Reproducción y fertilidad: ¿cómo podrían ayudar las células madre?

Hoja informativa Conocimientos generales sobre células madre

¿CÓMO PODRÍAN UTILIZARSE LAS CÉLULAS MADRE PARA PRODUCIR ÓVULOS Y ESPERMATOZOIDES?

Para muchos que no pueden tener un hijo biológico, debido a la ausencia de óvulos o espermatozoides o por ser defectuosos, las noticias en los periódicos sobre científicos que producen espermatozoides u óvulos a partir de células madre pluripotentes en el laboratorio tienen el potencial de cambiar este destino. Pero, ¿cuál es la ciencia detrás de estos titulares y cuáles son las limitaciones para seguir adelante? Esta lista de preguntas y respuestas resume los últimos avances en el tratamiento de los problemas de fertilidad y enfermedades genéticas con óvulos y espermatozoides producidos a partir de células madre pluripotentes.

¿QUÉ SON LAS CÉLULAS MADRE PLURIPOTENTES?

Las células pluripotentes dan lugar a todos los tipos de células que componen el cuerpo, desde los músculos, los nervios, las células de la piel, hasta los óvulos y los espermatozoides (ver Figura 1). Las células pluripotentes forman  parte de la masa celular interna (MCI) en embriones de 5 días, el estadío  utilizado en la fertilización in vitro (FIV), pero se pierden rápidamente cuando el embrión se implanta y se desarrolla. Las células pluripotentes no se pueden encontrar en fetos o adultos. Cuando las células pluripotentes ICM se cultivan fuera del embrión en el laboratorio, se las conoce como "células madre embrionarias" (CME). Las células madre embrionarias fueron la primera población de células madre pluripotentes (CMP) disponible para los investigadores, derivadas por primera vez a partir de embriones humanos en 1998.

En 2006, el investigador japonés Shinya Yamanaka mostró que las células de la piel del ratón podían convertirse en células madre pluripotentes, a través de un proceso conocido como "reprogramación". Estas células se asemejan a las células madre embrionarias y se denominaron células madre adultas pluripotentes inducidas (iPSC del inglés induced pluripotent stem cells). Estas células, como las células madre embrionarias, tienen el potencial de formar todos los tipos de células del cuerpo, incluidos los óvulos y los espermatozoides. La generación de células madre pluripotentes  inducidas fue revolucionario para el campo de las células madre y para la medicina en general, y recibió el Premio Nobel en 2012, solo 5 años después de que se obtuvieran  con éxito a partir de células humanas. Hasta ahora, las células madre pluripotentes inducidas se han generado a partir de muchos tipos de células, además de la piel, incluida la sangre, los folículos capilares y las células de la orina.

Reproduction graphic
Figura 1: Generación de iPSC v CME

 

¿PODEMOS HACER ÓVULOS Y ESPERMA A PARTIR DE CÉLULAS MADRE PLURIPOTENTES?

Sí, en ratones.  En humanos todavía no se ha logrado obtener óvulos o espermatozoides a partir de células madre pluripotentes humanas (PSC). Se han generado esperma y óvulos derivados a partir de células madre pluripotentes de ratón  de los que han nacido crías sanas y fértiles.

Dos investigadores de Japón han sido pioneros en esta tecnología; Katsuhiko Hayashi y Mitinori Saitou. En 2011, fueron los primeros en demostrar que los espermatozoides generados con PSC derivadas de ratones macho permitían que ratones infértiles tuvieran crías sanas y fértiles. Al año siguiente consiguieron generar óvulos a partir de PSC derivadas de ratones hembra, de los cuales también nacieron crías sanas y fértiles.

Si bien estos resultados son muy interesantes, hay algunas cosas que fueron fundamentales para su éxito ...

  • El tipo de célula inicial: después de la implantación del embrión, la masa celular interna se convierte en células del epiblasto. Algunas de estas células del epiblasto salen del embrión en desarrollo y se convierten en células germinales primordiales (CPG). Posteriormente, las CPGs vuelven a migrar al feto y se alojan en los ovarios o testículos, donde se convierten en óvulos o espermatozoides, respectivamente. Si bien algunos investigadores han conseguido la generación de células similares al epiblasto (Rathjen 1999, Tesar 2007, Brons 2007), Hayashi y sus colegas demostraron que estas células madre de Epiblasto (Epi-SC del inglés Epi- Stem cells) no son muy eficaces en la generación de CPGs. En su lugar, desarrollaron células similares a células del epiblasto (Epi-LC del inglés Epiblast-like cell), un nuevo tipo de célula de epiblasto, derivadas a partir de células madre embrionarias de ratón, que generan más eficazmente CPGs y, posteriormente óvulos o espermatozoides.
  • La pureza del tipo de células: cuando se convierten células madre pluripotentes en tipos de célula específicas, es difícil lograr que cada célula madre pluripotente responda exactamente igual. Esto puede conducir a la producción de tipos de células que necesariamente no deseas, por ejemplo, en el caso de Hayashi y sus colegas, células que forman tumores o células que no forman óvulos y espermatozoides. Por ello, la purificación de CPGs es fundamental para eliminar esos tipos de células no deseadas.
  • Un requisito para la maduración in vivo: mientras que en ambos estudios se produjeron crías sanas y fértiles, el proceso de producción de óvulos y espermatozoides maduros y funcionales requirió el trasplante a los ovarios o testículos de ratón, respectivamente. Descubrir cómo el ovario/testículo da lugar a esta maduración será importante para poder madurar CPGs en el laboratorio, minimizando así procedimientos invasivos y arriesgados.

 

¿CUÁLES SON LAS BARRERAS ACTUALES PARA PODER GENERAR ÓVULOS Y ESPERMA DE CÉLULAS MADRE PLURIPOTENTES HUMANAS?

Si los óvulos y los espermatozoides pudieran fabricarse a partir de células adultas, mediante la tecnología de células madre pluripotentes inducidas, las aplicaciones para las personas que luchan contra la infertilidad o con la posibilidad de transmitir enfermedades genéticas serían extensas. Actualmente, existen tres barreras principales para poder llegar a aplicar el proceso utilizado en los estudios de ratones a humanos:

  1. Generar CPGs con alta eficiencia y sin usar tejidos fetales
  2. Asegurarse de que estas CPGs humanas produzcan óvulos y espermatozoides, pero no tumores
  3. Averiguar cómo madurar CPGs humanas a óvulos y esperma en el laboratorio para evitar el trasplante a personas, evitando tanto los procedimientos invasivos como el riesgo tumoral

Recientemente, un estudio británico en humanos  consiguió la generación de CPGs con una eficacia bastante alta, ~ 40% de células tipo CPG, en ausencia de tejidos fetales. También lograron encontrar una manera de purificar esta población humana de células tipo CPGs para evitar tumores. Además, no fue necesario realizar ningún procesamiento alternativo para madurar o trasplantar estas células. Por tanto, este estudio ha logrado resolver las barreras 1 y 2.

Al mismo tiempo, en investigaciones en ratones se está tratando de averiguar cómo madurar CPGs sin necesidad de usar tejidos de ovario/testicular o trasplante (barreras 1 y 3). Se han logrado generar crías sanas y fértiles a partir de espermatozoides producidos completamente in vitro, pero utilizando tejido testicular de 2-8 días de edad. Del mismo modo, Saitou y Hayashi, han demostrado que las células de ratón tipo CPG se pueden transformar en óvulos funcionales y maduros in vitro, sin duda en base a los hallazgos en el mismo instituto para la maduración in vitro de las CPGs.

¿PODRÍAMOS HACER ÓVULOS DE CÉLULAS MASCULINAS O ESPERMA DE CÉLULAS FEMENINAS?

Por el momento no hay evidencia en mamíferos de que los espermatozoides se puedan producir a partir de células femeninas u óvulos de células masculinas. Esto es sorprendente teniendo en cuenta la gran cantidad de investigaciones llevadas a cabo durante décadas en el desarrollo de gametos y la determinación sexual. Desafortunadamente, y a pesar de los descubrimientos de Hayashi en 2011-2012, la ciencia todavía está muy por detrás poder llegar a dar lugar a este fenómeno descrito por medios sensacionalistas como la posibilidad de la reproducción entre personas del mismo sexo.

¿Qué evidencia tenemos a favor o en contra de que ésto sea posible?

Evidencias de la posibilidad de producción de óvulos a partir de células XY (masculinas) o espermatozoides de células XX (femeninas):



Existen un par de estudios que sugieren que la maduración de células germinales primordiales en un entorno mixto XX/XY podría permitir la producción de óvulos a partir de células XY (masculinas) (Ford 1975, Evans 1977). Sin embargo, estos estudios han sido difíciles de interpretar y no han tenido continuación en los últimos 40 años, sugiriendo que parte de los estudios no han funcionado como se esperaba. Más recientemente hubo un par de publicaciones que mostraron producción de células parecidas a óvulos a partir células pluripotentes de ratón macho (Hubner 2003, Qing 2007), pero en la última década no se ha logrado la generación de crías usando estos métodos, lo que también sugiere que la tecnología no ha funcionado. Por lo tanto, en esta etapa hay pocas evidencias sólidas  indicando la producción de óvulos de células XY (masculinas) yninguna evidencia indicando la producción de espermatozoides a partir de células XX (femeninas).

Evidencias en contra del logro de la producción de óvulos de células XY (masculinas) o espermatozoides de células XX (femeninas):

Décadas de investigación sobre la formación de gametos y la determinación sexual en mamíferos muestran que no es posible formar óvulos a partir de células con genes del cromosoma Y o espermatozoides de células sin ellos (revisado en Taketo 2015). Estos estudios sostienen que la producción de espermatozoides de células XX (femeninas) u óvulos de células XY (masculinas) no es posible. Por otro lado, la barrera natural para el logro del desarrollo de individuos sanos es evidente en la existencia de trastornos cromosómicos sexuales humanos asociados con la esterilidad, incluyendo;

  • Mujeres XY - Síndrome de Swyer
  • Hombres XX - Síndrome de la Chapelle
  • Hombres XXY - Síndrome de Klinefelter
  • Mujeres XO - Síndrome de Turner

No obstante, hay que tener en cuenta que la mayoría de estos estudios analizan las condiciones en las que los óvulos/espermatozoides y los ovarios/testículos tienen una genética disfuncional. Pero ¿qué sucedería si células CPG XY sanas se colocan en un ovario XX sano. o células CPG XX sanas en un testículo saludable? Este experimento aún no se ha llevado a cabo, sin embargo puede realizarse utilizando los métodos de Hayashi discutidos anteriormente.

¿SE CONSIDERA LA CREACIÓN DE UN EMBRIÓN A PARTIR DE UN ESPERMA Y UN ÓVULO DEL MISMO INDIVIDUO CLONACIÓN?

No. Si es posible hacer óvulos y espermatozoides del mismo individuo para producir un embrión, las posibilidades de que el embrión sea genéticamente idéntico al "padre/madre" son extremadamente pequeñas.

Los óvulos y los espermatozoides hechos de células madre pluripotentes (PSC) tendrían una mezcla aleatoria de cromosomas de la madre y el padre y un total de 23 cromosomas. La fusión de forma aleatoria de los cromosomas de los óvulos con los cromosomas de los espermatozoides significa que, estadísticamente, miles de millones de niños necesitarían ser producidos por este método para producir un bebé genéticamente idéntico. Esto es debido al poder de la mezcla de cromosomas en la producción de óvulos y espermatozoides, lo que significa que sus padres necesitarían tener billones de niños para terminar estadísticamente con un clon.

La clonación implica coger la información genética de una célula adulta de un solo donante (46 cromosomas) y trasplantarla a un óvulo al que se le ha eliminado su material genético. El embrión resultante es una copia genética exacta del donante. La clonación con fines reproductivos está prohibida en todo el mundo.

¿CÓMO PODRÍAN EVITARSE LAS ENFERMEDADES GENÉTICAS USANDO ÓVULOS Y ESPERMATOZOIDES DERIVADOS DE CÉLULAS MADRE PLURIPOTENTES?

Para las parejas que tienen una enfermedad genética o un niño con una enfermedad genética, actualmente solo hay una forma de evitar activamente la implantación de un embrión portador de dicha enfermedad; Diagnóstico genético pre-implantacional (DGP). Este proceso involucra FIV y la eliminación de 4-5 células del trofoectodermo (ver Figura 1), que son las células que van a formar placenta, membranas amnióticas, etc. durante el embarazo. Estas células se secuencian  genéticamente para la mutación de la enfermedad y el embrión que dé negativo para la enfermedad puede re-implantarse en la madre. Dependiendo de la enfermedad, a menudo se necesitarán múltiples rondas de FIV para obtener un embrión y un bebé saludable.

No es posible realizar pruebas genéticas de óvulos y espermatozoides antes de la fertilización, ya que para analizar el ADN de estas células con las técnicas actuales sería necesario destruirlas.



Pruebas recientes han intentado utilizar la tecnología de modificación de ADN conocida como CRISPR/Cas9 para editar directamente la composición genética del embrión fertilizado (Liang 2015, Ma 2017, Fogarty 2017).

Actualmente, esta tecnología afecta partes del ADN de forma no dirigida, requiere muchos embriones y plantea muchos problemas éticos. Por estas razones, es poco probable que la modificación genética de embriones se use alguna vez en lugar del estándar diagnóstico genético pre-implantacional.

La producción de óvulos y espermatozoides a partir de células madre pluripotentes (PSC) proporcionará una valiosa fuente de células para las correcciones genéticas. Su capacidad de crecimiento en el laboratorio significa que se tendrían muchas células para verificar que la enfermedad ha sido corregida y muchas más que se convertirían en óvulos y esperma. Hay algunas formas mediante las que la enfermedad genética podría corregirse en células madre pluripotentes, entre ellas;

  • CRISPR/Cas9: se añadiría o eliminaría regiones de ADN para corregir la mutación de la enfermedad. Luego se seleccionarían y cultivarían las células con la corrección genética, lo que significa que todos los óvulos y espermatozoides resultantes producidos a partir de estas PSC corregidas no transmitirían la enfermedad. Las mutaciones generadas como fallo de la técnica  también se pueden probar antes de la producción de óvulos y espermatozoides.
  • Para las enfermedades en mosaicismo (enfermedades que no afectan a todas las células), las células madre pluripotentes individuales que no portan la enfermedad podrían identificarse y cultivarse para la posterior producción de óvulos y espermatozoides.
  • Eliminación de cromosomas adicionales: un estudio reciente llevado a cabo por Saitou ha eliminado con éxito cromosomas adicionales de células pluripotentes y éstascélulas han dado lugar a ratones sanos. Este mismo equipo de investigación también corrigió el número de cromosomas en iPSCs humanas derivadas de pacientes con síndrome de Down y  Klinefelter XXY. Esto podría aplicarse a trastornos humanos con cromosomas adicionales (Klinefelter, síndrome de Down, síndrome de Patau, síndrome de Edward) o a personas "sanas" que producen muchos óvulos/espermatozoides con problemas de adición o eliminación esporádica de cromosomas, que ocurren más comúnmente durante el envejecimiento.

Es poco probable que estas tecnologías de corrección genética se utilicen para evitar enfermedades genéticas como el estándar actual diagnóstico genético pre-implantaciona,l ya que es actualmente más económico y sencillo.

Agradecimientos:

La versión original de esta página informativa fue creada por Heather Main y revisada por Megan Munsie, con aportes expertos de Amander Clark.

Traducida al español por Sandra Blanco.

Actualizado por: Heather Main