Las posibles terapias con células madre a menudo están limitadas por la baja supervivencia de las células madre trasplantadas y por la falta de control preciso sobre su diferenciación en los tipos celulares necesarios para reparar o reemplazar tejidos lesionados. Un equipo dirigido por David Mooney, miembro del cuerpo docente principal del Instituto Wyss de Harvard, ha desarrollado ahora una estrategia que ha mejorado experimentalmente la reparación ósea al aumentar la tasa de supervivencia de las células madre trasplantadas e influir en su diferenciación celular. El método incorpora células madre en hidrogeles porosos y trasplantables.
Además de Mooney, el equipo incluyó a Georg Duda, miembro asociado del cuerpo docente del Instituto Wyss y director del Instituto Julius Wolff de Biomecánica y Regeneración Musculoesquelética de la Charité – Universitätsmedizin de Berlín, y a Donald Ingber, director fundador del Instituto Wyss. El equipo publicó sus hallazgos en el número de hoy de Nature Materials. Mooney también es catedrático Robert P. Pinkas Family de Bioingeniería en la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.
Las terapias con células madre tienen potencial para reparar muchos tejidos y huesos, o incluso para reemplazar órganos. Hoy en día se pueden generar en laboratorio células madre específicas de cada tejido. Sin embargo, independientemente de lo bien que crezcan en el laboratorio, las células madre deben sobrevivir y funcionar adecuadamente tras el trasplante. Lograr que así suceda ha sido un gran desafío para los investigadores.
El equipo de Mooney y otros investigadores han identificado señales químicas y físicas específicas del nicho de células madre (el área en la que las células madre sobreviven y prosperan con el apoyo de otros tipos celulares y factores ambientales) que promueven la supervivencia, la multiplicación y la maduración de las células madre en tejido. Mientras que las señales químicas que controlan el comportamiento de las células madre se comprenden cada vez mejor, se sabe mucho menos sobre las propiedades mecánicas de los nichos de células madre. Sin embargo, se ha descubierto que las células madre como las presentes en el hueso, el cartílago o el músculo, cultivadas en laboratorio, poseen mecanosensibilidad, lo que significa que requieren un sustrato físico con elasticidad y rigidez definidas para proliferar y madurar.
“Hasta ahora, estas influencias físicas no se habían aprovechado de manera eficiente para impulsar procesos de regeneración en el mundo real”, dijo Nathaniel Huebsch, estudiante de posgrado que trabajó con Mooney y primer autor del estudio. “Basándonos en nuestra experiencia con células madre mecanosensibles, planteamos la hipótesis de que los hidrogeles podrían aprovecharse para generar las señales químicas y mecánicas adecuadas en un primer modelo de regeneración ósea”.
Dos hidrogeles llenos de agua, con propiedades muy diferentes, son la clave del método del equipo de Mooney. Un “gel en masa” más estable y de mayor duración se llena de pequeñas burbujas de un segundo tipo de “porógeno”, denominado así, que se degrada a un ritmo mucho más rápido y deja tras de sí cavidades porosas.
Al acoplar el gel en masa con un pequeño “péptido” derivado del entorno extracelular de nichos de células madre genuinos, y al mezclarlo con un tipo de célula madre específico de tejido, así como con el porógeno, el equipo puede crear un nicho artificial que forma hueso. Mientras que el gel en masa aporta justo la elasticidad adecuada, además de una señal química pertinente para incitar a las células madre a proliferar y madurar, el porógeno se descompone gradualmente, dejando espacios abiertos en los que las células madre se expanden antes de migrar de forma natural fuera de la estructura del gel para formar tejido óseo mineralizado auténtico.
En experimentos con animales pequeños realizados hasta la fecha, los investigadores demuestran que un hidrogel con formación de huecos y con las propiedades químicas y elásticas correctas proporciona una mejor regeneración ósea que el trasplante de células madre por sí solo. Cabe destacar, además, que las células madre en maduración liberadas por el hidrogel también inducen a las células madre nativas cercanas a contribuir a la reparación ósea, amplificando aún más sus efectos regenerativos.
“Este estudio es la primera demostración de que las propiedades físicas de un biomaterial no solo pueden ayudar a administrar células madre, sino también modular su comportamiento in vivo”, dijo Mooney. “Aunque hasta ahora nos hemos centrado en orquestar la formación ósea, creemos que nuestro concepto de hidrogel puede aplicarse ampliamente a otros procesos regenerativos también”.
El trabajo colaborativo e interdisciplinario contó con el respaldo del Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales (MRSEC) de la Universidad de Harvard, financiado por la National Science Foundation (NSF).
“Esta es una magnífica demostración del gran impacto de los programas MRSEC”, dijo Dan Finotello, director de programa de la NSF. “Los MRSEC reúnen a varios investigadores de experiencia diversa y conocimientos complementarios, que así pueden avanzar en la ciencia a un ritmo considerablemente más rápido”.
Recibieron financiación adicional de los Institutos Nacionales de la Salud; la Belgian American Education Foundation; la Einstein Foundation Berlin; la Berlin-Brandenburg School for Regenerative Therapies; el Programa de Investigación de Harvard College; y becas NSF Graduate Research, Einstein Visiting, Harvard College PRISE, Herchel-Smith y Pechet Family Fund.
Este artículo se publica en colaboración con Harvard Gazette. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde los puntos de vista expresados.
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Autores: Benjamin Boettner y Kat J. McAlpine trabajan en el área de comunicación del Instituto Wyss.
Imagen: Miko Kapidzic, especialista en células madre extraembrionarias, trabaja en el Eli and Edythe Broad Center of Regeneration Medicine and Stem Cell Research de la Universidad de California San Francisco, en San Francisco, el 10 de marzo de 2009. REUTERS/Robert Galbraith
