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Todos los tipos de células madre desempeñan dos funciones cardinales: autorregeneración y diferenciación (fig. 89e-1). Las células madre existen para generar, conservar y reparar tejidos; funcionan en forma exitosa si pueden remplazar muy diversas células maduras de vida corta, durante lapsos duraderos. El proceso de autorregeneración (más adelante) asegura que es posible que subsista con el paso del tiempo una población de células madre. La reserva de tales células, si no se renueva, terminaría por agotarse con el paso del tiempo y sería imposible la conservación de los tejidos. La diferenciación aporta los efectores de la función hística, que son las células maduras. Sin diferenciación apropiada se afectaría la integridad de la función de los tejidos y sobrevendría la insuficiencia de órganos.
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En la sangre, las células maduras tienen una vida promedio variable que va de 7 h para los neutrófilos maduros, hasta unos cuantos meses para los eritrocitos y años para los linfocitos de memoria. Sin embargo, la reserva de células madre es la fuente central y duradera de todas las células sanguíneas e inmunitarias, no pierden la capacidad de producir variedades muy diversas de células a partir de una sola célula, y aun así se conservan vigorosas por decenios. Conforme se divide una célula madre individual, posee la capacidad de alcanzar alguno de los tres puntos finales en la división: dos células madre, dos células destinadas a la diferenciación o una célula madre y una célula en diferenciación. Los dos primeros resultados son consecuencia de la división celular simétrica, en tanto que el último denota un resultado diferente respecto a las dos células hijas, es decir, un hecho llamado división celular asimétrica. El equilibrio relativo de estos resultados puede cambiar durante el desarrollo y bajo la influencia de algunos tipos particulares de exigencias impuestas a la reserva de células madre.
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BIOLOGÍA DEL DESARROLLO DE LAS CÉLULAS MADRE HEMATOPOYÉTICAS
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Durante el desarrollo, se producen células sanguíneas en sitios diferentes. Al inicio, el saco vitelino aporta eritrocitos encargados del transporte de oxígeno y después intervienen en tal función sitios de producción intraembrionaria de células sanguíneas. Tales sitios intraembrionarios participan en un orden seriado, es decir, pasando del borde genital en el sitio en que emergen la aorta, el tejido gonadal y el mesonefros hasta el hígado fetal y después, en el segundo trimestre, a la médula ósea y el bazo. Conforme cambia el sitio de las células madre también se modifica el número (abundancia) relativo de células que ellos producen. El saco vitelino provee a los eritrocitos de la expresión de hemoglobinas embrionarias, mientras que los sitios intraembrionarios de hematopoyesis generan eritrocitos, plaquetas y células de la inmunidad innata. La producción de las células de la inmunidad adaptativa sucede cuando se coloniza la médula ósea y se forma el timo. La proliferación de las células madre permanece elevada, aun en la médula ósea, hasta poco tiempo después del nacimiento, cuando disminuye de manera drástica. Las células de la médula ósea son llevadas por el tránsito sanguíneo de células desde el hígado fetal después de comenzar la calcificación de huesos largos. La presencia de células madre en la circulación no es peculiar de una ventana cronológica en el desarrollo, sin embargo, las células madre hematopoyéticas circulan al parecer durante toda la vida. El lapso en que están en circulación libre parece ser breve (de minutos en el ratón), pero las células que circulan son funcionales y se pueden usar para trasplante. El número de células madre en circulación puede aumentar en diversas formas que facilitan su obtención y transferencia al mismo hospedador o a otro diferente.
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MOVILIDAD DE LAS CÉLULAS MADRE HEMATOPOYÉTICAS
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Las células que entran y salen de la médula ósea realizan tal función gracias a una serie de interacciones moleculares. Las células madre circulantes (a través de CD162 y CD44) interaccionan con las lectinas (proteínas unidas a carbohidratos) y selectinas P y E en la superficie endotelial para lentificar el movimiento de las células y limitarlo a un fenotipo de rodamiento. Como paso siguiente se activan las integrinas de las células madre e inician la adhesión firme entre dichas células y la pared del vaso, con una participación de importancia particular de la molécula de adhesión de células vasculares 1 (VCAM-1, vascular cell adhesion molecule-1) de las células madre que interaccionan con el VLA-4 endotelial. La quimiocina CXCL12 (SDF1) interactúa con los receptores CXCR4 de las células madre y el calcio iónico interactúa con el receptor sensible al calcio, lo que parece ser importante en el proceso de que las células madre abandonen la circulación y se injerten en la médula ósea. Lo anterior es en particular válido en el desplazamiento que durante el desarrollo hacen del hígado fetal a la médula ósea.
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Sin embargo, la función de CXCR4 en adultos al parecer depende más bien de la retención de las células madre en la médula ósea y no del proceso de quedar retenidos en ese punto. La interrupción del proceso de retención por algunos antagonistas moleculares específicos de la interacción CXCR4/CXCL12, la escisión de CXCL12 o la regulación por disminución del receptor puede causar liberación de las células madre a la circulación. El proceso anterior es un aspecto cada vez más importante de la obtención de células madre para usos terapéuticos, porque ha permitido que se realice el proceso de obtención por leucoféresis y no por punciones de médula ósea en el quirófano. El factor estimulador de las colonias de granulocitos y plerixaflor, un compuesto macrocíclico que antagoniza CXCR4, se utilizan clínicamente para movilizar células madre hematopoyéticas de la médula ósea para trasplante. Al refinar los conocimientos de la forma en que entran y salen de la médula ósea las células madre, puede ampliarse la capacidad del médico para obtener tales células y volverlas más eficaces a la hora de encontrar su camino hasta los sitios específicos para la hematopoyesis, es decir, el llamado nicho de células madre.
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MICROENTORNO DE LAS CÉLULAS MADRE HEMATOPOYÉTICAS
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El concepto de microentorno especializado o nicho de células madre fue planteado originalmente para explicar por qué las células provenientes de la médula ósea de un animal podían ser utilizadas en trasplante y una vez más, ser detectadas en la médula ósea del receptor. Sin embargo, el nicho mencionado es algo más que el albergue de las células madre. Es un sitio anatómico al que llegan señales reguladoras que permiten a las células madre crecer y proliferar, expandirse si es necesario y generar números variables de células hijas en su descendencia. Además, la proliferación no regulada de las células madre puede ser un problema, con base en su estado indiferenciado y su capacidad de autorregeneración. Sobre tal base, el nicho también debe regular el número de células madre producidas. De esa manera, el nicho tiene la doble función de actuar como sitio de crianza, pero que impone límites para las células madre: en efecto, actúa como nicho y para limitar el crecimiento.
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El nicho de las células madre hematopoyéticas cambia con cada uno de los sitios de la hematopoyesis durante el desarrollo, pero en la mayor parte de la vida del ser humano está situado precisamente en la médula ósea. En la médula ósea, el espacio perivascular, en particular en regiones de hueso trabecular actúa como nicho. Las células mesenquimatosas y endoteliales de la microvasculatura de la médula ósea producen un ligando y CXCL12, los cuales son importantes para la células madre hematopoyéticas. Otros tipos celulares, como las neuronas simpáticas, las células no mielinizadas de Schwann, macrófagos, osteoclastos y osteoblastos han mostrado regular a las células madre, pero es poco claro si sus efectos son directos o indirectos. Las proteínas de la matriz extracelular como la osteopontina también afecta la función de las células madre. La región endóstica es de particular importancia para las células trasplantadas, lo que sugiere que puede haber características distintivas de la región que aún no se han definido y que son mediadores importantes en el injerto de las células madre. El funcionamiento del nicho como contexto de sustento para las células madre es de importancia obvia para conservar la hematopoyesis y para el trasplante. Un área activa de estudio intenta determinar si el nicho se altera en la enfermedad o si los fármacos pueden modificar su función para mejorar el trasplante o la función normal de las células madre en las enfermedades hematológicas.
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EXCESO DE CAPACIDAD DE LAS CÉLULAS MADRE HEMATOPOYÉTICAS
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En ausencia de enfermedades, es prácticamente inagotable el número de células madre hematopoyéticas. Se sabe por estudios de trasplante seriado en ratones, que aparece un número suficiente de células madre como para la reconstitución de varios animales en serie, cada animal con una producción normal de células sanguíneas. El hecho de que nunca se agoten estas últimas durante la vida de quienes reciben trasplantes alógenos de células madre y que puedan durar decenios indica que suele bastar el escaso número de células madre que se le suministra. Sigue siendo escaso el conocimiento sobre la forma en que las células madre reaccionan a diferentes situaciones para aumentar o disminuir su producción de células maduras. Sin duda, mecanismos de retroalimentación negativa modifican el nivel de producción de muchas de las células, lo que conduce a un recuento hemático regulado completamente normal. A pesar de ello, muchos de los mecanismos de regulación que rigen la producción de células madre más maduras no son válidos o actúan de manera diferente con las células madre. En forma semejante, muchas de las moléculas que pueden modificar la magnitud de la reserva de las células madre ejercen poco efecto en las células sanguíneas más maduras. Por ejemplo, la eritropoyetina, factor de crecimiento que estimula la producción de eritrocitos a partir de precursores más maduros, no tiene efecto alguno en las células madre. De modo similar, el factor estimulante de colonias de granulocitos impulsa la proliferación rápida de precursores granulocíticos pero no modifica el ciclo celular de las células madre; más bien cambia su localización por medios indirectos, alterando las moléculas como CXCL12 que retienen a las células madre en su nicho. Se ha demostrado que algunas moléculas importantes para modificar la proliferación, renovación o supervivencia de las células madre, como los inhibidores de la cinasa dependiente de ciclina, factores de transcripción como Bmi-1 o micro RNA como mIR125A tienen escaso o nulo efecto sobre las células progenitoras. Las células madre hematopoyéticas poseen mecanismos de control diferentes de los de las células que generan.
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DIFERENCIACIÓN DE LAS CÉLULAS MADRE HEMATOPOYÉTICAS
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Las células madre hematopoyéticas están en el primer nivel o base de una jerarquía ramificada de células que culminan en los muchos tipos de células maduras que componen la sangre y el sistema inmunitario (fig. 89e-2). Las fases de maduración que llevan a la diferenciación terminal y la funcionalidad de células sanguíneas tienen lugar como consecuencia de cambios intrínsecos en la expresión génica y cambios en las células dirigidos por el nicho y dirigidas por citocinas. Los conocimientos de los detalles al respecto son incompletos. Conforme las células madre maduran hasta llegar a células progenitoras, precursoras y por último a células efectoras maduras, pasan por una serie de cambios funcionales; comprenden la adquisición obvia de funciones que definen a las células sanguíneas maduras, como la capacidad de fagocitosis o síntesis de hemoglobina. Comprenden la pérdida progresiva de su plasticidad, es decir, la capacidad de transformarse en otros tipos celulares. Por ejemplo, el progenitor mieloide puede producir todas las células en la serie mieloide, pero ninguna de la serie linfoide. Conforme maduran los progenitores mieloides comunes, se tornan en precursores de monocitos y granulocitos, o eritrocitos y megacariocitos, pero no ambos tipos. Puede existir cierto grado de reversibilidad de este proceso en la cascada de diferenciación, pero que se ha perdido después de una etapa distinta en condiciones fisiológicas normales. Sin embargo, con intervenciones genéticas las células sanguíneas, al igual que otras células somáticas pueden ser reprogramadas para transformarse en diversos tipos celulares.
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Conforme ocurre la diferenciación celular, también pueden perder capacidad proliferativa (fig. 89e-3). Los granulocitos maduros son incapaces de proliferar y sólo se incrementan en número por el incremento de la producción a partir de sus precursores. Las excepciones a la regla son algunos macrófagos residentes, que parecen tener la capacidad de proliferación, además de las células linfoides. Las células linfoides conservan cierta capacidad para proliferar, pero su capacidad para hacerlo está relacionada con la identificación de proteínas o péptidos particulares por receptores específicos de antígeno en su superficie. Al igual que muchos tejidos con células maduras de corta duración, como la piel e intestino, la proliferación de células sanguíneas se logra en gran medida por la población progenitora inmadura. En términos generales, las células que pertenecen a tal compartimiento de progenitores muy proliferativos viven poco tiempo, de modo que se incorporan al proceso de diferenciación dentro de un programa molecular definido en que interviene la activación seriada de conjuntos particulares de genes. En lo que se refiere a cualquier tipo particular de célula, es difícil acelerar el programa de diferenciación. El lapso necesario para que los progenitores hematopoyéticos se transformen en células maduras es de 10 a 14 días en las personas y se puede conocer clínicamente sólo por el intervalo entre la administración de quimioterapéuticos citotóxicos y la recuperación del recuento hemático en los pacientes.
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Aunque las células madre hematopoyéticas en general parecen tener la capacidad de formar todas las células de la sangre, cada vez se hace más evidente que las células madre individuales podrían no tener un potencial igual de diferenciación. Es decir, algunas células madre tienen “sesgos” para volverse células maduras de un tipo en particular. Además, no es preciso por completo el concepto general de células que portan una selección binaria de diferenciación linfoide o mieloide. Podría haberse añadido a los pasos del compromiso de las células madre una población celular con potencial mieloide limitado (monocitos y granulocitos) y linfoide.
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Las células madre hematopoyéticas deben equilibrar sus tres destinos posibles: apoptosis, autorregeneración y diferenciación. La proliferación celular por lo común no se vincula con la capacidad de la división autorrenovadora, excepto en linfocitos T y B de memoria y en células madre. La capacidad de autorregeneración da paso a la diferenciación como única opción después de la división celular, cuando las células salen del compartimiento citoblástico hasta que tienen oportunidad de transformarse en linfocitos de memoria. Además de esta capacidad autorrenovadora, las células madre tienen otra característica más que define su maquinaria o recursos para la proliferación. En muchos tejidos maduros adultos, las células madre pueden ser heterogéneas y algunas pueden estar inactivas, actuando como una reserva, mientras que otras tienen mayor capacidad proliferativa y reponen a la población de células progenitoras de vida corta. En el sistema hematopoyético, dichas células también muestran gran resistencia a la acción de citocinas y permanecen inactivas incluso cuando las citocinas estimulan la proliferación de los progenitores de la médula ósea, la velocidad de proliferación se mide en horas, no en días. Según expertos, a diferencia de ello, las células madre se dividen a intervalos que van de meses a años, al menos según estimaciones en primates no humanos; tal inactividad profunda (estado quiescente) es difícil de superar in vitro y limita la capacidad de expandir con eficacia las células madre hematopoyéticas de humanos. El proceso puede ser controlado por los niveles particularmente altos de expresión de los inhibidores de cinasa dependiente de ciclina como p57 o CDKN1c, que restringen la penetración de células madre en el ciclo celular y bloquean la transición G1-S. Las señales exógenas que provienen del nicho al parecer también intensifican el estado quiescente, incluida la activación del receptor de tirosina cinasa en células madre Tie2, y por angiopoyetina 1 en un nicho de células.
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La regulación de la proliferación de citoblastos al parecer cambia con la edad. En los ratones, el inhibidor de cinasa dependiente de ciclina p16INK4a, se acumula en las células madre de animales de mayor edad y se acompaña de un cambio en cinco funciones diferentes de células madre, incluido el ciclo celular. La disminución de la expresión de p16INK4a mencionado en animales ancianos mejora el ciclo celular de células madre y su capacidad de reconstituir la hematopoyesis en hospedadores adoptivos, haciéndoles semejantes a los animales más jóvenes. No hay modificaciones en el número de células maduras. En consecuencia, poco a poco se esclarecen los fenómenos moleculares que rigen las funciones específicas de las células madre y brindan la posibilidad de que se cuente con una nueva estrategia para cambiar la función de estas células con fin terapéutico. Una de las funciones críticas de las células madre que no se conoce en detalle es la regulación molecular de la autorregeneración.
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En el terreno de la medicina, la autorregeneración quizá constituya la función más importante de las células madre, puesto que es decisiva para regular el número de las mismas, el cual es un parámetro limitante fundamental para el trasplante autólogo y alógeno de células madre. En caso de que se pudieran utilizar menos células madre o ampliar el número escaso de éstas ex vivo, sería posible disminuir la morbilidad y los costos de la obtención de tales células y permitir el uso de otras fuentes de ellas. De manera específica, una fuente rica de células madre es la sangre del cordón umbilical; sin embargo, ésta es muy escasa, por lo que el número total de células madre hematopoyéticas que se obtienen por ese medio apenas es suficiente para el trasplante de una persona que pese menos de 40 kg; tal limitación constituye un factor limitante de lo que podría ser una fuente prometedora de células madre. Dos características de dichas células de sangre del cordón umbilical son en particular importantes. 1) Provienen de personas muy diversas que rebasan el conjunto de donantes adultos y por ello podrían superar la mayor parte de los obstáculos de pruebas cruzadas inmunológicas. 2) Las células madre de la sangre del cordón umbilical van acompañadas de un gran número de linfocitos T, (de forma paradójica, al parecer causan una menor incidencia de enfermedad de rechazo inverso [injerto contra hospedador]), cuando se comparan con células madre que muestran incompatibilidad semejante, y provienen de otras fuentes. Si se pudiera lograr la expansión de las células madre por autorregeneración, el número de éstas sería suficiente para utilizar en adultos que pesen más de 40 kg. Otra estrategia para resolver el problema es mejorar la eficacia del injerto de células madre del donante. La bioingeniería de injertos ha explorado métodos de agregar componentes celulares que pudieran mejorar la aceptación. Además, cuando menos algunos datos sugieren que la merma de los linfocitos citolíticos naturales del hospedador (NK, natural killer), quizá disminuya el número de células madre necesarios para reconstituir la hematopoyesis.
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Se cuenta con escasos conocimientos de la autorregeneración y, curiosamente, señala la participación de productos génicos vinculados con el estado de la cromatina, organización de alto orden del DNA cromosómico que influye en la transcripción; incluye miembros de la familia de policomb, grupo de reguladores de la transcripción que contienen dedos de cinc y que interaccionan con la estructura de la cromatina y contribuyen a la accesibilidad de grupos de genes para la transcripción. Son importantes algunos miembros como Bmi-1 para permitir la autorregeneración de células madre hematopoyéticas, gracias a modificaciones de los reguladores del ciclo celular como serían los inhibidores de cinasas dependientes de ciclina. En ausencia de Bmi-1 o del regulador transcripcional Gfi-1, podría disminuir el número y la función de las células madre hematopoyéticas. A diferencia de ello, la disregulación de Bmi-1 se ha vinculado con la aparición de leucemia; podría estimular la autorregeneración de células madre leucémicas en caso de sobreexpresión. También se han vinculado con la autorregeneración otros reguladores de la transcripción, en particular los genes de la homeosecuencia (homeobox [“hox”]). Los factores de transcripción mencionados reciben su nombre de su capacidad para controlar gran número de genes, incluidos los que rigen las características o modelos corporales en los invertebrados. HoxB4 puede inducir la autorregeneración extensa de células madre, por medio de su motivo que se une a DNA. Se ha observado que otros miembros de la familia de genes hox modifican las células madre normales, pero también se han relacionado con la aparición de leucemia. Entre las señales externas que influyen a veces en la autorregeneración relativa en comparación con los resultados de la diferenciación de los ciclos de células madre, están los ligandos Notch y Wnt específicos. También se ha dicho que elementos intermediarios que transducen las señales intracelulares intervienen en la regulación de la autorregeneración; comprenden PTEN, el inhibidor de la vía de AKT y STAT5, que por lo general, están más adelante en la ruta de los receptores activados de factores de crecimiento y son necesarios para las funciones de células madre normales, incluida la autorregeneración, cuando menos en modelos murinos. No se han identificado las conexiones entre tales moléculas y tampoco la participación que tienen en la regulación fisiológica de la autorregeneración de dichas células.