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CIENCIA. El reto de la "quimera": desarrollo de animales con órganos humanos

 

La capacidad de desarrollar animales que tengan órganos humanos podría salvar la vida de las personas que esperan un trasplante, pero aún deben afrontarse cuestiones éticas. Fuente: Markos Kay

Corre el año 2036 y tienes insuficiencia renal. Hasta hace poco, esta condición significaba meses o años de diálisis agotadora, mientras que esperaba que surgiera un donante adecuado para proporcionarle riñones de reemplazo. Hoy, gracias a una nueva tecnología, vas a cultivar la tuya propia.

Un técnico recolecta una pequeña muestra de su sangre o piel y la lleva a un laboratorio. Allí, las células que contiene se separan, se cultivan y se tratan con diversos fármacos. El procedimiento transforma las células en células madre pluripotentes inducidas (iPS) que, al igual que las células de un embrión temprano, son capaces de generar cualquiera de los tejidos del cuerpo.

A continuación, el técnico selecciona un embrión de cerdo que ha sido diseñado para carecer de un gen necesario para hacer crecer los riñones e inyecta sus células iPS en él. Este embrión se implanta en una cerda sustituta, donde se convierte en un cerdo joven que tiene dos riñones que contienen sus células humanas. Con el tiempo, estos riñones se trasplantan a su cuerpo, lo que aumenta enormemente su esperanza de vida.

Este hipotético cerdo es una quimera: un animal compuesto por células derivadas de más de un huevo fertilizado. El nombre proviene de la quimera de la mitología antigua, en parte león, en parte cabra y en parte serpiente. Y, en este momento, un pequeño número de científicos está trabajando para hacer realidad el escenario renal anterior.

Entre ellos se encuentra Hiromitsu Nakauchi, biólogo celular de la Universidad de Stanford en California. Formado como inmunólogo, la investigación de Nakauchi se centró inicialmente en cómo evitar que el sistema inmunológico de los receptores rechazara los trasplantes. Pero una simple comprensión le hizo cambiar de dirección. "El principal problema no son los rechazos inmunológicos", dice, "sino la escasez de órganos de donantes".

La Organización Mundial de la Salud estima que ahora solo se satisface alrededor del 10% de la necesidad mundial de trasplantes de órganos. Esta situación es una motivación principal, y la base moral, para llevar a cabo la investigación de quimeras.

Los primeros trabajos de quimeras de Nakauchi fueron recibidos con consternación. "Yo era un científico loco hace diez años", dice. Hoy en día, piensa que la comunidad biomédica apoya ampliamente sus esfuerzos para producir órganos y tejidos clínicamente útiles mediante la fusión de células humanas y animales. Sin embargo, a medida que avanzan las tecnologías de las quimeras, las cuestiones éticas continúan girando, como lo indican las respuestas al informe sobre la producción de embriones quiméricos de mono y humanos .

Fabricando quimeras

Los científicos han injertado tejidos de una especie en otra durante siglos para mejorar la comprensión biológica. Muchas personas que caminan hoy en día pueden hacerlo solo porque sus corazones contienen válvulas extraídas de ovejas o vacas. Pero los trasplantes de células madre entre especies son una nueva frontera. En algunos casos, estas células proliferan y se integran con la especie huésped para producir lo que podría describirse como nuevos tipos de animales.

El crecimiento de órganos de una especie dentro de otra implica una técnica llamada complementación de blastocisto. Un blastocisto es la pequeña bola de células formada por las primeras rondas de división celular después de la fertilización. De estas células pluripotentes, emerge todo tipo de células del organismo maduro. Si se agregan células pluripotentes de otro miembro de la misma especie a un blastocisto, se desarrolla una criatura que está hecha de una mezcla de las dos poblaciones de células.

Cuando se agregan células madre de una especie diferente a un blastocisto, su contribución al animal maduro parece depender de la distancia evolutiva entre el huésped y el donante. Se ha demostrado que dos especies de ratones estrechamente relacionadas y dos especies de vacas forman quimeras fácilmente. Otras especies que también se combinan son ovejas y cabras, ratas y ratones, aunque menos. En el caso de ratas y ratones, las células del donante suelen contribuir con aproximadamente el 20% de las células adultas.

Las células del donante también pueden terminar en diversos lugares en los animales quiméricos resultantes; a menudo se mezclan con las células huésped en muchos tejidos, pero tienden a ser más frecuentes en algunas regiones que en otras. Cuando Nakauchi ingresó al campo a mediados de la década de 2000, intentó dirigir las células del donante a tejidos específicos. En 2010, después de reclutar finalmente a dos estudiantes dispuestos a emprender el proyecto incierto, su laboratorio produjo un documento histórico que describe el desarrollo de ratones que tenían páncreas compuestos por células de rata 1 .

La intervención crucial de los investigadores fue eliminar un gen del ratón huésped que se requiere para desarrollar un páncreas. Las células pluripotentes de un blastocisto generan los muchos tipos de tejidos del cuerpo al dividirse y diferenciarse, a través de la expresión de genes distintos, en varios linajes de células que forman tejidos particulares. En los mamíferos, el páncreas se crea a partir de un linaje que expresa de forma única el gen Pdx1 , por lo que cuando el laboratorio de Nakauchi eliminó este gen de los embriones de ratón, las células de ratón ya no pudieron convertirse en células del páncreas.

La esperanza de Nakauchi era que esto despejaría el camino para que las células de ratas donantes intervinieran, y eso es exactamente lo que sucedió. Un páncreas de células de rata (aunque con vasculatura derivada de ratón) creció hasta las dimensiones normales de un páncreas de ratón. En 2017, Nakauchi demostró que el proceso inverso también funcionaba, haciendo crecer páncreas de ratón en ratas 2 . Además, si los islotes pancreáticos de estos órganos de ratones cultivados en ratas se trasplantaron a ratones que tenían diabetes, corrigieron el control deficiente del azúcar en sangre.

Desde entonces, Nakauchi y otros han eliminado genes que son necesarios para el desarrollo de riñones, pulmones, ojos, hígado y otros órganos en ratones, y han demostrado que las células de rata también llenarán esos nichos. Sin embargo, lograr este resultado con huéspedes porcinos y células de donantes humanos requerirá más que esta única táctica.

Factores humanos

En 2013, Nakauchi demostró que eliminar el gen Pdx1 de los embriones de cerdo y complementarlos con células madre de cerdos donantes producía páncreas compuestos enteramente por células de donantes 3 . Sin embargo, la introducción de células iPS humanas en embriones de cerdo ha producido hasta ahora solo niveles muy bajos de formación de quimeras.

El refinamiento del tipo de célula iPS humana utilizada ha producido pequeñas ganancias. Pero la mayoría de los investigadores piensan que los cerdos y los humanos están relacionados tan lejanamente que existe una barrera fundamental para la formación de quimeras. La barrera probablemente se deba a las diferencias en el momento del desarrollo y en las vías de señalización que utilizan las especies relacionadas lejanamente.

Algunos de los esfuerzos más exitosos para superar esta barrera provienen de un laboratorio de la Universidad de Minnesota en Minneapolis, donde Mary Garry y su esposo Dan Garry, un cardiólogo de trasplantes, están trabajando en cerdos en crecimiento que tienen músculo humano y cerdos con vasculatura humanaEl último objetivo es crucial, porque un receptor de trasplante humano podría rechazar un órgano compuesto por sus propias células si contuviera vasos sanguíneos porcinos.

Habiendo eliminado los genes respectivos que los embriones de cerdo necesitan para desarrollar estos tejidos, los Garrys inyectaron células iPS humanas que habían sido modificadas genéticamente en una de dos formas para mejorar su supervivencia. En un caso, se eliminó un gen supresor de tumores que normalmente inhibe la división celular; en el otro, se sobreexpresó un gen que detiene la muerte celular programada.

Después de la gestación en los cerdos sustitutos durante 17 a 27 días, los embriones quiméricos contenían los inicios de tejidos musculares y hematológicos formados enteramente por células humanas.

Estas alteraciones genéticas no son la solución para el crecimiento de órganos humanos trasplantables en cerdos, porque las modificaciones podrían presentar importantes riesgos de cáncer para los receptores. El objetivo era realmente ver si se podía mejorar el quimerismo adoptando una especie de enfoque de mazo. El laboratorio ahora está analizando las células humanas supervivientes con la esperanza de desarrollar enfoques más sutiles para mejorar la formación de quimeras.

Una posible alternativa a la modificación de las células humanas, que tanto Nakauchi como los Garrys están explorando, sería modificar genéticamente las células huésped de manera que las coloquen en una desventaja de crecimiento en comparación con las células donantes. Otra es profundizar en la biología celular y las vías de señalización que están en juego cuando las células humanas del donante sobreviven en el embrión de otra especie, para idear estrategias para mantenerlas vivas en especies animales con las que las células humanas forman quimeras con menos facilidad.

Ésta fue la razón fundamental para el desarrollo de embriones humanos-mono del que se informó en abril 4 El equipo internacional de científicos que desarrolló estas quimeras argumentó que si el quimerismo exitoso es más probable con especies huésped y donante más estrechamente relacionadas, entonces las células humanas deberían sobrevivir mejor en embriones de mono que en embriones de cerdo.

Los investigadores introdujeron células madre humanas en embriones de mono macaco y mantuvieron estos embriones en cultivo. Dijeron que algunos embriones vivían hasta 19 días y que, en una pequeña minoría, las células humanas persistían en todo momento. Esto les permitió comprobar los perfiles de expresión génica de las células humanas para ver cómo respondían los genes al entorno del huésped del mono.

Aunque esta investigación se ajustó a rigurosas revisiones éticas en las instituciones anfitrionas, muchos comentaristas expresaron su malestar y cuestionaron su aceptabilidad. “Generaba una gran cantidad de esperanza y ansiedad”, dice Alfonso Martínez Arias, biólogo de células madre de la Universidad Pompeu Fabra en Barcelona, ​​España, que no trabaja con quimeras interespecies. Sin embargo, no está seguro de que alguna de las reacciones estuviera justificada. Martínez Arias se muestra escéptico sobre cuán saludables eran los embriones cultivados y hasta qué punto crecían células humanas sanas en ellos.

Un dialogo abierto

Los investigadores que intentan utilizar el quimerismo para producir un nuevo suministro de órganos trasplantables creen que la escasez de donantes de órganos justifica con creces su trabajo. Martínez Arias cree que esta necesidad podría satisfacerse únicamente modificando genéticamente a los cerdos para producir órganos porcinos que pudieran trasplantarse de manera segura a las personas. 

Pero los defensores del quimerismo enfatizan las ventajas de los órganos completamente 'humanizados', especialmente si los órganos están hechos de las propias células del receptor. Aunque los datos son escasos, una encuesta sugiere que una pequeña mayoría del público estadounidense apoya el desarrollo de órganos humanos en animales con fines de trasplante 5 .

A medida que avanza la tecnología, se presentarán más aplicaciones. Algunos usos de las quimeras podrían adoptarse rápidamente, como la detección de nuevos fármacos para detectar efectos secundarios hepatotóxicos en ratones con hígados humanizados. Sin embargo, otros usos requerirán un análisis más detallado de la ética involucrada.

Una aplicación propuesta que podría resultar problemática sería el uso de células iPS de personas con esquizofrenia, por ejemplo, para desarrollar neuronas corticales en cerebros de monos 6 . Aunque esta podría ser una herramienta útil para estudiar la afección, el crecimiento de neuronas humanas en la corteza de otro primate conlleva el riesgo de que esa criatura adquiera algo de cognición o autoconciencia similar a la humana. Algunas personas pueden ver eso como una razón para no realizar ese trabajo.

La posibilidad de este tipo de humanización cognitiva es quizás el aspecto más preocupante de la investigación de quimeras. Pero también existe preocupación por los animales quiméricos que producen gametos humanos. Por ejemplo, si estos animales pudieran producir esperma y óvulos humanos, existe el riesgo de que un embrión humano sea concebido en el útero de un animal, aunque actualmente existe una prohibición general de la reproducción de animales quiméricos. Podríamos tener problemas morales si se generaran animales que simplemente se parecieran más a los humanos, por tener piel o rostros similares a los humanos, por ejemplo.

Actualmente, la supervisión ética recae principalmente en los órganos de revisión institucionales locales. Sus decisiones sobre si un experimento es permisible generalmente se basan en las pautas elaboradas por la Sociedad Internacional para la Investigación de Células Madre (ISSCR), con sede en Skokie, Illinois, que se actualizaron en mayo por segunda vez desde 2007. 

Insoo Hyun, presidente del comité de ética de la ISSCR y bioético de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, y de la Universidad Case Western en Cleveland, Ohio, dice que las pautas intentan brindar consejos prácticos para que los investigadores y reguladores decidan si se deben permitir los experimentos actualmente viables. Al buscar la aprobación para un experimento individual, los investigadores no pueden justificarlo simplemente estableciendo un objetivo noble a largo plazo, como desarrollar riñones trasplantables o curar la esquizofrenia. En cambio, los especialistas en ética deben evaluar las ganancias plausibles de ese experimento específico.

Con este enfoque, los experimentos que involucran embriones quiméricos de humanos y monos (mantenidos fuera del útero por un corto tiempo) son aceptables si los investigadores pueden argumentar que tales experimentos proporcionarán información genuina sobre la señalización celular entre especies, lo que podría ayudar a superar los obstáculos para el crecimiento de tejidos humanos en el ganado.

Los investigadores que buscan utilizar quimeras para producir órganos trasplantables están adoptando varios enfoques para navegar por este complicado terreno ético, especialmente en lo que respecta al cerebro. En roedores o animales de ganado desarrollados para albergar órganos humanizados como los riñones o el páncreas, es muy poco probable que una pequeña cantidad de neuronas errantes den lugar a algo parecido a la cognición humana. 

Cuando los Garrys examinaron todos los embriones quiméricos humanos de cerdo de 27 días que produjeron, no vieron evidencia de neuronas (o gametos) humanos. Este hallazgo les ayudó a obtener la autorización de las juntas de revisión institucional para gestar los embriones durante 90 días (del período de gestación natural de 113-115 días de un cerdo). Sin embargo, Nakauchi y los Garrys también han optado por evitar generar quimeras mono-humano. Los Garry están estudiando la barrera ungulado-primate combinando blastocistos de cerdo con células iPS de macaco, y el grupo de Nakauchi está estudiando células de chimpancés o varias especies de monos en embriones de macacos.

“Tenemos que hacer todo lo posible para que esto sea lo más seguro y aceptable para la sociedad. Creo que esa es nuestra obligación como científicos ”, dice Mary Garry. Y ve la participación pública como una parte esencial de ese proceso. "A menos que tengamos un diálogo abierto al respecto", dice, "no vamos a entender cuáles son las preocupaciones".

Debería haber una deliberación democrática sobre con qué estamos de acuerdo y con qué no estamos de acuerdo. Con los Garrys esperando llevar a término las quimeras cerdo-humano en los próximos años, con Nakauchi presionando para que se apruebe hacer lo mismo con las quimeras ratón-humano, y con cada uno de ellos contemplando ensayos clínicos en unos cinco años, el momento para ese diálogo es ahora.

Fuentes:

1. Kobayashi, T. et al. Cell 142 , 787–799 (2010).

2. Yamaguchi, T. et al. Nature 542, 191–196 (2017).

3. Matsunari, H. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 110, 4557–4562 (2013).

4. Tan, T. et al. Cell 184, 2020–2032 (2021).

5. Crane, A. T. et al. Stem Cell Rep. 15, 804–810 (2020).

6. De Los Angeles, A., Hyun, I., Latham, S. R., Elsworth, J. D. & Redmond, D. E. Jr Methods Mol. Biol. 2005, 221–231 (2019).

7. Nature 597, S12-S14 (2021). doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-02624-1

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