Células madre y organoides: la revolución que transforma la biomedicina y exige reflexión bioética

El campo de la investigación biomédica y farmacológica ha evolucionado significativamente desde el uso tradicional de líneas celulares potencialmente inmortales, como las células HeLa o HEK293, que a pesar de su utilidad, a menudo presentaban dificultades éticas o funcionales debido a su origen cancerígeno o fetal y a su variación genética a lo largo del tiempo. La búsqueda de una medicina personalizada que evitase los problemas de rechazo inmunológico y las discusiones bioéticas ligadas al uso de células madre embrionarias impulsó el desarrollo de alternativas más éticas, como las células madre adultas o la tecnología de reprogramación celular (iPSC), que permite retrotraer células diferenciadas a un estado pluripotente. La innovación más reciente son los organoides, modelos sencillos de órganos producidos in vitro mediante ingeniería tisular que ensamblan distintos tipos de células, principalmente iPSCs o células madre adultas, en sistemas multicelulares 3D que son capaces de recapitular muchos aspectos de la compleja estructura y función de un órgano vivo. Estos organoides representan un avance crucial para la medicina regeneradora, el diagnóstico, el modelado de enfermedades cardiovasculares, renales o pulmonares, y la prueba de nuevos fármacos, aunque su creciente aplicación en la regeneración de la línea germinal o el tejido nervioso plantea importantes cuestiones de seguridad y consideraciones bioéticas.

Las líneas o cultivos de células humanas han constituido una herramienta muy útil en investigaciones biomédicas y farmacológicas. Básicamente son líneas de células humanas cultivadas in vitro en placas de Petri y mantenidas durante generaciones en el laboratorio. De este modo, son potencialmente inmortales. Sus fuentes han variado, siendo las procedentes de tumores cancerígenos las más utilizadas en investigación. Entre ellas, las células HeLa, procedentes de un cáncer de cérvix y mantenidas en cultivo desde 1951, o las HEK293, procedentes de un riñón y mantenidas desde 1973. Hoy son cientos de líneas las que han permitido avanzar especialmente en diversos tipos de investigaciones, especialmente en farmacología para conocer los efectos de nuevos fármacos.

Sin embargo, las células actuales de muchas de estas líneas han podido variar genéticamente a lo largo del tiempo, lo que, unido a su procedencia, bien de origen cancerígeno o de tejidos fetales de abortos, plantean diversos tipos de dificultades en sus aplicaciones, bien por no representar con exactitud el comportamiento de las células humanas normales in vivo o por razones éticas.

Hacia una medicina personalizada

A finales de los años noventa irrumpieron las células madre embrionarias en las investigaciones aplicadas como un método para la restauración de tejidos y órganos degradados. Esto planteó una importante discusión bioética por su procedencia a partir del embrioblasto de los embriones humanos producidos por fecundación in vitro, lo que conlleva la instrumentalización de la vida humana en su etapa inicial de desarrollo. Además, las diferencias genéticas del sistema de histocompatibilidad entre las células embrionarias y el paciente a tratar implicaban el rechazo de muchos de los intentos de reparar los tejidos degradados. Había que buscar alternativas más éticas y personalizadas.

Los intentos fallidos del uso de las células madre embrionarias derivaron pronto en el desarrollo de nuevas alternativas más éticas y mejores que las líneas células madre embrionarias, tanto para avanzar en la medicina reparadora como en la investigación biomédica y farmacológica. De este modo, pronto surgiría la utilización de las células madre adultas. En los comienzos del s. XXI, muchas revistas científicas empezaron a publicar trabajos demostrativos de que en la base de muchos tejidos somáticos post-embrionarios, fetales y post-natales, existen células madre pluripotentes o multipotentes, con capacidad de reprogramación hacia el mismo o diferente tipo de tejido celular. Se trata de las células madre adultas, o post-embrionarias, que se han encontrado en el líquido amniótico, el cordón umbilical, tejidos fetales, y en la mayoría de los tejidos de la vida adulta. Se trata de grupos subcelulares encargados de restaurar el desgaste natural de muchos tejidos. Por otra parte, estas células pueden proceder del propio paciente, de modo que los clones celulares derivados de ellas tendrían el mimo perfil genético del paciente, la misma identidad genética, por lo que queda resuelto el problema del rechazo inmunológico tras su posible trasplante.

De este modo, surgió una medicina personalizada con un nuevo enfoque que tiene en cuenta la variabilidad genética individual. La práctica de una medicina reparadora de precisión requiere modelos de enfermedad capaces de reproducir de forma personalizada los procesos de desarrollo de la enfermedad de los pacientes a tratar a nivel molecular, celular y de órganos.

En 2006, apareció una tercera alternativa tecnológica, la “reprogramación celular”, o “reprogramación genética”. Unos investigadores japoneses del Departamento de Células Madre de la Universidad de Kioto, liderados por Shinya Yamanaka, Premio Nobel de Medicina de 2012, dieron a conocer la posibilidad de modificar genéticamente las células diferenciadas de tejidos adultos y retrotraerlas a un estado similar al embrionario. Para ello ensayaron la introducción, por medio de retrovirus inactivados, en fibroblastos de la piel de ratones, de cuatro genes llamados Oct3/4, Sox2, c-Myc y Klf4, seguida de su activación. Tras el cultivo de las células así modificadas, vieron cómo se generaban células que perdían su especialización y se comportaban como células pluripotentes similares a las embrionarias, por lo que se las denominó células madre pluripotentes inducidas o abreviadamente iPSC^[1]. Estas células convenientemente cultivadas en medios apropiados mostraban capacidad de diferenciarse hacia varios tipos de tejidos de las tres capas germinales, ectodermo, mesodermo y endodermo convirtiéndose en un nuevo modo de regenerar tejidos degradados sin utilizar embriones. La inyección de las iPSC en blastocistos de ratón, demostró que se integraban entre las células del embrioblasto y se comportaban como las del propio embrión, lo cual demostraba su pluripotencialidad a pesar de provenir de células somáticas adultas.

Desde entonces, ha aumentado de forma creciente la tecnología iPSC, dando lugar a la aparición de una serie de alternativas al uso de las líneas celulares y las células embrionarias para el tratamiento de enfermedades degenerativas u otras aplicaciones farmacológicas ^[2].

La aparición de los organoides

Existen enfermedades en las que las células del paciente no pueden mantenerse en cultivos celulares durante mucho tiempo sin perder sus actividades metabólicas, pero sí las iPSC derivadas. Por otro lado, no es lo mismo un cultivo de células en el laboratorio que la situación real en los tejidos y órganos de los pacientes. Por ello, pronto se buscó el desarrollo de sistemas multicelulares 3D, más complejos, pero que al estar compuestos por varios tipos de células tenderían a adaptarse mejor a las necesidades de restauración de los tejidos en el caso de la medicina reparadora. De este modo surgieron los “organoides” tisulares que partían de células madre adultas o de células madre pluripotentes específicas del paciente. A ello, se habría de incorporar en algunos casos otra herramienta procedente de la ingeniería genética, la “edición génica”. De este modo, los organoides se pueden diseñar de acuerdo con las necesidades genéticas y epigenéticas del tejido u órgano del paciente al que van destinados.

Los “organoides” son modelos sencillos de órganos producidos in vitro, obtenidos mediante ingeniería tisular a base de ensamblar distintos tipos de células, especialmente células madre adultas o iPS, que recapitulan muchos aspectos de la compleja estructura y función de un órgano vivo. Se pueden utilizar para la regeneración y la reparación de tejidos humanos deteriorados o para estudios básicos sobre el desarrollo de los órganos. También se pueden utilizar en diagnósticos, modelos de enfermedades. para probar nuevos fármacos o para el trasplante, contribuyendo a superar el déficit de órganos de donantes. Hasta la fecha, se han descrito numerosas estrategias de ingeniería de organoides que permiten su cultivo, crecimiento, proliferación, diferenciación y maduración.

Los organoides superan las capacidades terapéuticas aplicadas de las líneas celulares, las células madre embrionarias, las adultas o las iPS. La literatura científica es ya muy extensa. Veremos a continuación algunos ejemplos.

En agosto de 2013, unos investigadores de la Universidad de Pittsburgh publicaron un trabajo consistente en la reconstrucción de un corazón de ratón partiendo de un andamiaje de proteínas de este órgano previamente descelularizado. Tras repoblar este esqueleto con células iPS de origen humano transformadas en células musculares cardiacas y la perfusión con sangre, esta estructura mostró contracciones espontáneas convirtiéndose en un corazón sintético capaz de latir ^[3]. La construcción de organoides cardíacos humanos es ya una realidad en su aplicación como modelo para investigar enfermedades cardiovasculares, incluido el infarto de miocardio, insuficiencia cardíaca, enfermedades cardíacas genéticas y arritmia^[4].

De modo similar pronto se crearían organoides hepáticos, renales, embrionarios o de otros órganos para favorecer la investigación o incluso el tratamiento de diversas patologías. En este sentido, despertó un gran interés un trabajo dirigido por el profesor de investigación y genetista español Juan Carlos Izpisua Belmonte y su grupo del Instituto Salk de Estudios Biológicos de La Jolla, California. consistente en la construcción de unos organoides de riñón o “miniriñones”, a partir de células iPS^[5]. Las células pluripotentes producidas eran capaces de transformarse en equivalentes a las células del mesodermo precursoras de los riñones. Los factores de crecimiento permitieron dirigir las células hacia su especialización en renales en tan solo cuatro días de cultivo. Estas estructuras tridimensionales además de abrir nuevas estrategias de investigación por su potencial aplicación clínica, permitirían la evaluación del tratamiento in vitro con nuevos fármacos.

Del mismo modo, es de resaltar el trabajo que se realiza en el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) y en el ICREA de Barcelona, donde la Dra. Nuria Montserrat y su equipo han desarrollado organoides renales a partir de células iPS, con un perfil transcriptómico idéntico al de riñones fetales humanos del segundo trimestre^[6] (sobre ello versó la presentación de una ponencia en el “Congreso sobre la investigación Genética: posibilidades y riesgos. Una aproximación desde la Bioética”, organizado por el Observatorio de Bioética de la UCV en julio de 2024).

De gran interés es igualmente la generación estructuras 3D u organoides de las vías respiratorias humanas a partir de células iPS llevado a cabo en el Hospital Pediátrico de Toronto (Canadá), donde se obtuvieron por primera vez unos organoides pulmonares humanos partiendo de células iPS mutantes para el gen CFTR, que codifica una proteína reguladora de la conductancia transmembrana, cuyo fallo es causa de la fibrosis quística ^[7].

Del mismo modo, en 2013, un equipo de científicos del Instituto Hubrecht de los Países Bajos, logró cultivar células madre con capacidad para generar los dos tipos diferentes de células que conforman un páncreas sano, lo que supuso un avance para la reparación de las células beta, generadoras de la insulina, de importancia en el tratamiento de la diabetes. El grupo de investigación dirigido por el Dr. Hans Clevers, Profesor de Genética Molecular en la Universidad de Utrecht, desarrolló un sistema de cultivo 3D como prueba de concepto para la investigación y tratamiento de esta enfermedad. Hans Clevers es considerado como uno de los principales expertos en la creación de organoides a partir de células madre adultas e iPS, para su posterior aplicación en la medicina personalizada. Este investigador y su equipo colaboraron con el Hospital pediátrico de Utrecht en la búsqueda de un tratamiento farmacológico adecuado para la fibrosis quística utilizando organoides de colon, desarrollados a partir de células obtenidas por biopsia rectal de los propios pacientes. Además, pusieron a punto una forma de probar los diferentes fármacos disponibles en muestras celulares de pacientes mantenidas en el biobanco de la citada institución, lo que es un gran avance en el tratamiento personalizado de una patología que puede deberse a una variedad de alteraciones genéticas ^[8].

En otro experimento unos científicos de la Universidad de Stanford (EE UU) trasplantaron unos organoides cerebrales de neuronas humanas, obtenidos a partir de agregados de unos milímetros de diámetro de millones de células iPS, sobre el córtex del cerebro de ratas recién nacidas modificadas genéticamente para evitar el rechazo inmunológico. Tras examinar los cerebros de las ratas después de seis meses, los investigadores encontraron que las células humanas de estos organoides se habían integrado con éxito en el tejido animal, creciendo para ocupar un tercio del hemisferio del cerebro de las ratas trasplantadas. Las células proliferaron, maduraron y se alimentaron a través de los vasos sanguíneos del cerebro receptor, llegando a desarrollar axones. La interconexión funcional también dio resultado al comprobar su influencia en el comportamiento de los animales ^[9].

Prácticamente hoy es posible abordar la obtención de organoides de cualquier tipo de órgano, incluidos aquellos cuyos tejidos carecen de células madre adultas, como lo son el cardiaco y el nervioso. Las células iPS, y la edición génica con CRISPR-Cas9, que permite su modificación para el logro de una mayor efectividad, permiten aspirar a la obtención de organoides adaptables para la solución de múltiples enfermedades degenerativas y para atender la demanda de órganos personalizados para trasplantes.

Finalmente, interesa señalar la creación de “biobancos de organoides”, no solo de diversas enfermedades como los casos indicados, sino a partir de células tumorales de muy diversos tipos de cáncer. Estos organoides constituyen un banco de prueba de los diferentes tratamientos alternativos y para avanzar en el conocimiento de otros nuevos que pudieran surgir en nuevas investigaciones.

Aspectos bioéticos

El filósofo de la ciencia austriaco Karl Popper (1902-1994) decía que la investigación implica la ética, y que en toda investigación deben contemplarse los riesgos para el hombre y la naturaleza. Debe por tanto tenerse en cuenta que lo peligroso no es la investigación básica, sino las aplicaciones y los fines u objetivos que se persigan, lo que es de especial importancia en el tema de los organoides.

Como señalamos al principio, los experimentos que utilizan cultivos de células somáticas procedentes de tejidos adultos, o las células iPS que se utilizan para la obtención y aplicaciones de los organoides no plantean problemas éticos y son preferibles a las líneas celulares mantenidas durante generaciones. No puede decirse lo mismo de las células procedentes de embriones o aquellas células que procedan de tejidos humanos obtenidos a partir de abortos provocados.

En principio, las investigaciones con organoides que no salen del laboratorio no plantean problemas bioéticos si sus objetivos se orientan hacia la medicina personalizada, para la selección de los tratamientos farmacológicos más adecuados a cada paciente.

Del mismo modo, son éticamente aceptables las aplicaciones que se realizan para regenerar tejidos u órganos somáticos deteriorados siempre que vayan precedidos de las medidas de seguridad adecuadas de la tecnología del trasplante que se vaya a utilizar. Tampoco plantea problemas éticos la edición génica practicada en las células generadoras de los organoides, en células madre adultas o iPS procedentes de los tejidos somáticos, habitualmente realizada ex vivo o in vitro.

Un capítulo aparte lo constituyen los organoides que tratan de simular o reconstruir los llamados “embrioides” o modelos embrionarios, por otra parte, muy útiles para la investigación de las causas genéticas que intervienen en la infertilidad o los fallos durante el desarrollo temprano de los embriones humanos. No sería éticamente aceptable la síntesis de embrioides humanos viables, o aquellos en los que se utilizaran células madre procedentes de embriones humanos.

Sería éticamente rechazable el trasplante de organoides dirigidos a la regeneración de los órganos o tejidos de la línea germinal que afectasen a las células madre de los gametos, tanto por razones éticas como de seguridad. Cualquier error en el procesado o en las potenciales modificaciones genéticas que se practicasen en las células de que procedan los organoides podría trascender a las siguientes generaciones. No existe aún una seguridad absoluta de la precisión y limpieza de las técnicas de edición génica, por lo que hay un consenso general de no hacer este tipo de investigaciones en los embriones ni en tejido germinal humano. Cualquier error podría trascender a las siguientes generaciones.

Finalmente, es igualmente discutible la aplicación de los organoides sobre el tejido nervioso humano, tanto por los efectos negativos o desconocidos de estas tecnologías en el tejido coordinador del funcionamiento de todos los restantes órganos corporales, como por los efectos psicológicos o de comportamiento que pudieran ocasionarse en los receptores. Obviamente por las mismas razones ha de evitarse que esta tecnología se convierta en un banco de pruebas para quienes promueven el transhumanismo con fines de mejoramiento o cualquier otro fin no relacionados con la salud.