Las células madre o células troncales son células que se encuentran en todos los organismos pluricelulares y que tienen la capacidad de dividirse (a través de la mitosis) y diferenciarse en diversos tipos de células especializadas, además de autorrenovarse para producir más células madre. En los mamíferos, existen diversos tipos de células madre que se pueden clasificar teniendo en cuenta su potencia celular, es decir, el número de diferentes tipos celulares en los que puede diferenciarse. En los organismos adultos, las células madre y las células progenitoras actúan en la regeneración o reparación de los tejidos del organismo.
Generalidades Las células madre —en inglés stem cells (donde stem significa tronco, traduciéndose a menudo como «células troncales»)— tienen la capacidad de dividirse asimétricamente dando lugar a dos células hijas, una de las cuales tiene las mismas propiedades que la célula madre original (autorrenovación) y la otra adquiere la capacidad de poder diferenciarse si las condiciones ambientales son adecuadas.
La mayoría de los tejidos de un organismo adulto, poseen una población residente de células madre adultas que permiten su renovación periódica o su regeneración cuando se produce algún daño tisular. Algunas células madre adultas son capaces de diferenciarse en más de un tipo celular como las células madre mesenquimales y las células madre hematopoyéticas, mientras que otras son precursoras directas de las células del tejido en el que se encuentran, como por ejemplo las células madre de la piel, músculo intestino o las células madre gonadales (células madre germinales).
Las células madre embrionarias son aquellas que forman parte de la masa celular interna de un embrión de 4-5 días de edad. Estas son pluripotentes lo cual significa que pueden dar origen a las tres capas germinales: ectodermo, mesodermo y endodermo. Una característica fundamental de las células madre embrionarias es que pueden mantenerse (en el embrión o en determinadas condiciones de cultivo) de forma indefinida, formando al dividirse una célula idéntica a ellas mismas, y manteniendo una población estable de células madre. Existen técnicas experimentales donde se pueden obtener células madre embrionarias sin que esto implique la destrucción del embrión.
Tipos de células madre 400px|thumb|right|Las células madre embrionarias pluripotentes se encuentran en la masa celular interna (ICM) del blastocisto. Estas células madre pueden transformarse en cualquier tejido del organismo, con exclusión de la placenta. Solo las células de una etapa anterior del embrión, la mórula, son totipotentes, capaces de convertirse en todos los tejidos del cuerpo y la placenta.
Teniendo en cuenta su potencia, las células madre pueden clasificarse en seis tipos:
Las células madre totipotentes Pueden crecer y formar un organismo completo, tanto los componentes embrionarios (como por ejemplo, las tres capas embrionarias, el linaje germinal y los tejidos que darán lugar al saco vitelino), como los extraembrionarios (como la placenta). Es decir, pueden formar todos los tipos celulares. La célula madre totipotente por excelencia es el cigoto, formado cuando un óvulo es fecundado por un espermatozoide.
Las células madre pluripotentes miniaturadeimagen|358x358px|Estructura de un Blastocisto. No pueden formar un organismo completo, pero sí cualquier otro tipo de célula correspondiente a los tres linajes embrionarios (endodermo, ectodermo y mesodermo). Pueden, por lo tanto, formar linajes celulares. Se encuentran en distintas etapas del desarrollo embrionario. Las células madre pluripotentes más estudiadas son las células madre embrionarias (en inglés embryonic stem cells o ES cells) que se pueden aislar de la masa celular interna del blastocisto. El blastocisto está formado por una capa externa denominada trofoblasto, formada por unas 70 células, y una masa celular interna constituida por unas 30 células que son las células madre embrionarias que tienen la capacidad de diferenciarse en todos los tipos celulares que aparecen en el organismo adulto, dando lugar a los tejidos y órganos. En la actualidad se utilizan como modelo para estudiar el desarrollo embrionario y para entender cuáles son los mecanismos y las señales que permiten a una célula pluripotente llegar a formar cualquier célula plenamente diferenciada del organismo.
Las células embrionarias multipotentes Son células madre embrionarias pluripotentes que se derivan de los esbozos gonadales del embrión. Estos esbozos gonadales se encuentran en una zona específica del embrión denominada cresta gonadal, que dará lugar a las gónadas, ovario o testículo, y a los óvulos y espermatozoides respectivamente. Tienen una capacidad de diferenciación similar a las de las células madre embrionarias, pero su aislamiento resulta más difícil.
Células madre pluripotentes inducidas (iPS) Hoy en día se pueden manipular células humanas de adulto y generar células con pluripotencialidad inducida (iPS), se ha visto que poseen el mismo potencial de crecimiento y diferenciación de las células madre embrionarias. Shinya Yamanaka desarrolló una técnica de manipulación de células humanas de adulto y generar células con pluripotencialidad inducida (iPS). Entre las ventajas técnicas de las iPS se señala que no inducen rechazo inmunológico, lo que abre la posibilidad de crear fármacos específicos para un paciente determinado; no requiere la utilización de óvulos humanos, la técnica es muy fácil de realizarse y su costo es reducido.
Las células madre multipotentes Son aquellas que solo pueden generar células de su misma capa o linaje de origen embrionario (por ejemplo: una célula madre mesenquimal de médula ósea, al tener naturaleza mesodérmica, dará origen a células de esa capa como miocitos, adipocitos u osteocitos, entre otras). Otro ejemplo son las células madre hematopoyéticas, células madre de la sangre que puede diferenciarse en los múltiples tipos celulares de la sangre.
Las células madre unipotentes También llamadas células progenitoras son células madre que tiene la capacidad de diferenciarse en solo un tipo de células.«A family business: stem cell progeny join the niche to regulate homeostasis.» Hsu YC, Fuchs E. Nat Rev Mol Cell Biol. 2012 Jan 23;13(2):103-14. Por ejemplo las células madre musculares, también denominadas células satélite solo pueden diferenciarse en células musculares.
Además de por el criterio de potencia, las células madre también pueden clasificarse en cuanto a si se encuentran en el embrión o en tejidos adultos.
Las células madre adultas se encuentran en tejidos y órganos adultos y poseen la capacidad de diferenciarse para dar lugar a células adultas del tejido en el que se encuentran. En humanos, se conocen hasta ahora alrededor de 20 tipos distintos de células madre adultas, que son las encargadas de regenerar los tejidos en continuo desgaste como la piel, el intestino, el miocardio o bien tejidos que han sufrido un daño (como por ejemplo el hígado o el estómago ).
En esta clasificación se incluyen células madre unipotentes, como las células madre hematopoyéticas de la médula ósea (encargadas de la formación de la sangre). En la misma médula ósea, aunque también en sangre del cordón umbilical, en sangre periférica y en la grasa corporal se ha encontrado otro tipo de células madre adultas, denominadas mesenquimales que puede diferenciarse en numerosos tipos de células de los tres derivados embrionarios (musculares, vasculares, nerviosas, hematopoyéticas, óseas, etc.).
Las células madre oligopotentes Estas solo pueden diferenciarse en pocos tipos de células, como las células madre linfoides o mieloides.
Métodos de obtención de células madre Existen diferentes técnicas para la obtención de células madre. Las células madre embrionarias y algunas células madre adultas pueden aislarse desde su localización original en embriones o tejidos y mantenerse en condiciones especiales de cultivo de manera más o menos indefinida. Las fuentes que se utilizan de manera rutinaria o que han empezado a postularse son:
Embriones crioconservados: la criopreservación o crioconservación es un método que utiliza nitrógeno líquido (-196 °C) para detener todas las funciones celulares y así poderlas conservar durante años. Estos embriones son procedentes de los tratamientos de reproducción humana asistida, que cuando se fecundan más de los necesarios pueden ser donados por los pacientes que se someten a este tratamiento.Iriberri, Ainhoa. Estos embriones criopreservados en fase de blastocisto pueden conservarse durante cinco años, según lo reglamenta el R.D. 413/1996. Blastómeros individuales: con esta técnica, probada primero en ratones y después en humanos, se consigue no destruir el embrión. Se utilizaron óvulos fecundados de ratón que se dejaron crecer hasta que tuviesen de 8 a 10 células. Una de estas células se extrae y se cultiva. Con esta técnica se ha logrado obtener dos líneas celulares estables que mostraban un cariotipo normal y presentaban marcadores característicos de pluripotencialidad. El embrión del que se obtiene esta célula es completamente viable por lo que se puede implantar en un útero y seguir un desarrollo normal. Partenogénesis: este proceso reproductivo no se da en mamíferos. Sin embargo, la partenogénesis puede ser inducida en mamíferos mediante métodos químicos o físicos in vitro. Como resultado de esta activación, se obtiene una masa celular denominada partenote de las que se pueden aislar células madre pluripotentes. Esta técnica solo es aplicable en mujeres. Obtención a base de donantes cadavéricos: recientes investigaciones han descrito que las [células madre musculares] sobreviven y mantienen sus propiedades tras un proceso de congelación post mortem.
Reprogramación de células somáticas Además de la expansión de células madre obtenidas del organismo, se han desarrollado técnicas para reprogramar células somáticas y convertirlas en células madre pluripotentes.
Reprogramación de células somáticas por transferencia o trasplante nuclear. Consiste en extraer un núcleo de un óvulo no fertilizado y sustituirlo por el núcleo de una célula somática adulta. Al encontrarse en un ambiente propicio, el citoplasma del óvulo, este núcleo es capaz de reprogramarse. Una ventaja de esta técnica (en sus aplicaciones biomédicas) es obtener células madre que contengan la misma dotación genética que el paciente y evitar así problemas de rechazo. Esta técnica se ha realizado con éxito en múltiples especies animales y en humanos. Este método se ha utilizado con éxito para lo que se conoce como clonación terapéutica. Fusión de células somáticas y células madre embrionarias. Los híbridos entre diversas células somáticas y células madre embrionarias comparten muchas características con las células madre, lo que indica que el fenotipo pluripotente es dominante en los productos resultantes de la fusión. Este tipo de células híbridas, también llamadas heterocariontes son valiosas para el estudio de los mecanismos genéticos y bioquímicos implicados en la pluripotencia. Reprogramación por factores de transcripción definidos o Células madre pluripotentes inducidas. En el año 2006 el grupo del doctor Shin'ya Yamanaka, de la Universidad de Kioto, demostró que es posible reprogramar células somáticas adultas hasta células madre mediante la expresión ectópica de factores de transcripción, generando las denominadas células madre pluripotentes inducidas o células iPS (de induced pluripotent stem cells en inglés). En el protocolo original, se reprogramaron con éxito fibroblastos embrionarios de ratón (MEF) y fibroblastos adultos tras infección con retrovirus que codificaban para los factores de transcripción Oct4, Sox2, c-myc y Klf4.
Células madre del cordón umbilical