Dispositivo microfluídico que emula los latidos del corazón y la circulación sanguínea de un embrión. Los canales de siembra celular están indicados por un colorante rojo, mientras que los canales de control de la contracción ventricular del corazón y los canales de control de la válvula de circulación están indicados por los colorantes azul y verde, respectivamente. Crédito: Jingjing Li, UNSW Sydney. CC BY-ND
Ingenieros biomédicos e investigadores médicos de UNSW, Sídney han hecho descubrimientos independientes sobre la creación de células madre sanguíneas embrionarias que algún día podrían eliminar la necesidad de donantes de células madre sanguíneas.
Afecciones cardíacas embrionarias emuladas en el sistema microfluídico
14 de septiembre de 2022 | Historia original de la Universidad de Nueva Gales del Sur
Los logros son parte de un movimiento en la medicina regenerativa hacia el uso de "células madre pluripotentes inducidas" para tratar enfermedades, donde las células madre se someten a ingeniería inversa a partir de células de tejido adulto en lugar de usar embriones humanos o animales vivos.
Si bien se sabe sobre las células madre pluripotentes inducidas desde 2006, los científicos todavía tienen mucho que aprender sobre cómo la diferenciación celular en el cuerpo humano se puede imitar de manera artificial y segura en el laboratorio con el fin de administrar tratamiento médico dirigido.
Dos estudios han surgido de investigadores de la UNSW en esta área que arrojan nueva luz no sólo sobre cómo se producen los precursores de las células madre sanguíneas en animales y humanos, sino también sobre cómo pueden ser inducidos artificialmente.
En un estudio publicado en Cell Reports, investigadores de la Escuela de Ingeniería Biomédica de la UNSW demostraron cómo una simulación del corazón latiendo de un embrión utilizando un dispositivo microfluídico en el laboratorio condujo al desarrollo de "precursores" de células madre sanguíneas humanas, que son células madre a punto de convertirse en células madre sanguíneas.
Y en un artículo publicado recientemente en Nature Cell Biology , investigadores de UNSW Medicine &Health revelaron la identidad de las células embrionarias de ratones responsables de la creación de células madre sanguíneas.
Ambos estudios son pasos significativos para comprender cómo, cuándo, dónde y qué células están involucradas en la creación de células madre sanguíneas. En el futuro, este conocimiento podría usarse para ayudar a los pacientes con cáncer, entre otros, que se han sometido a altas dosis de radio y quimioterapia, a reponer sus células madre sanguíneas agotadas.
Emulando al corazón
En el estudio detallado en Cell Reports, el autor principal, la Dra. Jingjing Li, y sus colegas describieron cómo un sistema microfluídico de 3 cm x 3 cm bombea células madre sanguíneas producidas a partir de una línea de células madre embrionarias para imitar el corazón palpitante de un embrión y las condiciones de circulación sanguínea.
Dijo que en las últimas décadas, los ingenieros biomédicos han estado tratando de producir células madre sanguíneas en placas de laboratorio para resolver el problema de la escasez de células madre sanguíneas de donantes. Pero nadie ha sido capaz de lograrlo todavía.
“Parte del problema es que todavía no entendemos completamente todos los procesos que ocurren en el microambiente durante el desarrollo embrionario que conduce a la creación de células madre sanguíneas alrededor del día 32 en el desarrollo embrionario”, explico la Dra. Li.
“Para resolver esto construimos un dispositivo que imita los latidos del corazón y la circulación sanguínea y un sistema de agitación orbital que provoca estrés cortante, o fricción, de las células sanguíneas a medida que se mueven a través del dispositivo o alrededor de una placa”.
Estos sistemas promovieron el desarrollo de células madre sanguíneas precursoras que pueden diferenciarse en varios componentes sanguíneos: glóbulos blancos, glóbulos rojos, plaquetas y otros. Observar el mismo proceso,conocido como hematopoyesisreplicado en el dispositivo, provocó gran emoción en el equipo.
El coautor del estudio, el profesor asociado Robert Nordon, dijo que estaba sorprendido de que el dispositivo no solo creara precursores de células madre sanguíneas que pasaron a producir células sanguíneas diferenciadas, sino que también creó las células de los tejidos del entorno cardíaco embrionario que es crucial para este proceso.
“Lo que me sorprende de esto es que las células madre de la sangre, cuando se forman en el embrión, lo hacen en la pared del vaso principal, la aorta y básicamente salen de esta arteria y entran en la circulación, luego van al hígado y forman lo que se llama hematopoyesis definitiva, o formación definitiva de sangre.”
“Hacer que se forme una aorta y luego las células que realmente emergen de esa aorta a la circulación, ese es el paso crucial requerido para generar estas células”.
“Lo que hemos demostrado es que podemos generar un tipo de célula que puede formar todos los diferentes tipos de células sanguíneas. También hemos demostrado que está muy estrechamente relacionado con las células que recubren la aorta, por lo que sabemos que su origen es correcto, y que prolifera”, explicó el profesor Nordon.
Los investigadores son cautelosamente optimistas sobre su logro en la emulación de afecciones cardíacas embrionarias con un dispositivo mecánico. Esperan que esto pueda ser un paso hacia la solución de los desafíos que limitan los tratamientos médicos regenerativos en la actualidad: la escasez de células madre de sangre de donantes, el rechazo de las células de tejido del donante y los problemas éticos que rodean el uso de embriones de FIV.
“Las células madre sanguíneas utilizadas en el trasplante requieren donantes con el mismo tipo de tejido que el paciente”, explica el profesor Nordon.
“La fabricación de células madre sanguíneas a partir de líneas de células madre pluripotentes resolvería este problema sin la necesidad de donantes compatibles con tejidos que proporcionen un suministro abundante para tratar cánceres de sangre o enfermedades genéticas”.
El Dr. Li agregó: “Estamos trabajando en la fabricación a escala de estas células utilizando biorreactores”.
Misterio resuelto
Mientras tanto, y trabajando independientemente dela Dra. Li y del Prof. Nordon, el profesor John Pimanda y el Dr. Vashe Chandrakanthan de UNSW Medicine &Health estaban haciendo su propia investigación sobre cómo se crean las células madre sanguíneas en los embriones.
En su estudio con ratones, los investigadores buscaron el mecanismo que utilizan naturalmente en los mamíferos para producir células madre sanguíneas a partir de las células que recubren los vasos sanguíneos, conocidas como células endoteliales.
“Ya se sabía que este proceso tiene lugar en embriones de mamíferos donde las células endoteliales que recubren la aorta se transforman en células sanguíneas durante la hematopoyesis", explicó el profesor Pimanda.“Sin embargo, la identidad de las células que regulan este proceso había sido hasta ahora un misterio”.
En su artículo, el profesor Pimanda y el Dr. Chandrakanthan describieron cómo resolvieron este rompecabezas identificando las células en el embrión que pueden convertir las células endoteliales embrionarias y adultas en células sanguíneas. Las células, conocidas como "células estromales PDGFRA+ derivadas de Mesp1", residen debajo de la aorta y solo la rodean en una ventana muy estrecha durante el desarrollo embrionario.
El Dr. Chandrakanthan dijo que conocer la identidad de estas células proporciona a los investigadores médicos pistas sobre cómo las células endoteliales adultas de mamíferos podrían activarse para crear células madre sanguíneas, algo que normalmente no pueden hacer.
“Nuestra investigación mostró que cuando las células endoteliales del embrión o del adulto se mezclan con 'células estromales PDGFRA+ derivadas de Mesp1', comienzan a producir células madre sanguíneas”, dijo.
Si bien se necesita más investigación antes de que esto pueda traducirse en la práctica clínica, incluida la confirmación de los resultados en células humanas, el descubrimiento podría proporcionar una nueva herramienta potencial para generar células hematopoyéticas injertables.
“El uso de sus propias células para generar células madre sanguíneas podría eliminar la necesidad de transfusiones de sangre de donantes o trasplante de células madre. Desbloquear los mecanismos utilizados por la naturaleza nos acerca un paso más al logro de este objetivo”, explicó el profesor Pimanda.
Referencias
Li J, Lao O, Bruveris FF, et al. Mimicry of embryonic circulation enhances the hoxa hemogenic niche and human blood development. Cell Rep. 2022;40(11). doi: 10.1016/j.celrep.2022.111339
Chandrakanthan V, Rorimpandey P et al.,Mesoderm-derived PDGFRA+ cells regulate theemergence of hematopoietic stem cells in thedorsal aorta. Nature Cell Biology volume 24, pages1211–1225 (2022). https://doi.org/10.1038/s41556-022-00955-3
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