Los infartos de miocardio y la insuficiencia cardíaca congestiva siguen siendo uno de los problemas de salud más importantes del país a pesar de los numerosos avances en medicina cardiovascular. De hecho, a pesar de los enfoques exitosos para prevenir o limitar las enfermedades cardiovasculares, la restauración de la función del corazón dañado sigue siendo un desafío formidable. Investigaciones recientes están proporcionando pruebas tempranas de que las células madre adultas y embrionarias pueden ser capaces de sustituir las células dañadas del músculo cardíaco y establecer nuevos vasos sanguíneos para abastecerlas. Aquí se comentan algunos de los descubrimientos recientes que presentan estrategias de sustitución de células madre y regeneración muscular para reparar el corazón dañado.

Introducción

Para quienes padecen enfermedades cardíacas comunes, pero mortales, la biología de las células madre representa una nueva frontera médica. Los investigadores están trabajando en el uso de células madre para sustituir las células cardíacas dañadas y restaurar literalmente la función cardíaca.

Hoy en día, en Estados Unidos, la insuficiencia cardíaca congestiva -el bombeo ineficaz del corazón causado por la pérdida o disfunción de las células del músculo cardíaco- afecta a 4,8 millones de personas, con 400.000 nuevos casos cada año. Uno de los principales factores que contribuyen al desarrollo de esta afección es el ataque al corazón, conocido médicamente como infarto de miocardio, que se produce en casi 1,1 millones de estadounidenses cada año. Es fácil reconocer que las deficiencias del corazón y del sistema circulatorio representan una de las principales causas de muerte y discapacidad en Estados Unidos.

¿Qué conduce a estos efectos devastadores? La destrucción de las células del músculo cardíaco, conocidas como cardiomiocitos, puede ser el resultado de la hipertensión, de la insuficiencia crónica en el suministro de sangre al músculo cardíaco causada por la enfermedad de las arterias coronarias, o de un ataque cardíaco, el cierre repentino de un vaso sanguíneo que suministra oxígeno al corazón. A pesar de los avances en procedimientos quirúrgicos, dispositivos de asistencia mecánica, terapia farmacológica y trasplante de órganos, más de la mitad de los pacientes con insuficiencia cardíaca congestiva mueren en los cinco años siguientes al diagnóstico inicial. La investigación ha demostrado que terapias como los medicamentos anticoagulantes pueden restablecer el flujo sanguíneo a las regiones dañadas del corazón y limitar la muerte de los cardiomiocitos. Los investigadores están explorando ahora formas de salvar más vidas mediante el uso de células de reemplazo para las células muertas o dañadas, de modo que el músculo cardíaco debilitado pueda recuperar su poder de bombeo.

¿Cómo podrían las células madre desempeñar un papel en la reparación del corazón? Para responder a esta pregunta, los investigadores están construyendo su base de conocimientos sobre cómo se dirigen las células madre para convertirse en células especializadas. Un tipo importante de célula que puede desarrollarse es el cardiomiocito, la célula del músculo cardíaco que se contrae para expulsar la sangre de la principal cámara de bombeo del corazón (el ventrículo). Otros dos tipos de células son importantes para el buen funcionamiento del corazón: la célula endotelial vascular, que forma el revestimiento interior de los nuevos vasos sanguíneos, y la célula muscular lisa, que forma la pared de los vasos sanguíneos. El corazón tiene una gran demanda de flujo sanguíneo, y estas células especializadas son importantes para desarrollar una nueva red de arterias que lleven nutrientes y oxígeno a los cardiomiocitos después de que el corazón se haya dañado. La capacidad potencial de las células madre, tanto embrionarias como adultas, de convertirse en estos tipos de células en el corazón dañado se está explorando ahora como parte de una estrategia para restaurar la función cardíaca de las personas que han sufrido ataques cardíacos o tienen insuficiencia cardíaca congestiva. Es importante que el trabajo con células madre no se confunda con los recientes informes que indican que los miocitos cardíacos humanos pueden sufrir una división celular tras un infarto de miocardio. Este trabajo sugiere que las células cardíacas lesionadas pueden pasar de un estado quiescente a una división celular activa. Esto no difiere de la capacidad de una gran cantidad de otras células del cuerpo que comienzan a dividirse después de una lesión. Todavía no hay pruebas de que existan verdaderas células madre en el corazón que puedan proliferar y diferenciarse.

Los investigadores saben ahora que, en condiciones de crecimiento muy específicas en placas de cultivo de laboratorio, las células madre pueden ser inducidas a desarrollarse como nuevos cardiomiocitos y células endoteliales vasculares. Los científicos están interesados en explotar esta capacidad para proporcionar tejido de sustitución para el corazón dañado. Este enfoque tiene enormes ventajas sobre el trasplante de corazón, sobre todo teniendo en cuenta la escasez de corazones de donantes disponibles para satisfacer las necesidades actuales de trasplante.

¿Cuáles son las pruebas de que este enfoque para restaurar la función cardíaca podría funcionar? En el laboratorio de investigación, los investigadores suelen utilizar un modelo de ratón o de rata de un ataque al corazón para estudiar nuevas terapias (véase la Figura 9.1. Modelo de roedor de infarto de miocardio). Para crear un infarto en un ratón o una rata, se coloca una ligadura alrededor de un vaso sanguíneo principal que sirve al músculo cardíaco, privando así a los cardiomiocitos de sus suministros de oxígeno y nutrientes. Durante el pasado año, los investigadores que utilizaron estos modelos hicieron varios descubrimientos clave que despertaron el interés por la aplicación de las células madre adultas a la reparación del músculo cardíaco en modelos animales de enfermedades cardíacas.

Figura 9.1. Modelo de roedor de infarto de miocardio.

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Recientemente, Orlic y sus colegas informaron sobre una aplicación experimental de células madre hematopoyéticas para la regeneración de los tejidos del corazón. En este estudio, se indujo un ataque al corazón en ratones atando un vaso sanguíneo importante, la arteria coronaria principal izquierda. Mediante la identificación de marcadores de superficie celulares únicos, los investigadores aislaron entonces un grupo selecto de células primitivas adultas de la médula ósea con gran capacidad para convertirse en células de múltiples tipos. Cuando se inyectaron en la pared dañada del ventrículo, estas células dieron lugar a la formación de nuevos cardiomiocitos, endotelio vascular y células musculares lisas, generando así miocardio de novo, incluyendo arterias coronarias, arteriolas y capilares. El miocardio recién formado ocupaba el 68% de la parte dañada del ventrículo nueve días después de trasplantar las células de la médula ósea, sustituyendo así el miocardio muerto por tejido vivo y funcional. Los investigadores descubrieron que los ratones que recibieron las células trasplantadas sobrevivieron en mayor número que los ratones con ataques cardíacos que no recibieron las células madre de ratón. Ahora se están realizando experimentos de seguimiento para ampliar el tiempo de análisis posterior al trasplante y determinar los efectos a más largo plazo de dicha terapia . La reparación parcial del músculo cardíaco dañado sugiere que las células madre hematopoyéticas de ratón trasplantadas respondieron a las señales del entorno cercano al miocardio lesionado. Las células migraron a la región dañada del ventrículo, donde se multiplicaron y se convirtieron en células “especializadas” que parecían ser cardiomiocitos.

Un segundo estudio, realizado por Jackson et al. , demostró que el tejido cardíaco puede regenerarse en el modelo de infarto de miocardio de ratón mediante la introducción de células madre adultas procedentes de la médula ósea del ratón. En este modelo, los investigadores purificaron una “población lateral” de células madre hematopoyéticas a partir de una cepa de ratón genéticamente alterada. A continuación, estas células se trasplantaron a la médula de ratones irradiados letalmente unas 10 semanas antes de que los ratones receptores fueran sometidos a un ataque cardíaco mediante la ligadura de otro vaso sanguíneo principal del corazón, la arteria coronaria descendente anterior (DAI). Entre dos y cuatro semanas después de la lesión cardíaca inducida, la tasa de supervivencia era del 26%. Al igual que en el estudio de Orlic et al., el análisis de la región que rodea el tejido dañado en los ratones supervivientes mostró la presencia de cardiomiocitos y células endoteliales derivadas de donantes. Así pues, las células madre hematopoyéticas de ratón trasplantadas a la médula ósea habían respondido a las señales del corazón lesionado, habían migrado a la región limítrofe de la zona dañada y se habían diferenciado en varios tipos de tejido necesarios para la reparación cardíaca. Este estudio sugiere que las células madre hematopoyéticas de ratón pueden llegar al corazón a través del trasplante de médula ósea, así como a través de la inyección directa en el tejido cardíaco, proporcionando así otra posible estrategia terapéutica para regenerar el tejido cardíaco lesionado.

Una prueba más de las posibles terapias basadas en células madre para las enfermedades cardíacas la proporciona un estudio que demostró que las células madre adultas humanas extraídas de la médula ósea son capaces de dar lugar a células endoteliales vasculares cuando se trasplantan a ratas . Al igual que en el estudio de Jackson, estos investigadores indujeron un infarto de miocardio ligando la arteria coronaria LAD. Tuvieron mucho cuidado en identificar una población de células madre hematopoyéticas humanas que dan lugar a nuevos vasos sanguíneos. Estas células madre demuestran plasticidad, es decir, se convierten en tipos de células que normalmente no serían. Las células se utilizaron para formar nuevos vasos sanguíneos en la zona dañada del corazón de las ratas y para fomentar la proliferación de la vasculatura preexistente tras el infarto experimental.

Al igual que las células madre de ratón, estas células madre hematopoyéticas humanas pueden ser inducidas, en las condiciones de cultivo adecuadas, a diferenciarse en numerosos tipos de tejidos, incluido el músculo cardíaco (véase la figura 9.2. Reparación del músculo cardíaco con células madre adultas). Cuando se inyectaron en el torrente sanguíneo que conducía al corazón dañado de la rata, estas células evitaron la muerte de las células miocárdicas hipertrofiadas o engrosadas, pero por lo demás viables, y redujeron la formación progresiva de fibras de colágeno y cicatrices. Las ratas de control sometidas a cirugía con una arteria coronaria LAD intacta, así como las ratas ligadas a la LAD inyectadas con solución salina o células de control, no demostraron un aumento del número de vasos sanguíneos. Además, las células hematopoyéticas pudieron identificarse a partir de marcadores celulares muy específicos que las diferencian de las células precursoras de cardiomiocitos, lo que permite utilizar las células solas o junto con estrategias de regeneración de miocitos o terapias farmacológicas. (Para más información sobre los marcadores de células madre, véase el Apéndice E.i. ¿Cómo utilizan los investigadores los marcadores para identificar las células madre?)

Figura 9.2. Reparación del músculo cardíaco con células madre adultas

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

En la investigación con células madre embrionarias humanas se están produciendo nuevos e interesantes avances en la regeneración de cardiomiocitos. Debido a su capacidad para diferenciarse en cualquier tipo de célula del cuerpo adulto, las células madre embrionarias son otra posible población fuente de células de reparación cardíaca. El primer paso en esta aplicación lo dieron Itskovitz-Eldor et al., que demostraron que las células madre embrionarias humanas pueden diferenciarse de forma reproducible en cultivo en cuerpos embrionarios formados por tipos celulares de las tres capas germinales del cuerpo. Entre los distintos tipos celulares observados había células que tenían el aspecto físico de los cardiomiocitos, mostraban marcadores celulares consistentes con las células cardíacas y demostraban una actividad contráctil similar a la de los cardiomiocitos cuando se observaban al microscopio.

En una continuación de estos primeros trabajos, Kehat et al. mostraron propiedades estructurales y funcionales de los cardiomiocitos en fase inicial en las células que se desarrollan a partir de los cuerpos embrionarios. Las células que tienen actividad de contracción espontánea se identifican positivamente mediante el uso de marcadores con anticuerpos contra la cadena pesada de miosina, la alfa-actinina, la desmina, la proteína antinaturética y la troponina cardíaca, todas ellas proteínas que se encuentran en el tejido cardíaco. Estos investigadores han realizado un análisis genético de estas células y han comprobado que los genes de factores de transcripción expresados coinciden con los cardiomiocitos en fase inicial. Los registros eléctricos de estas células, los cambios en el movimiento de los iones de calcio dentro de las células y la capacidad de respuesta contráctil a la estimulación de la hormona catecolamina por parte de las células eran similares a los registros, cambios y capacidad de respuesta observados en los cardiomiocitos tempranos durante el desarrollo de los mamíferos. El siguiente paso en esta investigación es comprobar si las pruebas experimentales de mejora de los resultados de un ataque cardíaco en roedores pueden reproducirse utilizando células madre embrionarias.

Estos innovadores descubrimientos en modelos de roedores presentan nuevas oportunidades de utilizar células madre para reparar el músculo cardíaco dañado. Los resultados de los estudios mencionados anteriormente son una prueba cada vez mayor de que las células madre adultas pueden convertirse en más tipos de células de lo que se pensaba en un principio. En esos estudios, las células madre hematopoyéticas parecen ser capaces de convertirse no sólo en sangre, sino también en músculo cardíaco y tejido endotelial. Esta capacidad de las células madre adultas, que cada vez se denomina más “plasticidad”, puede convertirlas en un candidato viable para la reparación del corazón. Pero esta evidencia no es completa; las poblaciones de células madre hematopoyéticas de ratón que dan lugar a estas células de reemplazo no son homogéneas. Más bien, se enriquecen para las células de interés mediante factores estimulantes específicos y selectivos que promueven el crecimiento celular. Por lo tanto, no se ha identificado la población celular originaria de estas células inyectadas, y existe la posibilidad de que se incluyan otras poblaciones celulares que podrían hacer que el receptor rechazara las células trasplantadas. Este es un problema importante con el que hay que lidiar en las aplicaciones clínicas, pero no es tan relevante en los modelos experimentales descritos aquí porque los roedores han sido criados para ser genéticamente similares.

¿Cuáles son las implicaciones para ampliar la investigación sobre el crecimiento diferenciado de tejidos de reemplazo para corazones dañados? Existen algunos aspectos prácticos para producir un número suficiente de células para su aplicación clínica. La reparación de un corazón humano dañado requeriría probablemente millones de células. La capacidad única de las células madre embrionarias para replicarse en cultivo puede darles una ventaja sobre las células madre adultas al proporcionar un gran número de células de reemplazo en cultivo de tejidos para fines de trasplante. Dado el estado actual de la ciencia, no está claro cómo podrían utilizarse las células madre adultas para generar suficiente músculo cardíaco fuera del cuerpo para satisfacer la demanda de los pacientes.

Aunque hay mucho entusiasmo porque los investigadores saben ahora que las células madre adultas y embrionarias pueden reparar el tejido cardíaco dañado, quedan muchas preguntas por responder antes de que puedan hacerse aplicaciones clínicas. Por ejemplo, ¿cuánto tiempo seguirán funcionando las células de reemplazo? ¿Los modelos de investigación en roedores reflejan con exactitud las condiciones del corazón humano y las respuestas al trasplante? ¿Tienen estos nuevos cardiomiocitos de sustitución derivados de células madre la capacidad de conducción de señales eléctricas de las células musculares cardíacas nativas?

Las células madre podrían servir de base para construir una futura forma de “terapia celular”. En los modelos animales actuales, el tiempo transcurrido entre la lesión del corazón y la aplicación de las células madre afecta al grado de regeneración, y esto tiene implicaciones reales para el paciente que acude desprevenido a urgencias tras un infarto. En el futuro, ¿podrían cosecharse y expandirse las células del paciente para utilizarlas de forma eficiente? O bien, ¿pueden los pacientes de riesgo donar sus células por adelantado, minimizando así la preparación necesaria para la administración de las células? Además, ¿se pueden “programar” genéticamente estas células madre para que migren directamente al lugar de la lesión y sinteticen inmediatamente las proteínas cardíacas necesarias para el proceso de regeneración? En la actualidad, los investigadores están utilizando células madre de todas las procedencias para responder a estas preguntas, lo que proporciona un futuro prometedor a las terapias para reparar o sustituir el corazón dañado y hacer frente a las principales causas de muerte del país.

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Contenido histórico: 17 de junio de 2001