Órganos crecidos en animales, ¿el futuro de los trasplantes?

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Rosario García

Imaginemos un futuro en el que la donación de órganos desaparece porque ha dejado de ser necesaria. Con una pequeña biopsia podemos generar un nuevo órgano completo y totalmente sano en un laboratorio. Además, sin el problema del rechazo en el trasplante por ser las propias células de la persona enferma. ¿Lo imaginas?

Todavía estamos muy lejos de que esta situación sea posible y se normalice, pero hay mucha gente que, más allá de soñar con ella, ya está trabajando para intentarlo.

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Generación de órganos humanos en animales a partir de células madre humanas. Piktochart. Rosario García – Genotipia

Primeros pasos: Nakauchi y sus páncreas híbridos

En 2017, Japón modificó sus leyes de experimentación animal, lo que acercó este “futuro” del que hablamos. Este cambio en la legisl

ación japonesa permitió al investigador Hiromitsu Nakauchi, y a los grupos de investigación que lidera de la Universidad de Tokio y de la Universidad Stanford, de California, realizar una serie de ensayos en ratas y ratones que no se podrían haber hecho antes.

La finalidad última de Nakauchi era, y sigue siendo, conseguir crecer células humanas en embriones de ratas y ratones, transferir estos embriones a otros animales y producir órganos de células humanas que pudieran ser trasplantados a humanos.

Nakauchi publicó, también en 2017, un artículo científico con los resultados de sus primeras investigaciones en el campo. Estas investigaciones definieron unos pasos experimentales a seguir para comprobar la viabilidad de la creación de órganos híbridos de dos especies. ¿Cómo lo hicieron? Mediante experimentos de complementación.

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Sabías que…. Experimentos de complementación. Los análisis de complementación se usan para determinar si las mutaciones recesivas se encuentran en el mismo gen o en genes diferentes. Los experimentos de complementación en levaduras se realizan mediante apareamientos de células haploides a y α que portan diferentes mutaciones recesivas para producir células diploides. A continuación, se somete a las células a unas condiciones permisivas y no permisivas. Las células que se hayan complementado entre sí sobrevivirán a las condiciones no permisivas. De este mismo modo funcionan los experimentos realizados tanto por el grupo de investigación de Nakauchi, como por el grupo de Izpisúa-Belmonte. Sólo sobrevivirán los embriones que hayan integrado sus células y las células implantadas. Piktochart. Rosario García – Genotipia

 

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Experimentos de complementación en levaduras. Piktochart. Rosario García – Genotipia

En primer lugar, los investigadores generaron ratas con un gen delecionado, de forma que naciesen sin páncreas. A continuación, para comprobar que el páncreas podría ser regenerado a partir de células madre, transfirieron células madre de rata a embriones de las ratas sin páncreas (con el gen delecionado). Las células madre de rata inoculadas se organizaron según las instrucciones del ambiente molecular en el que se encontraban, y así se convirtieron y desarrollaron en células pancreáticas.

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Primer paso de los experimentos de Nakauchi. Creación de ratas sin páncreas y regeneración del páncreas con células madre. Piktochart. Rosario García – Genotipia.

El siguiente paso fue la generación de páncreas híbridos de rata y ratón. Este proceso fue similar al anterior, excepto que las células madre que se utilizaron para que se convirtiesen en células pancreáticas fueron de ratón, no de rata. El resultado fueron ratas con páncreas híbridos, con células de rata y de ratón.

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Segundo paso en los experimentos de Nakauchi. Generación de un páncreas híbrido en ratas sin páncreas con células madre de ratón. Piktochart. Rosario García – Genotipia

El equipo de Nakauchi quiso comprobar, más allá de que los páncreas híbridos fueran funcionales en ratas, si las células madre de ratón usadas (ahora pancreáticas) podían trasplantarse desde una rata a ratones, y seguían siendo funcionales. Para llevar a cabo esta comprobación, la última parte del experimento consistió en trasplantar los islotes de Langerhans (que contienen las células beta que producen insulina) de los páncreas híbridos a ratones diabéticos.

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Último paso en los experimentos de Nakauchi. Trasplante de los islotes de Langerhans del páncreas híbrido de rata y a ratón a ratones diabéticos. Rosario García – Genotipia.

Los ratones trasplantados mantuvieron unos niveles de glucosa normales en sangre durante un determinado periodo de tiempo (370 días, sin inmunosupresión), como si nunca hubiesen tenido diabetes. De esta forma el trasplante de células de ratón de un páncreas híbrido de rata y ratón crecido en una rata, se pudo considerar exitoso. Por tanto, las conclusiones del experimento fueron que el quimerismo entre especies cercanas es posible y puede generar órganos funcionales que pueden ser trasplantados sin rechazo.

Un paso más: los embriones de cerdo de Izpisua-Belmonte

Tiempo después, el grupo de Juan Carlos Izpisua-Belmonte, investigador de la Universidad de Barcelona y del Salk Institute for Biological Studies, decidió dar un paso más. En 2018 llevaron a cabo otros experimentos en los que la técnica CRISPR-Cas9 fue la protagonista y las células de ratones y ratas fueron sustituidas por células de cerdos y humanas.

Nakauchi había demostrado anteriormente en otros experimentos que las células madre pluripotentes de especies relacionadas pueden convivir y dar lugar a un embrión viable. El grupo de Izpisúa-Belmonte repitió los experimentos de Nakauchi y generó vesículas biliares híbridas de células de rata y ratón.  Estos experimentos remarcaron la cualidad pluripotente de las células madre, puesto que ambos tipos de células, tanto las de ratón como las de rata, contribuyeron a la formación y desarrollo de la vesícula biliar del embrión. Todo ello pese a que se esperaba que las células madre de rata no participasen en este proceso, ya que las ratas no tienen vesícula biliar.

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Sabías que…. Células madre pluripotentes. Célula madre pluripotente es aquella capaz de generar (mediante su división y diferenciación) la mayoría de los tejidos del organismo. Las células madre pluripotentes inducidas son células diferenciadas de tejido adulto que han sido “reprogramadas” o des-diferenciadas para que vuelvan a la fase en la que eran pluripotentes, y así volver a actuar como células madre generadoras de tejido. Piktochart. Rosario García – Genotipia
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Diferenciación de células madre pluripotentes en diferentes tejidos. Transformación de células de tejido adulto en células madre pluripotentes inducidas que pueden volver a diferenciarse en diferentes tejidos. Piktochart. Rosario García – Genotipia

Después de repetir los experimentos de Nakauchi, el equipo de Izpisúa-Belmonte llevó a cabo experimentos de quimerismo, en los que a un blastocisto de una especie se le transfieren células madre de otra especie.  En esta ocasión, usaron las células madre pluripotentes de ratón que habían estado usando anteriormente, pero usaron blastocistos (embriones tempranos) de cerdo en vez de blastocistos de rata. Las células de ratón se inocularon al blastocisto de cerdo, el blastocisto se mantuvo in vitro hasta la formación de un embrión y luego el embrión se implantó en una hembra donante. En este caso, los fetos resultantes no se desarrollaron bien, tuvieron numerosos problemas o no presentaron quimerismo. Por ello, las conclusiones de este experimento fueron que ratones y cerdos son dos especies demasiado alejadas como para producir híbridos viables o con una gestación normal.

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Introducción de células madre de ratón en un blastocisto de cerdo e implantación del embrión híbrido a una madre donante. El feto no es viable. Piktochart. Rosario García – Genotipia

Los experimentos de quimerismo que realizó el equipo de Izpisúa-Belmonte también le sirvieron para establecer un método muy efectivo de transferir las células madre al blastocisto sin que éste colapsase por el hueco que provocaban las herramientas perforantes. El grupo de investigación recurrió a generar este hueco mediante láser, dañando únicamente a un número limitado de células y a la vez permitiendo la introducción de las células madre con una micropipeta.

El siguiente experimento que se desarrolló fue otro experimento de quimerismo, en el que se usaron células madre humanas y cerdos y ganado bovino, tanto como donantes de blastocistos, como receptores de los embriones generados. Así, del mismo modo anterior, se generaron quimeras de células madre humanas y cerdo, implantadas en cerdos; y de células madre humanas y ganado, implantadas en ganado.

El experimento permitió comprobar que las células madre humanas se incorpora ban y desarrollaban mejor en las quimeras de ganado que en cerdo. Este hecho demostraba, no sólo que la proximidad de las especies permite la formación de híbridos, sino que el ambiente de desarrollo del blastocisto también facilita la integración de las células humanas y el desarrollo de la quimera.

 

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Introducción de células madre humanas en un blastocisto de ganado bovino, e implantación del embrión híbrido en una madre donante. El feto es viable. Piktochart. Rosario García – Genotipia

El cerdo es una especie menos ideal para la integración de las células madre humanas, ya que, como se pudo comprobar, el número de fetos quiméricos viables que se produjo fue mucho menor que el de fetos quiméricos con ganado. Sin embargo, el resto de experimentos se realizaron con cerdos debido principalmente a que pueden tener gestaciones múltiples, es decir, un mayor número de embriones. Esto último es un requisito esencial para poder desarrollar experimentos con modelos animales de laboratorio.

Los embriones híbridos interespecíficos de humano y cerdo que se generaron con este método eran más pequeños de lo esperado, en ocasiones, con alteraciones o retrasos en su desarrollo. Este hecho probaba que las quimeras tenían un mejor pronóstico cuanto más relacionadas estuviesen las especies de las células que las conformaran. Algo que ya se pudo observar en los híbridos de rata y ratón que generó el grupo de investigación en un principio. Aquellos híbridos se desarrollaron con normalidad y vivieron el mismo periodo de tiempo que los ratones control, al ser rata y ratón dos especies muy cercanas.

 

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Introducción de células madre humanas en un blastocisto de cerdo e implantación del embrión híbrido en una madre donante. El feto es más o menos es viable. Piktochart. Rosario García – Genotipia

Por otro lado, hay que tener en cuenta que los blastocistos que había utilizado el equipo de Izpisua-Belmonte, de una especie u otra, habían sido modificados con la técnica de CRISP-Cas9 para introducir mutaciones que produjesen la pérdida o ausencia de desarrollo de algún tejido o parte de algún órgano. Este tipo de modificaciones se llevan realizando mucho tiempo y son experimentos de complementación. El equipo de Izpisúa-Belmonte introdujo la técnica de CRISPR-Cas9 como una técnica novedosa en la obtención de mutantes para los experimentos de complementación. Con esta técnica de CRISPR-Cas obtuvo mejores resultados.

Las modificaciones genómicas se hacen para facilitar la integración de las células madre de la otra especie utilizada, porque las células madre pueden reprogramarse y suplir la mutación, formando el tejido que falta (complementando al blastocisto). Además, también permite investigar cómo de buenas son estas células como tratamiento para enfermedades genéticas en las que uno o varios genes estén deleccionados y no realicen su función normal.

Las conclusiones de los experimentos realizados por ambos grupos son que el quimerismo entre especies es posible y es capaz de solucionar problemas genéticos. Pero la viabilidad del quimerismo es mayor cuanto más relacionadas están las dos especies con las que se forma el híbrido. Los investigadores de ambos grupos también añaden que estos experimentos abren la posibilidad de la creación de órganos para trasplantes humanos en animales, además de poder tener mejores modelos para hacer pruebas de nuevos fármacos destinados a humanos. Sin embargo, todavía se precisa de mucho estudio en este campo y nuevas legislaciones para que estas ideas, que podrían parecer ciencia ficción, sean, en un tiempo, una realidad.

Bibliografía

David Cyranoski. Japan approves first human-animal embryo experiments. (26 July 2019) Nature News. https://www.nature.com/articles/d41586-019-02275-3

Experimentos de complementación. Figura experimental 9-7. H. Lodish. Biología celular y molecular, 5ª edición. (2005), Editorial Médica Panamericana. Capítulo 9 Técnicas de genética molecular y genómica, página 558.

T. Yamaguchi et al. Interspecies organogenesis generates autologous functional islets. (2017) Nature. Volume 542, pages 191-196.

Wu J. et al. Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells. (2017) Cell. Volume 168, issue 3, pages 473-486.

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