¿Células madre para tratar la acondroplasia?

Traducción: Google Translator, con revisión del Autor.

Palabras clave

El Blogger ofrece algunas estadísticas sobre los visitantes de este blog, como el país donde se originó la investigación, artículos leídos, que motores de búsqueda se utilizaron para encontrar el blog y los artículos y, por último, las palabras clave utilizadas en estas busquedas. Es fácil entender que acondroplasia, FGFR3, CNP, BMN -111, placa de crecimiento, " tratando" y un montón de combinaciones de estas expresiones son las más comunes entre ellas. Por supuesto, siempre están en la mente de las personas que piensan en el presente y futuro de los niños con acondroplasia.

Más recientemente, ha habido un aumento en la incidencia de palabras clave como "terapia genética" o "terapia de células madre" y "acondroplasia", que creo que está influenciada por la exposición constante a los periódicos o la televisión. Hemos hablado brevemente acerca de cómo todavía no hay terapia genética publicada para la acondroplasia en este artículo anterior del blog. Creo que este artículo es la razón para el blog aparezca en las búsquedas relacionadas.

Por el contrario, tengo curiosidad por entender por qué búsquedas con "células madre" como palabra clave llegan a este blog, ya que nunca he hablado de esto antes. Sin embargo, las células madre son, de hecho, el centro de atención como una técnica para la sustitución de tejido dañado, la reconstrucción de órganos y estructuras del cuerpo, rescatar un cerebro enfermo y así sucesivamente. Teniendo en cuenta el interés de estos últimos desarrollos, pensé que podría ser útil para hablar de ello. Sin embargo, como hemos visto en todas las estrategias posibles para la acondroplasia comentadas aquí, todo lo relacionado con células madre (SC) es complejo, también. Por lo tanto, es importante que el lector comprenda que este artículo es sólo una visión general del tema.

Es natural preguntarse

Cuando leemos en los medios de comunicación acerca de los increíbles avances científicos, como las terapias con SC, solemos preguntarnos si podrían ser aplicadas en situaciones que nos son familiares. Por lo tanto, es probable que una persona con paraplejia (parálisis de las piernas) buscará cualquier información sobre las nuevas terapias SC tratando de reconstruir los nervios dañados de la columna vertebral, o alguien con un corazón muy enfermo le gustaría saber que hay instituciones que trabajan con implantes de SC para hacer un nuevo músculo cardíaco para rescatar el corazón severamente infartado.

Antes de seguir leyendo esto, haga una simple busqueda en Google: paraplejia + terapia con células madre. Va a recuperar miles de fuentes sobre el tema, incluyendo artículos científicos, artículos de prensa, blogs, vídeos, etc. Lo mismo ocurre con la enfermedad de Parkinson o el infarto de miocardio o para muchas otras condiciones que se consideran tratables con el reemplazo de células. En este artículo (en Inglés) en la Wikipedia se describen muchos de ellos. Bueno, se puede asociar con rapidez: ¿con tantas aplicaciones posibles, podemos usar SC para rescatar a la alteración en el crecimiento óseo en la acondroplasia?

¿Qué es una célula madre? Y,  podría ser utilizada en la acondroplasia ?

Para entender si las células madre podrían utilizarse en la acondroplasia es bueno revisar algunos conceptos, comenzando por la comprensión de lo que estas células son.

Las células madre son células no diferenciadas que tienen la propiedad de convertirse en células especializadas, dependiendo del tipo de estimulación que reciben. Para indiferenciado puede entender que no llevan uniforme, por lo que pueden llegar a ser en teoría la policía (leucocitos) , camioneros (eritrocitos), constructores (osteoblastos), electricistas (neuronas), protectores (células que cubren las superficies, tales como las células epiteliales de la piel y de la mucosa), motores (células musculares o miocitos) o cualquier "trabajador" en el cuerpo (Figura 1).

Figura 1. Las células madre.

From Mayo Clinic News Blog

Pero, ¿cómo sucede esto? ¿Como una célula sin identidad puede convertirse en cualquier otra de las muchas células especializadas que trabajan en el cuerpo? Cada uno de los billones de células (1) en el cuerpo vivo tienen el mismo código genético (DNA). Sin embargo, cada célula está especializada precisamente porque sólo una pequeña parte de los miles de genes en su DNA está activa. Es la combinación de los genes activos en una célula que hace que sea el tipo de célula que es. Entonces, ¿cómo una célula sabe qué genes deben activarse en un contexto o ambiente particular? Los científicos han descubierto que la exposición a ciertas combinaciones de proteínas o factores en un dado intervalo de tiempo puede activar ciertos genes en las células madre, haciendo que ellas se conviertan en el tipo de células que desean. Lo aprendieron esto mediante el estudio del crecimiento de un organismo a partir de su primera división celular embriónica (Figura 2).

Figura 2. Ejemplo de desarrollo embrionario.

 

de Marten Postma Science webpage

La investigación ha avanzado mucho. El conocimiento actual clasifica las SC en al menos tres categorías, aunque se puede encontrar más clasificaciones, dependiendo de la fuente. Este artículo de la Wikipedia (en Inglés) tiene una lista con más sub-tipos de células madre, en función de su flexibilidad en la generación de células especializadas, pero los principales tipos son los siguientes:

• Células madre totipotentes (TSC);
• Células madre pluripotentes (PSC);
• Células madre multipotentes (MSC).

Aunque las raíces de estos nombres indican básicamente una capacidad similar (toti, pluri, multi), cada una de ellas tiene diferentes propiedades. Por ejemplo, TSC incluyen sólo las primeras 16 celulas de un nuevo embrión. Estas son las únicas células capaces de generar organismos enteros, incluyendo algunos tejidos embrionarios adicionales, tales como la placenta. (2) Las PSC también se obtienen a partir del embrión temprano, y pueden generar todos los tipos de células, pero no son capaces de crear la placenta. (2) Hoy en día, también es posible crear las PSC partir de células adultas, utilizando una técnica compleja de activación de genes. (3) Las células resultantes se denominan PSC inducidas (iPSC). Las MSC son generalmente las células madre recogidas de tejidos adultos que mantienen la capacidad de convertirse en células especializadas del tejido donde vienen. Estas son las células que permiten que el tejido o órgano reemplazar las células muertas o curar una herida.

Desafíos para terapias con células madre

Parece que se puede recoger algunas células, ponerlas en una placa de cultivo, añadir algunos productos como en una receta de galletas y ¡wow!, Ahí está el nuevo tejido, ¿no es así? Sería bueno si fuera tan simple. Los científicos se esfuerzan mucho para encontrar la fórmula adecuada para inducir las MSC para convertirse en osteoblastos, miocitos, neuronas, células epiteliales o condrocitos. Muchos experimentos muestran que es posible generar estas células, pero hay retos que superar antes de que puedan ser utilizados en las terapias, entre ellas: que se mantengan en la nueva forma, logren a encontrar su camino hacia el tejido diana (delivery), hacerlas encontrar el lugar adecuado en el tejido diana o un lugar para asentarse, asegurarse de que hagan lo que se planeó para ellas después de establecerse, mantenerlas en la actividad prevista por los investigadores después de todo.

¿Placas de crecimiento derivadas de las células madre?

Ahora, imagina las dificultades para llevar a cabo todas estas tareas en el contexto de la placa de crecimiento. En primer lugar, hay más de un tipo de condrocito. Los condrocitos del cartílago de crecimiento y del cartílago articular son parientes cercanos, pero no se comportan exactamente de la misma manera. ¿Cuál sería la correcta combinación de factores para inducir las SCs para convertirse en condrocitos del cartílago de crecimiento?  
Esta es una buena pregunta, porque la mayoría de la investigación en esta área está dirigida al cartílago articular, un hecho que también tiene una buena explicación.

La osteoartritis es cada vez más común con el envejecimiento de la población y, en consecuencia, una creciente preocupación de salud pública. Por lo tanto, ha habido un montón de investigación en técnicas para reparar una articulación enferma con tejido nuevo o para crear una nueva articulación orgánica para sustituir a la antigua con SCs.

Imaginemos un escenario plausible. Tiene 55 años y solía ser una persona muy activa. Sigues trabajando como CEO de su compañía, pero hay algo mal, usted sufre de dolor continuo en la rodilla, lo que le impide salir a caminar o hacer ejercicio. Su médico le ofrecerá el reemplazo de su menisco, utilizando sus propias SCs. El laboratorio desarrollará un nuevo menisco y en unas pocas semanas, el médico reemplazará el menisco dañado por un nuevo. Hoy en día, sigue siendo la futurología, pero es un ejemplo probable de lo que podría suceder en un futuro no muy lejano. Sólo tienes que buscar en la literatura para encontrar una serie de iniciativas en la reconstrucción del cartílago articular con SC.

Echemos un vistazo a este otro ejemplo. Claro, alguien podría desarrollar condrocitos del cartílago de crecimiento de un individuo con acondroplasia, con el gen del receptor de factor de crecimiento de fibroblastos tipo 3 ( FGFR3) normal (recuerde, usted tendrá que eliminar el gen mutante). Piensa en cómo estas nuevas células hacen para "expulsar" las viejas y tomar sus lugares. Usted puede haber leído este artículo en el blog antes o aprendido de otra fuente que la placa de crecimiento no es exactamente una carretera. En contraste, la placa de crecimiento se construye como una estructura muy bien protegida y generalmente estructuras grandes, y las células son grandes, muy probablemente no serían capaces de entrar allí.

Además, no sólo hay una placa de crecimiento en el cuerpo. Cada uno de los huesos largos tiene dos frentes de crecimiento en los sus extremos y los otros huesos de un niño en crecimiento también tienen sus propias placas de crecimiento. Por lo tanto, la simple inyección de condrocitos procedentes del SCs en el cuerpo no es una certeza de éxito. Ellos tienen muchos objetivos que deben alcanzar, una tarea muy compleja de lograr. Podrían perderse y asentarse en algún lugar equivocado.

Bien, entonces, inyecciones de SCs, inducidas o no, no son la solución. ¿Cómo podemos aplicar condrocitos cultivados adecuadamente para lograr el objetivo de restaurar el crecimiento óseo en la acondroplasia? Se puede reproducir el andamio representado por la matriz del cartílago, y hacer crecer condrocitos en su interior. (4) Esto podría replicar la placa de crecimiento natural.

Pero, entonces, ¿cómo hacer esta estructura llegar a los huesos? Si se crean las placas de crecimiento en el laboratorio, alguien tendrá que pensar en una forma de sustituir las placas de crecimiento enteras dentro del cuerpo, o por lo menos, de las de los huesos de interés. Habría que realizar cirugías en todos los huesos de destino, algo que suena un poco difícil después de toda la tecnología aplicada.

Sin embargo, esto es sólo un desafío. Los condrocitos en la placa de crecimiento siguen un concierto muy complejo de instrucciones químicas, que se dan a través de moléculas procedentes de los alrededores (por ejemplo: CNP) o de lejos (por ejemplo: GH, PTH). ¿Cómo sería la interacción entre la placa de crecimiento recién implantado con este programa orquestada? Y, para que sea aún un poco más complicado, los condrocitos de la placa de crecimiento crecen en una sola dirección. ¿Cómo podemos estar seguros de que el implante se inserta en la posición correcta? Un interesante estudio reciente ha demostrado las consecuencias de una placa de crecimiento mal re posicionada. (5) ¿Cómo podemos estar seguros de que el implante se insertó en la posición correcta?

Muchas estrategias a la mano

Dado el conocimiento actual en este campo, hoy me parece que es demasiado riesgo para un solo error en un solo gen. Dado el conocimiento actual en este campo, Con la tecnología disponible parece más fácil de trabajar en otros frentes. Existen varios enfoques posibles, pero factibles para rescatar el crecimiento de los huesos en la acondroplasia, y la mayoría de ellos ya se han revisado en este blog.

Es decir, una o más terapias potenciales para la acondroplasia ya podrían estar disponibles ahora. Desde detener un FGF de activar el señal del receptor, incluso con el bloqueo de anticuerpos, aptámeros, o pequeñas moléculas, o con el "silenciamiento" del gen FGFR3 mutado con RNAs de interferencia o morfolinos, o compensar los efectos del receptor workaholic con otros compuestos, como el CNP (BMN -111 es un ejemplo), hay varias estrategias a la espera de ser exploradas. Sin embargo, todavía se encuentran en los laboratorios porque no hay suficiente inversión para desarrollarlas.

Pudes revisar algunas de las estrategias mencionadas anteriormente haciendo clic en el botón Español en la parte superior de la página del blog.


Referencias

1. Bianconi E et al. An estimation of the number of cells in the human body. Ann Hum Biol 2013 Jul 5. [Epub ahead of print]. (doi:10.3109/03014460.2013.807878).

2. Laboratório Nacional de Células-tronco Embrionárias - Rio de Janeiro. Células-tronco, o que são? Universidade Federal do Rio de Janeiro. Visited in 25 August 2013. (Portuguese) (What are stem cells? Federal University of Rio de Janeiro; free translation).

3. Takahashi K et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell 2007;131(5):861-72. (Free access).

4. Elder S et al. Attachment, proliferation, and chondroinduction of mesenchymal stem cells on porous chitosan-calcium phosphate scaffolds. Open Orthop J 2013;7:275-81. (doi: 10.2174/1874325001307010275). (Free access).

5. Hadju et al. Growth potential of different zones of the growth plate — an experimental study in rabbits. J Orthop Res 2012; 30:162-8.

Stem cell therapy for achondroplasia?

Keywords

Blogger offers some statistics about the visitors of this blog including the country from where the search was originated, read articles, which search engines were used to find the blog and the articles and, finally, the keywords used in those searches. It is easy to understand that achondroplasia, FGFR3, CNP, BMN-111, growth plate, “treating” and a lot of combinations of these expressions are the most common among them. Naturally, they are in the mind of people who think about the present and future of children with achondroplasia.

More recently, there has been an increasing incidence of keywords using expressions like “gene therapy” or “stem cell therapy” and “achondroplasia”, which I think is triggered by the constant news we have been frequently reading in newspapers or watching on TV. We have already briefly talked how there is no current published gene therapy for achondroplasia in this previous article. I think this article is the reason for the blog appearing in related searches.

In contrast, I am curious why searches using “stem cell” as keyword find this blog, since I never talked about this before. However, stem cells are indeed under the spotlight as a technique capable of replacing damaged tissue, rebuilding body organs and structures, rescuing a diseased brain and so on. Taking in account the interest in these developments recently, I thought it might be useful to talk about this topic. Nevertheless, in the same way we have been seeing in all those potential strategies for achondroplasia reviewed here, things related to stem cells (SC) are complex, too. So, it is important for the reader to understand that this article is only a panoramic view of the subject.

It is natural to ask

When we read about amazing scientific advances like SC therapies in the media we use to ask if they could be applied in situations that are familiar for us. So, it is likely that an individual with paraplegia (leg paralysis) will look for any information about the new SC therapies trying to rebuild damaged spine nerves; or someone with a very diseased heart will like to learn that there are institutions working on SC implants to make new heart muscle to rescue a severely infarcted heart.

Before you continue to read this text, try a simple query in Google: stem cell therapy paraplegia. You will retrieve thousands of sources about the topic, including scientific papers, newspaper articles, blogs, videos, etc. The same is valid for Parkinson disease or myocardial infarct or many other conditions deemed treatable with cell replacement. This article in Wikipedia will describe a lot of them to you. Well, one can quickly link: with so many possible applications can we use SC to rescue the bone growth disorder in achondroplasia?

What is a stem cell? And, could it be used in achondroplasia?

To understand if stem cells could be used in achondroplasia it will be good to review some concepts, starting by understanding about what these cells are.

Stem cells are undifferentiated cells with the property to become specialized cells, depending on the kind of stimulus they receive. Undifferentiated means that they are not using an uniform, so they can theoretically become policemen (leukocytes), truckers (blood red cells), constructors (osteoblasts), electricians (neurons), protectors (cells that cover surfaces such as the epithelial cells of the skin and mucosa), movers (myocites or muscle cells) or any other “worker” in the body (figure 1).

Figure 1. Stem cells.

From Mayo Clinic News Blog

But, how can this happen? How a cell with no identity can turn to be any other of the myriad of specialized cells working in the body? 

Each of the trillions of cells (1) living in the body have the same genetic code (DNA). However, each cell is specialized exactly because only a small part of the thousands of genes inside its DNA is active. It is the combination of the active genes inside a cell that makes it the kind of cell it is. Then, how does a cell know which genes should become active in a given context or environment? Scientists have discovered that the exposure to certain combinations of proteins or factors for a certain interval of time can trigger determined genes in stem cells leading them to transform into the kind of cells they want. They accomplished this by studying the growing of an organism from its first embryonic cell division (figure 2).

Figure 2. Example of embryonic development.

From Marten Postma Science webpage

The research has advanced a lot. The current knowledge classifies SC in at least three categories, although you will find more stratification, depending on the source. This article about stem cells in Wikipedia lists more sub-types of stem cells according to their flexibility in generating specialized cells, but the following are the key ones:

• Totipotential stem cells (TSC);
• Pluripotential stem cells (PSC);
• Multipotential stem cells (MSC).

Although the roots of these names point to basically a similar capacity (toti, pluri, multi), each of them has distinct properties. For instance, TSC comprise only the cells resultant of the first embryonic divisions, the first 16 cells of a new embryo. These are the only cells capable to generate complete organisms, including some extra embryonic tissues such as the placenta.(2) PSCs are also obtained from the early embryo and can generate cells of all kinds but are not capable to create placenta. (2) Currently, it is also possible to create PSC from adult cells, using a complex technique of gene activation. (3) The resultant cells are called induced PSC (iPSC). The MSC are generally those stem cells collected from adult tissues that retain the capacity of becoming specialized cells from the tissue where they come from. These are the cells that allow the tissue or organ to substitute dying cells or heal from a wound.

Challenges to make stem cell therapies work

It looks like that you can pick some SC, put them into a culture plate, add some products into the culture like in a cookie receipt and then, wow!, here comes the new tissue, isn't it? Wish it was so simple. Scientists struggle a lot to find the correct formula to induce a MSC to become osteoblasts, myocites, neurons, epithelial cells or chondrocytes. Many experiences show that it is possible to generate these cells, but there are challenges to beat before they can be used in therapies including making them stay in the new shape; find their way to the target tissue (delivery); find the right spot in the target tissue or location to settle down; do what they are supposed to do when installed; do what researchers aimed them to do after all.

A stem cell-derived growth plate?

Now, imagine the challenges to accomplish all these tasks in the context of the growth plate. First, there is more than one kind of chondrocytes. Chondrocytes from the growth plate and from the articular cartilage are close relatives but do not behave exactly in the same way. What would be the right combination of factors to induce a SC to become a growth plate chondrocyte? This is a fair question, because most of the research in the field is directed to the articular cartilage, a fact that has also a good explanation. 

Osteoarthritis is becoming more and more common in an ageing population and, consequently, an increasing public health concern, so there has been a lot of research in techniques to repair a diseased joint with new tissue or to create a new organic joint to substitute the old one using SCs. Let’s imagine a plausible situation. You are 55 year old and used to be a very active individual. You keep working as the CEO of your company but there is something going wrong, you have a continuous pain in your knee that is preventing you to do walks or exercising. Your doctor will offer a meniscus replacement using your own SCs. The lab will grow a new meniscus and then the doctor will substitute the damaged meniscus for a brand new one in a couple of weeks. Today, this is still futurology, but it is a likely example of what could happen in a not so far future. You just have to browse the literature to find a number of initiatives towards articular cartilage reconstruction with SCs.

Now, let's take a look in this another example. Fine, someone has developed growth plate chondrocytes from an individual with achondroplasia bearing the right fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) gene (remember, you will have to take the mutated gene out). Think about how to make these new cells “firing” the old ones and taking their places. You might have already read this previous article of the blog or learned from another source that the growth plate is not exactly an open freeway. On the contrary, the growth plate is built as a very well protected environment and usually large structures, and cells are large structures, would much probably not be able to enter there. 

Furthermore, there is not just one growth plate in the body. Each long bone has two growth fronts, in both extremities, and the other growing bones in a child also have their own growth plates. Therefore, simply injecting chondrocytes derived from SCs in the body would not be a certainty of success. They would have too many target spots to head to, a very complex task to accomplish. They could get lost and settle down in the wrong place.

All right then. So injections are not the solution. How can we be applying appropriate cultured chondrocytes to accomplish the goal of restoring the bone growth in achondroplasia? One could reproduce the scaffold represented by the cartilage matrix, and make chondrocytes grow inside. (4) This could possibly replicate the natural growth plate. 

But, then, how would he/she make this structure reach the bones? If one create growth plates in the lab, he/she will have to think in a way to substitute entire growth plates within the body, or at least, of those of the bones of interest. One would have to perform surgeries in all target bones, which sounds a bit hard after all technology applied. 

But this is just one challenge. Chondrocytes in the growth plate follow a very complex concert of chemical instructions, which are given through molecules coming from the vicinity (e.g.: CNP) or from far away (e.g.: GH, PTH). How would be the interaction between the newly implanted growth plate with this orchestrated program? And, to make it even a bit more complicated, growth plate chondrocytes grow in just one direction. A recent interesting study has demonstrated the consequences of a wrong growth plate re positioning. (5) How could we be sure that the implant was inserted in the right position?

Plenty of strategies at hand

Given the current knowledge in this field, today I think it is too much risk for a single mistake in a single gene. With the available technology it looks simpler to work in other fronts. There are several potential but feasible approaches to rescue the bone growth in achondroplasia, and most of them we have already reviewed in this blog. 

That is, one or more potential therapies for achondroplasia could already be available now. From preventing FGFs to trigger the receptor signal by blocking it with antibodies, aptamers, or small molecules, to “silencing” the mutated FGFR3 gene using RNA interference or morpholinos, or even counteracting the effects of the workaholic receptor with other compounds such as CNP (BMN-111 is one example), there are several strategies just waiting to be explored. However, they are still in the labs because there is not enough investment to develop them. 

To review some of the above mentioned strategies just visit the blog's English page, by clicking the respective button on the top of this page. 

References

1. Bianconi E et al. An estimation of the number of cells in the human body. Ann Hum Biol 2013 Jul 5. [Epub ahead of print]. (doi:10.3109/03014460.2013.807878).

2. Laboratório Nacional de Células-tronco Embrionárias - Rio de Janeiro. Células-tronco, o que são? Universidade Federal do Rio de Janeiro. Visited in 25 August 2013. (Portuguese) (What are stem cells? Federal University of Rio de Janeiro; free translation).

3. Takahashi K et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell 2007;131(5):861-72. (Free access).

4. Elder S et al. Attachment, proliferation, and chondroinduction of mesenchymal stem cells on porous chitosan-calcium phosphate scaffolds. Open Orthop J 2013;7:275-81. (doi: 10.2174/1874325001307010275). (Free access).

5. Hadju et al. Growth potential of different zones of the growth plate — an experimental study in rabbits. J Orthop Res 2012; 30:162-8.