí abajo donde
estarán las células adultas unipotentes de la epidermis.
Así que éstas son células unipotentes, adultas, epidérmicas y progenitoras.
Son células madre embrionarias pluripotentes de la piel.
Si las células madre adultas residen en un tejido, generalmente están en la parte más segura y profunda
del tejido, y ésa es una característica de muchos tipos de tejidos adultos.
Entonces, las células madre de la piel y pueden hacer cabello, epidermis, etc.
Las células madre de la piel proporcionan una fuente casi inagotable de células
para reponer la epidermis y los pelos de nuestro cuerpo.
Entonces, ¿podemos aislarlas?
¿Podemos inducirlas a convertirse en cabello, así como epidermis?
¿Podemos inducirlas a convertirse en otros tipos de células
sin derivar células madre embrionarias por transferencia nuclear en ovocitos?
Así que, cuando yo era estudiante de postdoctorado, empecé a estudiar las células madre de la piel.
Y en ese momento estaba estudiando casi exclusivamente las células madre epidérmicas humanas.
Una de las razones por las que me hice biólogo epidérmico es que las células madre de piel
están entre las pocas células madre de nuestro cuerpo que tienen la capacidad de
ser cultivadas en el laboratorio,
y mantenerse y propagarse como células madre adultas de la piel.
Ahora, acabo de hablar, en la parte anterior de la presentación,
de las células madre embrionarias que podríamos cultivar y que mantienen sus propiedades indefinidamente.
Las células madre epidérmicas adultas no son como las células madre embrionarias
porque no podemos exponerlas a factores neurales y obtener neuronas,
pero estas células madre pueden crecer y mantenerse en el laboratorio y así es como lo hacemos.
Tomamos estas células, las ponemos en una placa de petri y luego les damos un medio
muy similar al de los nutrientes que se mueven a través del torrente sanguíneo todo el tiempo.
Entonces, añadimos las células a los cultivos de células madre de la piel.
Y luego las ponemos en esta incubadora que tiene el entorno adecuado,
la temperatura adecuada, 98,6° F, la temperatura de nuestro cuerpo.
También agregamos la mezcla correcta de dióxido de carbono y oxígeno, que nos permite,
en este entorno incubado, cultivar, mantener y propagar estas células.
Así que esto es lo que hacemos, y si ahora vemos lo que sucede después de una semana,
después de que hemos cultivado estas células...si cultivamos estas células en plástico,
y las teñimos con hematoxilina y eosina,
lo cual nos permite una tinción histológica para que podamos visualizar estas células madre,
lo que vemos es que estas células tienen la capacidad de someterse a la división.
Y aquí se puede ver una célula en anafase y allí una en metafase.
Aquí podemos ver otras células epidérmicas en la placa de Petri,
y estas células se dividen y pueden ser propagadas.
Podemos pasarlas de una placa de Petri a otra y otra
y seguir obteniendo más y más células de piel.
Además, hemos descubierto maneras de recrear el ambiente tan bien
que, de hecho, la epidermis de la piel más y más
se comporta y se ve como una epidermis de la piel humana normal.
Y en este caso, aquí abajo, lo que hemos hecho es
en vez de poner estas células en placas de plástico, las ponemos ahora
en una mezcla de colágeno y fibroblastos, que crea la dermis,
y luego ponemos estas células de la epidermis sobre eso.
Las dejamos crecer hasta la confluencia y después
elevamos el colágeno, lo depositamos en una balsa flotante, y alimentamos las células con los medios de abajo.
Debido a que la epidermis se encuentra en la superficie de la piel,
los vasos sanguíneos que suministran los nutrientes para la epidermis
están en una parte realmente profunda de la dermis y los vasos sanguíneos proporcionan los nutrientes
que permiten que la epidermis crezca.
Resulta que una de las características de la diferenciación epidérmica
básicamente se basa en el hecho de que las células se apartan de su fuente de nutrientes.
Así que hace muchos años, uno de mis estudiantes de posgrado en el laboratorio
estaba estudiando algunos de los factores existentes dentro de los vasos sanguíneos
y aprendió que, de hecho, si estas células flotan en la interfaz de aire líquido,
ahora pueden someterse a un proceso normal de diferenciación.
Y estas células aquí arriba serían las células de nuestro cuerpo
que se desprenden de la superficie de la piel y continuamente se sustituyen
por las células de la capa interna que van hacia el exterior.
Pero en una placa de Petri, estas células no tienen adónde ir.
Estas células siguen acumulándose
y ésa es realmente la única diferencia entre este tejido y la epidermis de la piel de nuestro cuerpo.
Así que podemos recrear la epidermis
desde cero en una placa de cultivo.
Entonces, ¿para qué podemos usar esto?
Bueno, cuando yo estaba haciendo un postdoctorado en MIT hace muchos años,
mi mentor, Howard Green, desarrolló la tecnología
para crear células epidérmicas humanas en cultivo.
Y de hecho, en aquel entonces, a finales de 1970, él y otro investigador,
Eugene Bell, también de MIT en ese momento, inventaron métodos para adaptar
las células madre epidérmicas humanas cultivadas
para el tratamiento de quemaduras para tratar a los pacientes gravemente quemados.
En muchos casos, la superficie del cuerpo de los pacientes estaba tan quemada
que no había suficiente piel buena para injertar.
Pero si tomáramos una pequeña cantidad de piel en buen estado y pusiéramos esas células en cultivo,
dentro de unas semanas podríamos generar muchas placas de cultura
de células de la epidermis, y ya que son las propias células del paciente, las células no serían
rechazadas en un injerto. Por lo tanto, se podría tomar una pequeña biopsia de la piel del paciente,
poner las células en cultivo, pasar esas células,
producir placas de Petri más grandes, llenas de células madre de piel,
y entonces básicamente injertar esas células en la espalda, por ejemplo,
o la superficie quemada de la víctima.
Y como son las propias células del paciente que fueron pasadas en cultivo,
el paciente no las rechazará.
Reconocen las células como propias y básicamente la quemadura se repara.
Las células que provienen de estas placas de Petri son las células madre epidérmicas.
Son células madre unipotentes que generan epidermis.
Así que el injerto de estas células produce básicamente epidermis, pero la piel injertada del paciente
no contiene folículos pilosos ni contiene glándulas sudoríparas.
Pero eso es lo menos importante para el paciente en una terapia de quemaduras.
Así que el hecho es que este tipo de tecnología
se ha utilizado en todo el mundo en muchas clínicas para quemaduras
en conjunto con otros métodos clásicos de injertos cutáneos
para ayudar a los pacientes y tratar las peores quemaduras.
Y acabo de señalarles que hay una serie de grupos de ingeniería biomédica
que están generando piel artificial.
Es posible que hayan oído hablar de varios métodos diferentes para la piel artificial.
Es posible que hayan oído hablar de varios médicos utilizando la piel de cerdo
o varios tipos de piel no humana.
Esas pieles se utilizan básicamente como medios de protección hasta que las células de la piel
del paciente pueden ser reparadas o, por ejemplo, hasta que estas células cultivadas
puedan regenerar la epidermis.
La piel de cerdo no se puede utilizar en un paciente para siempre
porque es reconocida como extraña y sería rechazada.
De manera similar, la piel artificial es útil para un periodo transitorio.
Pero básicamente se necesitan las células normales, humanas, para recrear el epitelio de la piel.
Así que éste es uno de los pocos ejemplos de éxito desde el principio
de la utilización de células madre adultas en un entorno clínico.
Entonces, las células epidérmicas pueden ser cultivadas durante meses en una placa
y para siempre cuando son injertadas en un paciente quemado.
Sólo voy a mostrar algunos ejemplos de esto.
Así pues, aquí hay un ejemplo
de los primeros días, cuando la gente estaba
empezando a desarrollar esta tecnología para la medicina regenerativa.
Aquí hay un ejemplo donde las células eran enzimáticamente
retiradas de la placa de Petri una vez que se cultivaron,
y luego se injertaron en la pierna gravemente quemada de este paciente.
Las células que abarcan todo este área aquí
fueron generadas a partir de células epidérmicas cultivadas,
tomadas de un área de piel buena de este paciente: fueron colocadas en cultivo
y luego injertadas en la zona mala, herida.
Una vez más, aquí hay un ejemplo de uno de los cultivos.
Las células que se ven en color rosa aquí son las células epidérmicas.
Y cuando esas células se injertaron en la piel del paciente,
aquí se ve una sección transversal de la piel del paciente
de la zona ... lo que era una zona muy quemada,
y ahora tiene perfecto estado de salud, la epidermis regenerada.
Si seguimos esta tecnología a través del tiempo
y preguntamos qué tan bueno estará esta epidermis un año más tarde...
Un año más tarde, si miramos la epidermis de un paciente normal
y la epidermis reparada ... cultivada, reparada e injertada en una persona...
un año después, no se puede notar la diferencia entre
la epidermis y la epidermis reparada a partir de cultivo.
El problema es que todavía hay problemas con la cicatrización.
Los problemas con la cicatrización son problemas dérmicos. No son problemas epidérmicos.
Así que los científicos siempre han solucionado los problemas de la epidermis
utilizando cultivos de células madre epidérmicas para la terapia de quemaduras.
Todavía hay mucho que hacer en el ámbito de mejorar la calidad de la piel de pacientes con quemaduras,
y en particular en el área de la reparación dérmica
y en las áreas de generar folículos pilosos y glándulas sudoríparas.
Entonces, ¿qué se necesita para hacer un folículo piloso?
Lo que les voy a mostrar aquí es un ratón muy peludo.
Este es un ratón que mi laboratorio generó hace varios años
y aquí está su hermano. El hermano parece mucho más delgado.
Ese parece muy gordo. De hecho, este ratón tiene menos grasa que su hermano.
Todo ese hinchazón era, básicamente, el exceso de vello.
Así que podemos hacer esto en un ratón.
Idealmente, nos gustaría poder hacer esto para ayudar en el tratamiento del cabello humano.
Así que ahora vamos a hablar un poco sobre el folículo piloso.
Aquí, de nuevo, está nuestro esquema. Este es el folículo del pelo y aquí está la epidermis
y luego por aquí hay una glándula de sudor.
¿Qué están haciendo estas estructuras?
Bueno, como ya les dije, la epidermis actúa como una barrera.
La epidermis mantiene los microbios dañinos fuera y los fluidos corporales esenciales adentro.
Y los folículos pilosos proporcionan calor, protección.
Las glándulas sudoríparas y las sebáceas proveen lubricantes.
Así que de hecho, si no tuvieras la epidermis y sus apéndices,
estarías en muy mal estado. Morirías por deshidratación o infección.
Por lo tanto, es absolutamente necesario tener epidermis, más o menos del grosor del celofán,
y tenemos que tener folículos pilosos, por lo menos en lo que respecta a la mayoría de los animales.
Así que la mayoría de los animales, de hecho, pasan la mayor parte de su tiempo haciendo pelo.
Es que sólo los seres humanos pasan la mayor parte de su tiempo haciendo epidermis.
Y pensamos, sólo pensamos, que necesitamos nuestro cabello.
Por lo tanto, todas estas células se derivan de una célula progenitora común embrionaria,
una célula embrionaria y progenitora de piel a la que ya aludí en una diapositiva anterior.
Y en el adulto, hay una constante rotación y regeneración
no sólo de la epidermis, como describí, sino también de los folículos pilosos.
Y eso significa que tiene que haber células madre adultas epiteliales de piel.
Ya he hablado sobre las células madre unipotentes de la epidermis.
¿Qué pasa con las células madre del folículo piloso?
Y sólo para recordarles, las células madre de la piel, como cualquier otra célula madre buena,
son células con la capacidad de auto-renovación y de diferenciarse en uno o varios tejidos.
Así que una de las grandes preguntas del campo era
dónde están las células madre de piel y cómo pueden formar los diferentes tejidos del cuerpo.
Es decir, si nos fijamos en estas estructuras, la epidermis y el folículo piloso,
son estructuras increíblemente diferentes.
Es fascinante para mí como científico cómo estas estructuras pueden derivar de una célula madre común.
Así que vamos a averiguar de dónde son estas células madre.
Bueno, lo que sabíamos cuando empezamos esta investigación,
durante aproximadamente el cambio de siglo,
el año 2000, lo que sabíamos sobre las células madre, las células madre multipotentes de la piel,
es que se usan con moderación, como la mayoría de las células madre, y se dividen infrecuentemente.
Estas células madre se mantienen básicamente como reservorios, una fuente de juventud.
Son capaces de crear tejidos, así que el cuerpo quiere
poder conservar las células madre - utilizarlas con poca frecuencia.
Otra cosa que ya sabíamos sobre las células madre de la piel, y éste es un trabajo que
hice cuando era un profesor asistente en la Universidad de Chicago
hace ya varios años, lo que aprendí en aquel momento era que
los queratinocitos que tienen potencial proliferativo expresan queratinas 5 y 14
que habíamos clonado y caracterizado hace unos años.
Y así, sobre la base de sólo estos dos principios biológicos, Tudorita Tumbar, en aquel entonces en mi laboratorio,
ahora está en la Universidad de Cornell en Ithaca, NY con su propio laboratorio...
ella y Geraldine Guasch, otro miembro postdoctoral de mi laboratorio,
elaboraron un método
por el cual pudieron identificar las células madre adultas de la piel multipotentes o putativamente multipotentes.
Así que lo que hicieron primero fue hacer dos genes.
Uno de estos genes codifica una proteína inducible represora
llamada la proteína represora inducible por tetraciclina. Esto significa que podemos añadir tetraciclina
e inducir la actividad de la proteína, en este caso, la represión de la expresión génica.
Tomamos este gen y lo colocamos bajo el control del promotor de la queratina 5,
lo que significa que esta proteína represora inducible por tetraciclina ahora va a ser expresada
en todas aquellas células que tienen potencial proliferativo dentro de la piel.
Y después hicimos otro gen y este gen, aquí abajo,
es un gen que codifica una proteína histona marcada fluorescentemente y bajo el control de
un elemento regulador de tetraciclina. Así que ahora, esta proteína represora transcripcional
en presencia de tetraciclina va a ser capaz de unirse a
este elemento regulador de tetraciclina y conducir la expresión de la histona H2B-GFP.
Así que ahora lo que tenemos que hacer es poder, en el paso dos,
hacer un ratón transgénico que exprese los dos genes que producimos.
Así que, en este caso, lo que hacemos es inyectar los genes en lo que se llama
el ovocito fecundado en la fase unicelular, y este ovocito fertilizado
ahora tiene un ***úcleo masculino. Se puede decir que es masculino porque es más grande.
Lamentablemente, siempre estoy a favor de la mujer y la fuerza.
Pero básicamente, este ***úcleo varonil es más grande que el ***úcleo femenino.
Antes de que estos núcleos se fundan, lo que hacemos es inyectar estos dos genes
en el ***úcleo masculino y obviamente toda esta tecnología tiene que hacerse bajo un microscopio
porque, en la fase unicelular, es más pequeño de lo que podemos ver.
Y entonces lo que hacemos ahora es tomar este ovocito fecundado e inyectado
y lo implantamos en lo que llamamos una madre pseudo-embarazada.
Así que mamá piensa que está embarazada, pero no lo está.
Fue acoplada la noche anterior con un macho sometido a la vasectomía, así que no pasaba mucho.
Pero básicamente, ella tiene todas las hormonas adecuadas circulando por su cuerpo,
así que está lista para los embriones, pero ella misma no tiene ninguno.
Le proporcionamos estos embriones
y básicamente ahora lo que nos queda es lo que llamamos ratones transgénicos.
Son transgénicos porque ahora contienen dos genes que se han integrado en su ADN cromosómico
y ahora cada célula de este cuerpo animal ahora tiene, básicamente, estos dos genes,
pero sólo las células de la piel donde está activo el promotor de queratina 5, que están expresando queratina 5,
ahora también van a expresar la proteína represora reguladora tetraciclina.
Y ese represor podrá controlar
la expresión del otro gen, que es básicamente el gen de la histona H2B-GFP,
sólo cuando está allí la tetraciclina.
Entonces, ¿cómo funciona esto?
Lo que ahora vamos a hacer se llama un experimento de pulso-caza.
Este fue el tipo de tecnología que fue diseñado primero para poder etiquetar el ADN
y no proteínas cromosómicas. Muchas personas utilizan experimentos de pulso-caza, básicamente
pulsando con timidina tritiada etiquetada o con bromo-desoxiuridina
para incorporarla en el ADN y luego perseguirla en el tiempo para ver
cuáles células que se dividen rápidamente y cuáles se dividen infrecuentemente.
Así que lo que vamos a hacer ahora es tomar nuestro ratón, nuestro ratón bi-transgénico, y ahora
lo que se obtiene es que en ausencia de tetraciclina, esta proteína represora
va a ser producida, ya que está bajo el control del promotor de la queratina 5.
Así que va a ser producida en todas las células de la piel.
Pero, básicamente, la proteína represora no va a ser funcional debido a que necesita
tetraciclina para actuar como represora, así que lo que sucede es que este gen se activa,
produciendo mucha histona H2B-GFP,
y esas proteínas de histona se incorporan en el ADN cromosómico,
por lo que este ratón tiene piel de color verde que brilla intensamente con la histona H2B-GFP.
Y ahora, si tomamos una muestra representativa de la piel, lo que vemos es que
todos los núcleos de los epitelios de la piel, pero sólo los núcleos de los epitelios de la piel, son de color verde.
Hay una veintena de diferentes tipos de células de la piel y sólo tenemos un tipo de célula,
que llamamos el queratinocito, que consiste en las células de la epidermis,
el folículo del pelo, las glándulas sebáceas y las glándulas sudoríparas,
que básicamente ahora expresan la histona H2B-GFP
porque las células con potencial proliferativo que existen dentro
del epitelio de la piel son las células que
expresan queratina-5, lo que permite que esta proteína sea expresada.
Así que ahora cuando añadimos la tetraciclina, esta proteína actúa como represora
y básicamente se apaga la expresión de la histona-H2B-GFP.
Y ahora el gen se desactiva.
Así que comenzamos con todos estos núcleos verdes pero ahora todas esas células que
se dividen muy rápidamente ya no producen la histona H2B-GFP,
por lo que vamos a empezar a diluir la etiqueta.
Todas esas células que se diferencian, esas que
se mueven afuera, que se desprenden de la superficie de la piel,
los pelos que se producen, todos básicamente se perderán
de la superficie de la piel ya que los tejidos están experimentando un cambio de personal.
Estas células ya no van a tener la expresión de H2B-GFP.
Pero esas células que existen dentro de toda esta población
de células verdes brillantes que se dividen con poca frecuencia, rara vez se dividen...
las características de lo que sabemos sobre las células madre es que
van a ser las únicas células de la piel que
todavía van a retener la etiqueta de fluorescencia después de un período prolongado.
Así que si agregamos tetraciclina a la dieta del animal y ahora esperamos cuatro semanas,
lo que queda son sólo aquellas células que retienen la etiqueta,
donde está activo el promotor de la queratina-5 que expresa la histona H2B-GFP,
y estas son células que existen dentro del folículo piloso.
Estas son células que son conocidas y se encuentran en una región conocida como la protuberancia.
Estas son células foliculares de protuberancia y residen justo por encima...
justo debajo de las glándulas sebáceas. Así que éstas serían las glándulas sebáceas del folículo piloso.
Y luego, este es el crecimiento del folículo piloso que produce el pelo.
Así que estas células de protuberancia son parte del folículo piloso,
pero como se puede ver, éstas son las únicas células en el epitelio de la piel
que pueden conservar su etiqueta, que tienen la propiedad de ciclarse con poca frecuencia.
Esta es una imagen 3D de una sección de la piel y se puede ver que la piel
está realmente dividida en unidades proliferativas
donde cada unidad tiene epidermis alrededor y un único folículo piloso,
y cada folículo piloso
tiene uno de estos compartimentos para retener la etiqueta, conocidos como la protuberancia.
Entonces, ¿qué podemos hacer ahora nosotros los científicos con estas células protuberantes marcadas?
Bueno, vamos a considerar lo que las células madre adultas pueden hacer.
Sabemos que las células madre adultas deben ser capaces de reparar las heridas,
así como, en este caso, producir un nuevo folículo piloso durante el ciclo normal del pelo.
Y así vamos a considerar, en primer lugar, si estas células pueden reparar las heridas.
Y de hecho, aquí acabamos de rasguñar la superficie de la piel del animal
y ahora se puede ver que estas células protuberantes etiquetadas con fluorescencia básicamente
se han movilizado para moverse hacia arriba, donde re-epitelizan la epidermis.
Reparan la herida que se ha creado.
Así que ésta es una característica de las células madre adultas - eso lo que se
esperaría de las células madre adultas, que puedan reparar tejidos en caso de lesión.
¿Cuál es la otra característica entonces?
La otra característica es el uso y desgaste normal de los tejidos.
Y en este caso, los cabellos, como hemos mencionado antes,
experimentan períodos de descanso y luego períodos de crecimiento nuevo.
Así que después de un tiempo probablemente notarás que algunos de tus cabellos se caen.
Esos pelos son capaces de crecer.
Y esa propiedad se conoce como el ciclo del pelo.
Entonces, ¿qué pasa con estas células que retienen la etiqueta durante el ciclo del pelo?
Bueno, lo que pasa es que ahora podemos ver que estas células protuberantes
aún permanecen de color verde brillante, incluso durante la etapa de activación del ciclo del pelo nuevo.
Y lo que sucede es que al comienzo del ciclo
estas células aquí arriba, llamadas células de la papila dérmica,
que son células mesenquimales del cuerpo,
se encuentran justo al lado de este compartimiento protuberante de células marcadas con fluorescencia.
Y hay algo en estas células que estimula la regeneración del folículo del pelo.
Entonces, lo que sucede entonces es que las células salen del nicho y luego se dividen rápidamente
para regenerar el folículo del pelo, y se sabe que estas células se dividen rápidamente
porque las observamos. Estas son características de las células quiescentes.
Estas células ya no están verdes. Etiquetan con diferentes marcadores de proliferación,
como Ki67 o Basonuclin, pero estas células han perdido su fluorescencia y
eso quiere decir que se han dividido y se diluye rápidamente la etiqueta.
Entonces lo que estamos aprendiendo es que muy pocas células
protuberantes se activan con cada ciclo del pelo nuevo.
Y al salir experimentan una división rápida.
Ahora, ¿qué sabemos acerca de estas células?
Bueno, sabemos que tienen que ser ... que estas células tienen que ser
derivadas ... las células del nuevo germen de cabello tienen que derivarse de estas células protuberantes
porque ahora si vamos debajo del microscopio y las exponemos un poco más,
podemos ver que de hecho estas células aquí están verdes.
Sólo tienen mucho menos verde que las células protuberantes.
Así que cuando salieron se dividieron rápidamente y
perdieron la histona H2B-GFP como consecuencia de que, básicamente, diluyeron la etiqueta.
Así que muy pocas células retenedoras de etiquetas se activan con cada ciclo del pelo
y salen en la base, se dividen rápidamente y se diferencian.
Esto nos dice de inmediato que estas células protuberantes retenedoras de etiqueta
tienen la otra propiedad que se esperaría de las células madre
y es la capacidad de regenerar un tejido en la homeostasis normal o desgaste normal.
Así que consideramos la protuberancia como una zona de transición.
Estas células residen en un nicho particular del folículo piloso.
Y se encuentran en un entorno donde el crecimiento y y la diferenciación se inhiben.
Por eso, debe haber algún tipo de cambio ambiental en el nicho
que está activando las células madre que de otra forma son quiescentes.
En el curso de un estímulo de herida,
estas células son impulsadas a moverse arriba a reparar la epidermis.
En respuesta a una papila dérmica o un estímulo, estas células mesenquimales
se activan para salir en la base del nicho donde dan lugar al folículo piloso
y ese folículo piloso produce el cabello nuevo.
Entonces lo que hicimos a continuación fue aprovechar el poder de
cultivar varias células diferentes de la piel.
Y aquí podríamos tomar nuestras células retenedoras de etiqueta,
colocarlas en cultura y preguntar qué pasa con ellas.
Bueno, si hacemos eso, lo que pasa es que estas células dan lugar a colonias.
Estas colonias son colonias de células relativamente grandes
compuestas de células pequeñas, relativamente indiferenciadas.
Y ahora si tomamos una colonia cuyo contenido se deriva de una célula única protuberante
y pasamos esa colonia a otra placa de Petri,
lo que obtenemos son las colonias más grandes, y eso significa que
básicamente, ésas son propiedades de auto-renovación.
Empezamos con un bulto de células. Tenemos una colonia de células.
Trasladamos esa colonia de células y tenemos colonias más grandes y
básicamente, las propiedades que se esperan de las células madre.
Si ahora tomamos las células que expresan aproximadamente 100 veces menos de fluorescencia,
la progenie de las células protuberantes, y ahora las colocamos
en cultura y preguntamos, "Bueno, ¿qué pasa ahora?"...
Estas células, por el contrario, dan lugar a colonias relativamente pequeñas compuestas de
células grandes, más diferenciadas y, por pasaje, estas células se someten a scenesencia.
Básicamente, no pueden producir grandes colonias y no pueden crecer incesantemente.
Una vez más, son propiedades más propias de lo que llamamos una célula amplificadora de tránsito;
una célula con un número limitado de divisiones celulares antes de que estas células se diferencien.
Por lo tanto, estos datos nos dicen que la protuberancia realmente parece ser un reservorio de células madre.
Pero ¿son todas las células de la protuberancia células madre multipotentes?
¿O es que simplemente tenemos una bolsa de células madre,
algunas de las cuales migran hacia arriba para dar lugar a la epidermis sobre la lesión
y otras de las cuales producen el folículo del pelo?
¿Se trata de una bolsa de una mezcla heterogénea de células madre diferentes?
¿O se trata de una mezcla homogénea de células madre multipotentes?
Si queremos abordar esa pregunta, hay que utilizar lo que se conoce como
un análisis clonal para responder a esa pregunta.
Hay que preguntar: "¿Es un bulto de células capaz de hacer todo esto?"
Así que aquí tenemos nuestra capacidad en virtud de la capacidad de estas células de cultivo.
Ahora lo que hacemos es empezar con una sola célula protuberante etiquetada
derivada de nuestro bulto, un bulto marcado con fluorescencia, y elegimos
una de estas colonias, cuyos descendientes son todos derivados de esa única célula protuberante etiquetada.
Y lo siguiente que hacemos es combinar esa colonia GFP etiquetada con
células dérmicas no etiquetadas y removemos...hacemos un injerto de espesor total de una parte de la piel.
Removamos un poco de piel de un ratón desnudo que no puede producir folículos pilosos
y ahora introducimos nuestra mezcla de células.
Así que primero hagamos la parte control del experimento.
Y eso es preguntar qué pasa si tomamos células dérmicas sin etiqueta
y creamos una herida, de manera efectiva, en el ratón desnudo.
Bueno, aquí está la respuesta. Básicamente, el ratón desnudo puede reparar
su propia piel y si utilizamos células dérmicas sin etiqueta obtenemos la reparación de la epidermis,
y lo que eso significa es que la epidermis del ratón desnudo puede crecer y llenar una herida.
Y lo que eso significa para nosotros es que, básicamente, tiene que haber células madre adultas
que sean unipotentes y existan dentro de la epidermis, y eso es bueno
porque no nos gustaría que la reparación de lesiones se basara en tener cabello.
Por lo tanto, si ahora tomamos nuestros contenidos de una sola colonia de bulto
combinamos eso con células dérmicas etiquetadas
y lo injertamos en lel dorso de un ratón desnudo,
ahora lo que se ve es un mechón de pelo, un montón de pelos diferentes.
Todos esos pelos se derivan de una sola célula madre protuberante.
Y por coincidencia los pelos están verdes.
Realmente no se pretendía utilizarlas en un bar de noche.
Pero básicamente podríamos teñir el cabello.
Podríamos hacer todo tipo de colores fluorescentes.
Pero ésa no era nuestra intención en este experimento en particular.
Nuestra intención era demostrar que todas estas células, básicamente,
vinieron de esa única célula protuberante. Ahora, podrían preguntar, "¿Por qué están verdes estas células?"
De hecho, ¿no se supone que las células pierden su etiqueta cuando empiezan a dividirse?
Bueno, recuerden que estamos usando un sistema de regulación de tetraciclina y en este caso
lo que hacemos es usar las células en ausencia de tetraciclina de manera que todas esas células
derivadas de la célula protuberante sean de verde fluorescente.
Así que se necesita tetraciclina para apagar la histona H2B en estas células.
Por lo tanto, si tomamos un corte transversal de la piel y lo miramos,
lo que vemos es epidermis verde. Vemos las glándulas sebáceas verdes y vemos los folículos del pelo verde.
Puesto que todas estas células procedían de una célula protuberante,
lo que nos dice esto es que estas células protuberantes son pluripotentes.
Tienen la capacidad de reparar la epidermis.
Tienen la capacidad de reparar y producir las glándulas sebáceas y el pelo.
Son células multipotentes capaces de hacer por lo menos tres diferentes tejidos.
Entonces, ¿qué hacemos para aislar y caracterizar estas células?
¿Qué hacemos para que estas células puedan hacer nuestro sistema de cultivo?
Bueno, lo que utilizamos es una tecnología conocida como separación de células activadas por fluorescencia.
Podemos aprovechar del hecho de que estas células son fluorescentes para poder
aislar y purificarlas con una alta eficiencia.
Y la manera en la que hacemos esto es, en el primer paso, separar enzimáticamente
la epidermis y desecharla de la dermis.
Y así, en el fondo, lo que tenemos aquí es la epidermis. Desechamos eso.
Ahora los folículos pilosos están sentados en la dermis
y lo que hacemos en el paso dos es, básicamente, digerir enzimáticamente ese tejido
y hacemos una suspensión unicelular de las células del folículo con algunas células dérmicas.
Y de ésas, sólo unas pocas células son de color verde.
Esas son las células que se derivan de la protuberancia.
Y ahora purificamos esas células verdes de todas las otras células
al pasar esta mezcla de células por lo que llamamos un separador de células activadas por fluorescencia (FACS).
Esto se llama una máquina de FACS. FACS por Fluorescently Activated Cell Sorting.
Lo que esta máquina hace es que, básicamente, tiene la población de las células,
e identifica las más brillantes entre las que están marcadas con fluorescencia
y las pone en un tubo de ensayo
y toma las otras células que están más débilmente etiquetadas y las poner en otro tubo de ensayo,
y las células que no tienen ninguna etiqueta van a un tercer tubo de ensayo.
Así que, básicamente, mediante este tipo de tecnología, podemos purificar...
obtener poblaciones muy purificadas de nuestras células protuberantes etiquetadas.
Y ¿qué vamos a hacer con eso ahora?
Bueno, podemos tomar estas células y aislar los ARN mensajeros.
Si aislamos los ARN mensajeros, podemos
producir dos diferentes ... podemos aislar poblaciones de ARN mensajero de
las células brillantes marcadas con fluorescencia, las células protuberantes y su progenie.
Y ahora tenemos estos dos grupos de ARN mensajeros y
podemos utilizar estos dos grupos de ARN mensajeros como plantillas para hacer cDNA fluorescente.
Podemos tomar ese cDNA fluorescente e hibridizarlo a microchips que
contienen oligonucleótidos para codificar secuencias de genes.
Este tipo de tecnología se conoce como tecnología de microarreglos.
Y lo que esto nos permite hacer es preguntar cuáles son los genes
que estas células brillantes fluorescentes relacionan con
las células más débiles marcadas con fluorescencia. ¿Cuál es la diferencia en los patrones de expresión génica?
Esta tecnología avanzada nos permite decir,
¿cuál es la diferencia entre las células protuberantes y su progenie?
A partir de este tipo de tecnología, hemos encontrado cerca de 150 nuevos genes
que se expresan específicamente por las células protuberantes y no por su progenie.
Así que estos patrones de expresión génica nos permiten
aprender más sobre estas células protuberantes quiescentemente etiquetadas
y también examinar estas células protuberantes quiescentemente etiquetadas en su estado activado.
Una de las cosas que hemos aprendido sobre estas células protuberantes marcadas con fluorescencia fue que
expresan varios miembros de dos vías de señalización.
Una se conoce como la vía de señalización TGF-beta y
la otra es conocida como la vía de señalización de la proteína morfogénica ósea
Parecería estar relacionado con el hueso, pero en realidad muchos tipos de células utilizan esta vía.
La señalización es activa en anticuerpos que son para factores de transcripción
que son activados por TGF-betas llamados fosfo-Smad2 y por factores que son
activados por BMPs que son fosfo-Smad1.
Podemos decir que, mediante el uso de ambos anticuerpos,
estas vías de señalización están activas en estas células quiescentes.
También podemos tomar nuestras células en cultivo
y exponerlas a estos diferentes factores de crecimiento.
Y cuando lo hacemos, lo que podemos demostrar es que ambos factores de crecimiento
retiran las células transitoriamente de un estado proliferativo a un estado de reposo.
Y si diluimos los factores de crecimiento, las células reanudan su actividad proliferativa.
Lo que nos dicen estos datos es que estos genes up-regulados,
patrones de expresión génica, y estas vías de señalización up-reguladas
tienen .. contribuyen a mantener el estado de reposo de estas células madre protuberantes.
Lo otro que encontramos fueron varios genes up-regulados que
codifican para moléculas inhibidoras para otra vía de señalización.
Y esta vía de señalización se denomina la vía Wnt.
Descubrimos que los miembros activos de la vía de señalización Wnt tienden
a expresarse a un nivel reducido en estas células protuberantes.
Entonces, ¿qué significa esto?
Bueno, mi laboratorio se ha interesado en esta vía durante un buen par de años.
La vía fue identificada por primera vez en una revisión genética de la mosca Drosophila,
donde la vía Wnt en las moscas se llama Wingless (sin alas).
Y Uds. pueden imaginar a partir del fenotipo que las moscas que
son deficientes en uno de estos miembros de señalización Wnt
resultan tener defectos en sus alas y de hecho, en algo que se llama la DentiCal de la mosca,
que consideramos bastante similar a la del folículo del pelo de mamíferos.
Entonces, ¿qué es esta vía?
Así que lo que utiliza esta vía es una proteína llamada beta-catenina.
Y la beta-catenina tiene dos funciones. Es una proteína interesante.
Aunque ahora estamos aprendiendo que hay muchos tipos de proteínas en el cuerpo
que se utilizan para múltiples funciones.
Este fue uno de los primeros que se descubrieron.
Normalmente, en ausencia de cualquier señal de Wnt, o señal sin alas,
la beta-catenina se encuentra aquí en la membrana donde interactúa con una proteína llamada e-cadherina
y otra proteína llamada alfa-catenina
y un montón de otras proteínas de las que ahora estamos aprendiendo.
Actúa básicamente en la adhesión de una célula a otra.
Pero, en la presencia de una señal de Wnt, ahora hay un complejo de varios eventos.
Es como un dominó de acontecimientos, una serie de acontecimientos que suceden,
por los que resulta una serie de diferentes fosforilaciones, al final, en una acumulación
de beta-catenina en el citoplasma. Este exceso de beta-catenina puede ser ahora
utilizado como un factor de transcripción nuclear
para las proteínas de la familia Lef1/Tcf de proteínas de unión de ADN.
Así, cuando la beta-catenina interactúa con una proteína Lef1/Tcf de unión de ADN,
esa constelación de proteínas actúa como un factor de transcripción, y juntos
estos complejos pueden entonces activar genes objetivo aguas abajo (downstream).
Así, al recibir una señal de Wnt, la célula puede cambiar su programa de transcripción
y comenzar a expresar un nuevo conjunto de genes.
Así que, ¿cómo podemos detectar en un ratón
si una célula particular está recibiendo una señal Wnt o no?
¿Cuándo sabemos que hay una proteína Lef1/Tcf de unión de ADN disponible,
que las células reciben una señal de Wnt, que hay estabilización de la beta-catenina
y activación de estos genes objetivo?
Bueno, hace varios años Ramanuj Dasgupta, quien era un estudiante de posgrado en mi laboratorio
y ahora es miembro de la facultad de medicina en la Universidad de Nueva York,
hizo un ratón transgénico.
Y este ratón codifica una beta-galactosidasa o LacZ, y ésta es una enzima bacteriana.
Puso esta enzima bacteriana, beta-galactosidasa, bajo el control
de un elemento potenciador que contenía sitios Lef1 multimerizados de unión de ADN.
Así que, ahora, en los animales que albergan este gen, cada vez que una célula particular
expresa un miembro de la familia de proteínas de unión Lef1/Tcf
y la célula ha estabilizado su beta-catenina al recibir una señal de Wnt,
ahora, en el fondo, estos factores de transcripción comienzan a ser activados en este potenciador,
expresando LacZ y produciendo una gran cantidad de beta-galactosidasa.
La beta-galactosidasa es una enzima que escinde un colorante incoloro y se vuelve azul.
Y así, mediante el uso de este colorante incoloro, exponiendo nuestros tejidos al tinte incoloro,
podemos averiguar si la célula es de color azul
o si la célula recibe una señal de Wnt.
Así que vamos a ver un ejemplo de esto.
Aquí hay un ejemplo donde estamos mirando una muestra representativa de la piel
y si primero averiguamos si TCF-3 se expresa o no,
aquí tenemos un anticuerpo para TCF-3 y se puede ver que
TCF-3 se expresa preferentemente en esta protuberancia.
También se puede ver la actividad del Wnt mensajero y vemos sólo unas pocas células.
Aquí hay unas azules dentro de estas protuberancias que se ponen azules.
Y curiosamente, están sólo en la etapa
justo antes de la etapa de activación del ciclo del pelo nuevo,
donde las células mesenquimales de la papila dérmica entran en contacto con la protuberancia
para estimular un nuevo ciclo de crecimiento del pelo.
Y nos preguntamos si la activación de estas células azules
podría tener algo que ver con esa activación del crecimiento del cabello.
¿Podría la señalización Wnt estimular el crecimiento del cabello?
Y de hecho, si vemos lo que sucede
en las primeras etapas de la activación de las células madre para hacer cabello nuevo,
vemos una up-regulación en beta-catenina estabilizada
y este germen de nuevo cabello termina produciendo un exceso de beta-catenina cuando entra en contacto
con las células de papila dérmica y la protuberancia
para hacer esta nueva estructura de cabello, la que luego crece hacia abajo y hará una nueva vara de cabello.
Así que ahora vamos a hacer otro ratón transgénico que expresa niveles elevados
de beta-catenina estabilizada y vamos a preguntar qué sucederá ahora en el ciclo del pelo
cuando el animal básicamente expresa demasiada beta-catenina
en sus células madre protuberantes.
Y cuando eso sucede, entonces en la misma fase
en la que las células de la papila dérmica entran en contacto
con la protuberancia para reactivar el ciclo de crecimiento del pelo nuevo,
ahora vemos muchas células más poniéndose azul, lo cual indica señalización Wnt.
Así que estos datos están empezando a decirnos que hay algo en los
genes regulados por complejos Lef1-de beta-catenina que está impulsando la célula
desde su estado de reposo a iniciar un nuevo ciclo de crecimiento del pelo.
Y cuando pensamos en cómo haríamos un cabello, este tipo de conocimiento es importante.
La actividad del Wnt mensajero en las células madre del folículo
depende del ciclo del cabello, depende de la dosis de Wnt, y de ahí surgen las siguientes preguntas:
¿Cuáles son las consecuencias de eso? Y lo que pasa es que ahora podemos
comprobar si Wnt es un mensajero importante que las células madre necesitan para convertirse en células ciliadas.
Para describir la tecnología, lo que hicimos entonces fue utilizar un regulador de la piel,
como nuestro promotor queratina-5, esta vez impulsando la beta-catenina estabilizada en lugar de LacZ.
Esto nos llevó a preguntar si
nosotros ... los folículos pilosos tienen una consecuencia
cuando expresan niveles ligeramente elevados de beta-catenina estabilizada.
Esto se llama un estudio de obtención de función.
Estamos expresando un exceso de beta-catenina estabilizada en el ratón.
Entonces, ¿qué pasa en el estudio de obtención de función?
Pues bien, los pelos todavía experimentan sus períodos normales de crecimiento.
Este es el tipo de cabello silvestre en su fase de crecimiento. Este es el pelo de ratón transgénico
en su fase de crecimiento. Los folículos pilosos todavía pueden crecer.
Siguen produciendo cabello. Y los folículos pilosos todavía experimentan su etapa de reposo también.
Después de un período de crecimiento acelerado, los pelos se vuelven latentes.
Los dos tercios inferiores del folículo piloso se degeneran.
Y lo que queda es la protuberancia quiescente,
sentada allí como la parte inferior del folículo del pelo al final de su fase de crecimiento.
Y se puede ver que los folículos de ratones transgénicos también experimentan un ciclo de pelo normal.
Entran en reposo normalmente.
Pero ahora lo que pasa es que en presencia de niveles ligeramente elevados de beta-catenina estabilizada,
los folículos pilosos no pueden mantener su estado de reposo
tanto tiempo como lo hacen sus homólogos de tipo salvaje.
Y así todos los folículos pilosos precozmente dicen,
"voy a adelantarme y empezar a hacer los folículos del pelo ahora".
Entran en el ciclo del pelo precozmente.
Los datos nos dicen que, básicamente, la beta-catenina estabilizada y la señalización de Wnt
están empezando a influir en estas células precozmente
para que se conviertan en células ciliadas antes de sus homólogos silvestres.
Esto nos recuerda que por la actividad de la beta-galactosidasa mensajera,
hay más células que son estimuladas al inicio del ciclo del pelo nuevo.
Beta-catenina y TCF funcionan entonces en la activación de células madre.
Inversamente, hicimos un experimento sobre la pérdida condicional de la función,
en el cual eliminamos el gen de la beta-catenina de la piel adulta.
Lo que sucede cuando se quita el gen de la beta-catenina es que
en su ausencia las células madre ya no pueden ser mantenidas
y se pierde todo ... el animal pierde todo su cabello.
Así que si no hay beta-catenina, no se puede estabilizar la beta-catenina.
Básicamente, todo el pelo se pierde y las células madre no pueden mantenerse.
Por el contrario, si se expresa demasiada beta-catenina,
las células madre se activan para hacer pelo precozmente.
Estos datos están empezando a decirnos algo sobre
lo que controla la latencia de estas células madre,
lo que las persuade a hacer pelo.
En este caso, en vez de hacer un ratón que expresa el exceso de proteína,
se elimina el gen del ratón por completo y éste se conoce como un ratón "knockout".
Por lo tanto, puesto que la beta-catenina es tan importante para el ratón, tenemos que diseñar un ratón
para que podamos eliminar y controlar sus tejidos,
y esto se llama un ratón "knockout" condicional inducible.
Se utiliza un promotor de la queratina-5 para controlar las enzimas que básicamente
van a terminar eliminando o extirpando el gen de la beta-catenina, y luego utilizamos un sistema inducible,
como un sistema inducible por tetraciclina,
para poder activar la enzima cuando queramos.
Así, los científicos realmente pueden manipular el ratón. Esa es una de las razones por las que utilizamos ratones
en lugar de seres humanos, con quienes evidentemente no se puede hacer ninguno de estos estudios.
Así que estamos aprendiendo mucho sobre el folículo piloso y esperamos que
este trabajo vaya a ser útil
en términos de comprender las propiedades de los cabellos humanos.
Cuando se elimina el gen de la beta-catenina de la piel del ratón,
las células madre no sobreviven y el ratón se vuelve calvo.
Entonces, ¿qué pasa con los ratones cuando expresamos demasiada beta-catenina?
Bueno, esto realmente nos lleva a la cuestión del crecimiento del pelo.
Y como ya les he dicho, en presencia de un exceso de beta-catenina,
estos ratones desarrollan una piel muy peluda. Es posible imaginar que este ratón por aquí es
mucho más delgado que su hermano, y resulta que este ratón puede ahora
producir mucho vello excesivo,
y éste es el ratón que expresa niveles elevados de beta-catenina estabilizada.
Bueno, en este primer experimento que hicimos,
no tratamos de controlar el nivel de señalización de Wnt en absoluto.
Y en muchos tipos de cáncer humano,
si se permite que las vías de señalización del factor de crecimiento estén fuera de control,
eso a menudo da lugar a cánceres.
Y la señalización Wnt no es una excepción.
Hay muchos tipos, diferentes tipos de tumores
donde el exceso de señalización de Wnt da lugar al cáncer.
De hecho, el cáncer de colon familiar es realmente un caso donde los defectos,
no tanto en la beta-catenina
sino en las proteínas que están asociadas y participan en la estabilización de la beta-catenina,
están defectuosas en el cáncer de colon y eso conduce a un exceso de beta-catenina estabilizada
y la activación excesiva de algunos de los genes que he descrito.
Y resulta que estos ratones desarrollan algo llamado pilomatricoma
y es básicamente un tumor de pelo. Es una pelota de pelo que crece debajo de la piel.
Estos tienden a ser tumores benignos, así que no son cancerosos.
Pero básicamente son bultos o protuberancias en el cuero cabelludo y procedimos a demostrar que
la condición humana, los pilomatricomas humanos,
se deben, de hecho, a la estabilización de mutaciones en beta-catenina.
Así que los ratones nos dicen algo acerca de diversos trastornos humanos,
así como sobre el crecimiento del cabello.
Claramente, si se quisiera adaptar la activación de la señalización de Wnt
en un entorno clínico,
definitivamente habría que controlar la señalización de Wnt para hacer eso.
Pero, como occure con varios factores de crecimiento, hay varias maneras de controlar la respuesta al crecimiento
y lo importante es que estamos entendiendo que la estabilización de beta-catenina
y la señalización de Wnt, junto a otras vías de señalización de factores de crecimiento,
están jugando un rol importante en el crecimiento del cabello.
Por lo tanto, para ser útil clínicamente, la señalización Wnt tendría que ser muy cuidadosamente regulada.
Así que los niveles de Lef1 y beta-catenina estabilizados son
lo que determina el resultado de estas células madre.
Al comienzo, ponemos las células madre en el extremo inferior de la escala en la que
la señalización de Wnt o la actividad de Tcf/Lef1/beta-catenina es muy baja,
y luego cuando comenzamos a elevar los niveles, las células madre pueden activarse.
Pero entonces si realmente comenzamos a elevar los niveles, podemos empujar estas células
a una fase del folículo piloso para hacer nuevos folículos pilosos, y de hecho,
podemos hacer folículos pilosos adicionales a niveles muy altos,
muchos más folículos pilosos de lo normal en ese ratón peludo que he descrito.
Hemos aprendido que la señalización Wnt desempeña un rol importante en la diferenciación del pelo,
en hacer las células pilosas muertas que producen el tallo del pelo.
Por último, aprendimos que si se utiliza la señalización Wnt demasiado,
esto conduce a la tumorogénesis en forma de pilomatricomas.
Así, si uno quisiera controlar los niveles de señalización de Wnt en la activación del ciclo del pelo,
habría que estar en el extremo inferior de la escala.
Por lo tanto, también estamos aprendiendo que hay diferentes conjuntos de genes, dependiendo de
cuánto Lef1/Tcf/beta-catenina está activo en la célula,
que existen diferentes conjuntos de genes que son activados.
De hecho, en algunos casos son genes de proliferación asociados mientras que en otros casos
resultan ser genes como las queratinas del cabello, que básicamente participan en la producción del eje del pelo.
Para resumir, he dicho que la protuberancia es una zona de transición.
Contiene células que se ciclan con poca frecuencia, que son positivas para queratina 5 y 14.
Estas son las células madre y lo que hemos aprendido sobre ellas
es que las TGF- betas y las vías de señalización de BMP mantienen estas células en un estado no diferenciado.
Y lo que estamos aprendiendo es que la señalización Wnt, junto con los varios compañeros de Wnt,
están implicados en la estimulación de estas células para producir un folículo piloso.
Estas células producen células que proliferan rápidamente, que van a utilizar las vías de señalización adicionales
de las que estamos aprendiendo en la producción del tallo del pelo.
Hemos aprendido sobre la estimulación del crecimiento del pelo
por métodos de aprendizaje que nos permiten purificar estas células de la papila dérmica.
Además, hemos diseñado varios ratones, en los que podemos purificar estas células
y ahora tenemos una buena idea de los genes que estas células están haciendo,
y qué tipos de factores producen y secretan esas células,
lo cual nos podría dar pistas sobre cómo estas células madre se activan
en estas interacciones mesenquimales epiteliales.
Así que va a ser otro aspecto importante de entender más sobre la biología del cabello.
Así que las preguntas adicionales que nos gustaría abordar en el futuro son:
¿podemos cultivar células del pelo y utilizarlas para el reemplazo del cabello
como podemos hacer para generar quemaduras, como he descrito?
Podemos tomar células madre de la piel y producir epidermis, y de hecho podemos
tomar células madre del folículo piloso y producir epidermis.
Podemos tomar células del folículo piloso y producir cabello.
Pero también podemos esperar que en el futuro podamos, por ejemplo,
exponer las células madre en cultivo
a varias vías de señalización de factores de crecimiento que producen pelo
y generar células ciliadas que entonces podrían pasar a ser útiles en un entorno clínico.
Y luego, por supuesto, uno se pregunta: "¿Hasta dónde se puede llevar estas células madre adultas?"
¿Podríamos obtener otros tipos de células madre u otros tipos de células, como células nerviosas?
Por lo tanto, persuadir a las células madre de la piel a convertirse en células ciliadas es algo que
se podría considerar en el futuro. Estamos trabajando en esta posibilidad
al igual que otros investigadores que trabajan en este área.
Además, estamos aprendiendo sobre diversos factores de crecimiento
y varias constelaciones de factores de crecimiento que son importantes en activar
o controlar el Lef1 y la beta-catenina nucleares, lo cual ya podemos
hacer cuando ponemos estas células en una placa de cultivo.
Así que ahora tenemos que saber: ¿Podemos aprender a mantener, propagar
y diferenciar las células madre del folículo y sus células mesenquimales asociadas?
Y entonces, ¿cuántas opciones?
epidermis, pelo, glándulas sebáceas, glándulas sudoríparas, quizás células epiteliales corneales.
En el embrión temprano, el mesénquima dicta
qué tipo de epitelio se va a formar, y en el embrión temprano se podría tomar un
mesénquima corneal específico, por ejemplo,
y diferenciar células no corneales para producir células corneales.
No sabemos todavía si ésa es una propiedad de las células madre adultas, pero si lo es,
estas células adultas de la piel, células madre del pelo,
podrían ser útiles para otros potenciales en medicina regenerativa,
como quizás algún día tratar la ceguera.
Eso es algo que los científicos no saben todavía.
Seguimos trabajando con el ratón para preguntar si eso podría ser posible,
lo cual subraya la importancia de este tipo de investigación.
Ya podemos tomar nuestras células madre, como les he mostrado,
y básicamente generar folículos pilosos de ratones,
y obviamente no sabemos todavía si ese potencial puede realizarse o
si puede ser valioso en el futuro en un entorno clínico en seres humanos.
Entonces, ¿por qué importa este rol? Pues bien, todas las células del cuerpo tienen los mismos genes
y las células, como ya he dicho, se distinguen por los patrones de genes que expresan.
¿Qué pasará entonces si las células madre foliculares cultivadas son tratadas con factores de crecimiento nervioso?
Bueno, en este momento, me gustaría destacar que, de hecho,
los científicos no creen que eso vaya a ser posible.
Creemos que podría ser posible empujar la plasticidad
de estas células madre de la piel para producir tal vez otros tipos de células epiteliales.
No creemos que vaya a ser posible tener estas células madre epiteliales
y hacer neuronas. Puede haber otras células madre dentro de la piel que tienen ese potencial,
pero no creemos que es un potencial para células madre epiteliales. ¿Por qué no?
Bueno, esto nos devuelve a la pregunta, ¿qué quiere decir la reprogramación?
Hablamos al principio de la presentación sobre los estudios de transferencia nuclear,
la capacidad de tomar el núcleo de una célula madre adulta de piel, ponerlo en un ovocito
y básicamente reprogramar el núcleo a actuar
como si fuera una célula madre embrionaria cuando después cultivamos las células.
¿Qué es lo que pasa en esa reprogramación?
Lo que sucede es que varias marcas se colocan sobre
los cromosomas, sobre las proteínas, sobre el ADN,
que básicamente dan historia a esas marcas durante la embriogénesis,
con todas estas marcas diferentes que se dan a los cromosomas, al ADN,
qué genes expresar y cuándo.
Eso es importante para que todas las células de nuestro cuerpo funcionen.
Esto se conoce como epigenética, es un campo emergente.
Y lo que sabemos es que reprogramar significa despojar la célula
de toda esa memoria de información de marcas post-transcripcionales diferentes,
pero marcas como la metilación, acetilación, ubiquitinación, fosforilación,
diferentes tipos de marcas que básicamente indican a la célula qué genes debe expresar.
Lo que se busca en un experimento reprogramador es, básicamente, que las células se olviden de
lo que eran y cuando lleguen a ser células madre adultas de piel,
ya habrán pasado por un montón de marcas y tienes un montón de la epigenética
llevada en dicho núcleo, llevado en el ADN que está diciendo,
"soy una célula madre de piel y no voy a hacer una neurona!"
Esa es la propiedad de los ovocitos que realmente puede hacer esta reprogramación
de una manera que simplemente no conocemos lo suficiente todavía, y ni siquiera estamos optimistas de que
algún día la conozcamos tan bien como para reprogramar, por ejemplo, una célula adulta epidérmica de la piel
a hacer una neurona.
Así que no sabemos todavía si vamos a poder reprogramar
las células madre de la piel en el futuro para hacer neuronas.
Entonces, ¿hay maneras de solucionar este problema?
Pues bien, en el futuro, los científicos podrían ser capaces de diseñar células madre embrionarias a partir de
los núcleos de las células madre de la piel, como ya hemos hecho
y como ya les he hablado sobre las células madre de la piel del ratón.
El citoplasma del ovocito hace el mejor trabajo en la reprogramación de la cromatina
incluso si todavía no es perfecto.
Hay varios tipos de células madre de la piel
y puede haber algunas células madre de la piel que tienen este potencial.
Así que, para resumir, yo siempre les digo a mis alumnos
que la regla de oro de los científicos es:
Asegúrate de no concentrarte demasiado en los detalles y no perder de vista la imagen global.
A menudo, cuando estamos buscando algo en la ciencia,
no podemos encontrarlo por más que miremos,
y cuando no estamos buscando algo
es cuando más a menudo descubrimos algo realmente emocionante.
Eso hace hincapié en la importancia de
la amplia base
del campo de investigación de las células madre: no sólo las personas que estudian las células madre adultas,
sino también personas que estudian las células madre embrionarias,
personas que estudian la biología, así como las personas que estudian las aplicaciones clínicas.
Necesitamos saber mucho más y el futuro parece muy brillante para este tipo de tecnología,
pero va a pasar mucho tiempo antes de que los científicos realmente sepan
si será posible, como pensamos que será,
como lo tenemos escrito en los libros según debe ser, y la investigación
es realmente la única manera de encontrar las respuestas a esas preguntas.
Pero les recomindo a mis alumnos, además de mantener la mente abierta, ser receptivos a nuevas ideas.
Tenemos que decirle al público y enseñar al público sobre la importancia
de mantener la mente abierta y ser receptivo a las nuevas ideas
que están surgiendo y que entusiasman a los científicos de todo el campo
de la investigación de las células embrionarias y células madre adultas.
Por lo tanto, en este punto voy a concluir mi charla y decirles que
he disfrutado hablar con ustedes hoy sobre el tipo de ciencia que nos interesa,
y que me apasiona, y de la ciencia
que mis estudiantes de postgrado y postdoctorado hacen en mi laboratorio
en el Instituto Médico Howard Huges y la Universidad Rockefeller
en Manhattan, Nueva York.
Gracias.