Célula madre neural
Células precursoras de neuronas y glía durante el desarrollo embrionario
Célula madre neural
Detalles
SistemaSistema nervioso
Identificadores
latíncélula nerviosa precursoria
MallaD058953
ELH2.00.01.0.00010
FMA86684
Términos anatómicos de microanatomía
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Las células madre neurales ( CMN ) son células multipotentes que se autorenuevan y que generan en primer lugar las células progenitoras gliales radiales que generan las neuronas y la glía del sistema nervioso de todos los animales durante el desarrollo embrionario . [1] Algunas células madre progenitoras neurales persisten en regiones muy restringidas en el cerebro de los vertebrados adultos y continúan produciendo neuronas durante toda la vida. Las diferencias en el tamaño del sistema nervioso central se encuentran entre las distinciones más importantes entre las especies y, por lo tanto, las mutaciones en los genes que regulan el tamaño del compartimento de células madre neurales se encuentran entre los impulsores más importantes de la evolución de los vertebrados. [2]

Las células madre se caracterizan por su capacidad de diferenciarse en múltiples tipos de células. [3] Experimentan una división celular simétrica o asimétrica en dos células hijas. En la división celular simétrica, ambas células hijas también son células madre. En la división asimétrica, una célula madre produce una célula madre y una célula especializada. [4] Las células madre neurales se diferencian principalmente en neuronas , astrocitos y oligodendrocitos .

Ubicación del cerebro

Se ha informado que en el cerebro de los mamíferos adultos, la zona subgranular del giro dentado del hipocampo, la zona subventricular alrededor de los ventrículos laterales y el hipotálamo (precisamente en la región dorsal α1, α2 y la región proliferativa hipotalámica, ubicada en la eminencia media adyacente) contienen células madre neurales. [5]

Desarrollo

En vivoorigen

Células madre neurales que se diferencian en astrocitos (verde) y sitios del receptor de la hormona del crecimiento mostrados en rojo

Hay dos tipos básicos de células madre: las células madre adultas , que tienen una capacidad limitada para diferenciarse , y las células madre embrionarias (CME), que son pluripotentes y tienen la capacidad de diferenciarse en cualquier tipo de célula. [3]

Las células madre neurales son más especializadas que las células madre neuronales porque solo generan células gliales radiales que dan lugar a las neuronas y a la glía del sistema nervioso central (SNC). [4] Durante el desarrollo embrionario de los vertebrados, las células madre neuronales pasan a ser células gliales radiales (CGR), también conocidas como células progenitoras gliales radiales (RGP), y residen en una zona transitoria llamada zona ventricular (ZV). [1] [6] Las neuronas son generadas en grandes cantidades por las RGP durante un período específico del desarrollo embrionario a través del proceso de neurogénesis , y continúan generándose en la vida adulta en regiones restringidas del cerebro adulto. [7] Las células madre neuronales adultas se diferencian en nuevas neuronas dentro de la zona subventricular adulta (ZSV), un remanente del neuroepitelio germinal embrionario , así como del giro dentado del hipocampo . [7]

In vitroorigen

Las células madre neurales adultas se aislaron por primera vez del cuerpo estriado del ratón a principios de la década de 1990. Son capaces de formar neuroesferas multipotentes cuando se cultivan in vitro . Las neuroesferas pueden producir células especializadas que se autorrenuevan y proliferan. Estas neuroesferas pueden diferenciarse para formar neuronas, células gliales y oligodendrocitos específicos. [7] En estudios anteriores, se trasplantaron neuroesferas cultivadas en los cerebros de ratones neonatos inmunodeficientes y se demostró que se producían injertos, proliferación y diferenciación neuronal. [7]

Comunicación y migración

Las células madre neurales son estimuladas para comenzar la diferenciación a través de señales exógenas del microambiente o nicho de células madre. Algunas células neuronales migran desde la zona del nervio vago a lo largo de la corriente migratoria rostral que contiene una estructura similar a la médula ósea con células ependimarias y astrocitos cuando se estimula. Las células ependimarias y los astrocitos forman tubos gliales utilizados por los neuroblastos migratorios . Los astrocitos en los tubos brindan soporte a las células migratorias, así como aislamiento de las señales eléctricas y químicas liberadas por las células circundantes. Los astrocitos son los precursores primarios para la amplificación celular rápida. Los neuroblastos forman cadenas apretadas y migran hacia el sitio específico del daño celular para reparar o reemplazar células neuronales. Un ejemplo es un neuroblasto que migra hacia el bulbo olfatorio para diferenciarse en neuronas periglomerculares o granulares que tienen un patrón de migración radial en lugar de tangencial. [8]

Envejecimiento

La proliferación de células madre neurales disminuye como consecuencia del envejecimiento . [9] Se han adoptado diversos enfoques para contrarrestar esta disminución relacionada con la edad. [10] Debido a que las proteínas FOX regulan la homeostasis de las células madre neurales , [11] las proteínas FOX se han utilizado para proteger las células madre neurales inhibiendo la señalización de Wnt . [12]

Función

El factor de crecimiento epidérmico (EGF) y el factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) son mitógenos que promueven el crecimiento de células madre y progenitoras neuronales in vitro , aunque también se requieren otros factores sintetizados por las poblaciones de células madre y progenitoras neuronales para un crecimiento óptimo. [13] Se plantea la hipótesis de que la neurogénesis en el cerebro adulto se origina a partir de células madre neurales. El origen y la identidad de las células madre neurales en el cerebro adulto aún están por definir.

Durante la diferenciación

El modelo más ampliamente aceptado de una célula madre neural adulta es una célula radial, fibrilar glial, con proteína ácida positiva. Las células madre quiescentes son de tipo B, que pueden permanecer en estado quiescente debido al tejido renovable proporcionado por los nichos específicos compuestos de vasos sanguíneos, astrocitos, microglia , células ependimarias y matriz extracelular presentes en el cerebro. Estos nichos proporcionan nutrición, soporte estructural y protección a las células madre hasta que se activan por estímulos externos. Una vez activadas, las células de tipo B se convierten en células de tipo C, células intermedias de proliferación activa, que luego se dividen en neuroblastos que consisten en células de tipo A. Los neuroblastos indiferenciados forman cadenas que migran y se desarrollan en neuronas maduras. En el bulbo olfatorio, maduran en neuronas granulares GABAérgicas, mientras que en el hipocampo maduran en células granulares dentadas. [14]

Modificación epigenética

Las modificaciones epigenéticas son importantes reguladores de la expresión génica en la diferenciación de las células madre neuronales . Las modificaciones epigenéticas clave incluyen la metilación de la citosina del ADN para formar 5-metilcitosina y la desmetilación de la 5-metilcitosina . [15] [16] Estos tipos de modificaciones son fundamentales para la determinación del destino celular en el cerebro de los mamíferos en desarrollo y adultos.

La metilación de la citosina del ADN es catalizada por las metiltransferasas del ADN (DNMT) . La desmetilación de la metilcitosina es catalizada en varios pasos distintos por las enzimas TET que llevan a cabo reacciones oxidativas (por ejemplo, 5-metilcitosina a 5-hidroximetilcitosina ) y las enzimas de la vía de reparación por escisión de bases del ADN (BER). [15]

Durante la enfermedad

Las células madre neurales tienen un papel importante durante el desarrollo, ya que producen una enorme diversidad de neuronas, astrocitos y oligodendrocitos en el sistema nervioso central en desarrollo. También tienen un papel importante en los animales adultos, por ejemplo, en el aprendizaje y la plasticidad hipocampal en los ratones adultos, además de suministrar neuronas al bulbo olfatorio en los ratones. [7]

Cabe destacar que varios grupos de investigación de todo el mundo están dilucidando el papel de las células madre neurales durante las enfermedades. Las respuestas durante el accidente cerebrovascular , la esclerosis múltiple y la enfermedad de Parkinson en modelos animales y humanos son parte de la investigación actual. Los resultados de esta investigación en curso pueden tener aplicaciones futuras para tratar enfermedades neurológicas humanas. [7]

Se ha demostrado que las células madre neurales participan en la migración y el reemplazo de neuronas moribundas en experimentos clásicos realizados por Sanjay Magavi y Jeffrey Macklis . [17] Utilizando un daño inducido por láser de las capas corticales , Magavi demostró que los progenitores neurales de SVZ que expresaban Doublecortin , una molécula crítica para la migración de neuroblastos, migraban largas distancias hasta el área dañada y se diferenciaban en neuronas maduras que expresaban el marcador NeuN . Además, el grupo de Masato Nakafuku de Japón mostró por primera vez el papel de las células madre del hipocampo durante el accidente cerebrovascular en ratones. [18] Estos resultados demostraron que las NSC pueden participar en el cerebro adulto como resultado de una lesión. Además, en 2004, el grupo de Evan Y. Snyder demostró que las NSC migran a los tumores cerebrales de forma dirigida. Jaime Imitola , MD y colegas de Harvard demostraron por primera vez un mecanismo molecular para las respuestas de las NSC a la lesión. Demostraron que las quimiocinas liberadas durante una lesión, como SDF-1a, eran responsables de la migración dirigida de las células madre neurales humanas y de ratón a las áreas de lesión en ratones. [19] Desde entonces, se ha descubierto que otras moléculas participan en las respuestas de las células madre neurales a la lesión. Todos estos resultados han sido ampliamente reproducidos y ampliados por otros investigadores que se unieron al trabajo clásico de Richard L. Sidman en la autorradiografía para visualizar la neurogénesis durante el desarrollo, y la neurogénesis en el adulto por Joseph Altman en la década de 1960, como evidencia de las respuestas de las actividades de las células madre neurales adultas y la neurogénesis durante la homeostasis y la lesión.

La búsqueda de mecanismos adicionales que operan en el entorno de la lesión y cómo influyen en las respuestas de las células madre neurales durante la enfermedad aguda y crónica es un tema de intensa investigación. [20]

Investigación

Terapia regenerativa del SNC

La muerte celular es una característica de los trastornos agudos del sistema nervioso central, así como de las enfermedades neurodegenerativas. La pérdida de células se ve amplificada por la falta de capacidades regenerativas para el reemplazo y la reparación celular en el sistema nervioso central. Una forma de evitar esto es utilizar una terapia de reemplazo celular a través de células madre neurales regenerativas. Las células madre neurales se pueden cultivar in vitro como neuroesferas. Estas neuroesferas están compuestas por células madre neurales y progenitoras (NSPC) con factores de crecimiento como EGF y FGF. La retirada de estos factores de crecimiento activa la diferenciación en neuronas, astrocitos u oligodendrocitos que se pueden trasplantar dentro del cerebro en el sitio de la lesión. Los beneficios de este enfoque terapéutico se han examinado en la enfermedad de Parkinson , la enfermedad de Huntington y la esclerosis múltiple . Las NSPC inducen la reparación neural a través de propiedades intrínsecas de neuroprotección e inmunomodulación . Algunas posibles vías de trasplante incluyen el trasplante intracerebral y el xenotrasplante . [21] [22]

En el caso de las enfermedades neurodegenerativas, otra terapia de trasplante que está surgiendo en la investigación es la inducción direccional de células madre neuronales. [23] El trasplante directo de células madre neuronales es limitado y enfrenta desafíos debido a la baja tasa de supervivencia y la diferenciación irracional. Para superar las limitaciones, la inducción directa de células madre neuronales tiene como objetivo manipular la diferenciación de las células madre neuronales antes del trasplante. Actualmente, las células madre neuronales se obtienen de tejidos primarios del sistema nervioso central, la diferenciación de células madre pluripotentes (CMP) y la transdiferenciación de células somáticas. Las células madre neuronales inducidas se pueden reprogramar a partir de células somáticas. Por lo tanto, la inducción direccional toma células madre neuronales de diferentes fuentes y las obliga a diferenciarse en las células del linaje neuronal deseado. Un ejemplo del uso terapéutico de esta técnica es la diferenciación dirigida de neuronas dopaminérgicas (DAergénicas) del mesencéfalo ventral en diferentes modelos de EP. [23] Las terapias actuales para la enfermedad neurodegenerativa enfermedad de Parkinson (EP) incluyen la terapia de reemplazo de dopamina (TRD). Esto funciona para aliviar los síntomas de la EP, pero a medida que la enfermedad progresa, los mecanismos de alivio se ven afectados de manera no lineal. [24]

Un enfoque terapéutico alternativo al trasplante de células madre neuronales es la activación farmacológica de células madre neuronales neuronales endógenas (eNSPC). Las eNSPC activadas producen factores neurotróficos, varios tratamientos que activan una vía que implica la fosforilación de STAT3 en el residuo de serina y la posterior elevación de la expresión de Hes3 ( eje de señalización STAT3-Ser/Hes3 ) se oponen a la muerte neuronal y la progresión de la enfermedad en modelos de trastorno neurológico. [25] [26]

Generación de 3Din vitromodelos del sistema nervioso central humano

Las células progenitoras neuronales derivadas del mesencéfalo humano (hmNPC) tienen la capacidad de diferenciarse en múltiples linajes de células neuronales que conducen a neuroesferas, así como a múltiples fenotipos neuronales. Las hmNPC se pueden utilizar para desarrollar un modelo tridimensional in vitro del SNC humano. Hay dos formas de cultivar las hmNPC: la monocapa adherente y los sistemas de cultivo de neuroesferas. El sistema de cultivo de neuroesferas se ha utilizado anteriormente para aislar y expandir células madre del SNC por su capacidad para agregar y proliferar hmNPC en condiciones de medios sin suero, así como con la presencia del factor de crecimiento epidérmico (EGF) y el factor de crecimiento de fibroblastos-2 (FGF2). Inicialmente, las hmNPC se aislaron y expandieron antes de realizar una diferenciación bidimensional que se utilizó para producir una suspensión de células individuales . Esta suspensión de células individuales ayudó a lograr una estructura tridimensional homogénea de tamaño de agregado uniforme. La agregación tridimensional formó neuroesferas que se utilizaron para formar un modelo tridimensional in vitro del SNC. [27]

Andamios bioactivos como tratamiento de lesiones cerebrales traumáticas

La lesión cerebral traumática (LCT) puede deformar el tejido cerebral, lo que lleva a un daño primario de necrosis que luego puede generar una cascada y activar un daño secundario como excitotoxicidad , inflamación , isquemia y la ruptura de la barrera hematoencefálica . El daño puede escalar y eventualmente llevar a la apoptosis o muerte celular. Los tratamientos actuales se centran en prevenir un mayor daño estabilizando el sangrado, disminuyendo la presión intracraneal y la inflamación e inhibiendo las cascadas proapoptóticas. Para reparar el daño de la LCT, una próxima opción terapéutica implica el uso de células madre neurales derivadas de la región periventricular embrionaria . Las células madre se pueden cultivar en un entorno tridimensional favorable, de baja citotoxicidad , un hidrogel , que aumentará la supervivencia de las células madre neurales cuando se inyecten en pacientes con LCT. Se observó que las células madre neurales cebadas e inyectadas intracerebrales migraban al tejido dañado y se diferenciaban en oligodendrocitos o células neuronales que secretaban factores neuroprotectores. [28] [29]

Galectina-1 en células madre neuronales

La galectina-1 se expresa en las células madre neurales adultas y se ha demostrado que tiene un papel fisiológico en el tratamiento de trastornos neurológicos en modelos animales. Existen dos enfoques para utilizar las células madre neurales como tratamiento terapéutico: (1) estimular las células madre neurales intrínsecas para promover la proliferación con el fin de reemplazar el tejido dañado, y (2) trasplantar las células madre neurales en el área dañada del cerebro para permitir que las células madre neurales restauren el tejido. Se utilizaron vectores lentivirus para infectar células madre neurales humanas (hNSC) con galectina-1 que luego se trasplantaron al tejido dañado. Las hGal-1-hNSC indujeron una recuperación cerebral mejor y más rápida del tejido dañado, así como una reducción de los déficits motores y sensoriales en comparación con el trasplante de hNSC únicamente. [8]

Ensayos

Las células madre neurales se estudian rutinariamente in vitro utilizando un método conocido como ensayo de neuroesferas (o sistema de cultivo de neuroesferas), desarrollado por primera vez por Reynolds y Weiss. [30] Las neuroesferas son entidades celulares intrínsecamente heterogéneas formadas casi en su totalidad por una pequeña fracción (1 a 5%) de células madre neurales de división lenta y por su progenie, una población de células progenitoras positivas para nestina de división rápida. [30] [31] [32] El número total de estos progenitores determina el tamaño de una neuroesfera y, como resultado, las disparidades en el tamaño de las esferas dentro de diferentes poblaciones de neuroesferas pueden reflejar alteraciones en el estado de proliferación, supervivencia y/o diferenciación de sus progenitores neurales. De hecho, se ha informado que la pérdida de integrina β1 en un cultivo de neuroesferas no afecta significativamente la capacidad de las células madre deficientes en integrina β1 para formar nuevas neuroesferas, pero influye en el tamaño de la neuroesfera: las neuroesferas deficientes en integrina β1 fueron en general más pequeñas debido al aumento de la muerte celular y la proliferación reducida. [33]

Si bien el ensayo de neuroesferas ha sido el método de elección para el aislamiento, la expansión e incluso la enumeración de células madre y progenitoras neuronales, varias publicaciones recientes han resaltado algunas de las limitaciones del sistema de cultivo de neuroesferas como método para determinar las frecuencias de células madre neuronales. [34] En colaboración con Reynolds, STEMCELL Technologies ha desarrollado un ensayo basado en colágeno , llamado ensayo de células formadoras de colonias neuronales (NCFC), para la cuantificación de células madre neuronales. Es importante destacar que este ensayo permite la discriminación entre células madre neuronales y progenitoras. [35]

Historia

La primera evidencia de que la neurogénesis ocurre en ciertas regiones del cerebro de mamíferos adultos provino de estudios de marcaje de [3H]-timidina realizados por Altman y Das en 1965 que mostraron neurogénesis hipocampal postnatal en ratas jóvenes. [36] En 1989, Sally Temple describió células madre y progenitoras multipotentes y autorrenovables en la zona subventricular (SVZ) del cerebro de ratón. [37] En 1992, Brent A. Reynolds y Samuel Weiss fueron los primeros en aislar células madre y progenitoras neuronales del tejido estriatal adulto , incluyendo la SVZ -una de las áreas neurogénicas- del tejido cerebral de ratones adultos. [30] En el mismo año, el equipo de Constance Cepko y Evan Y. Snyder fue el primero en aislar células multipotentes del cerebelo de ratón y las transfectó de forma estable con el oncogén v-myc . [38] Esta molécula es uno de los genes que se utilizan ampliamente en la actualidad para reprogramar células adultas no madre y convertirlas en células madre pluripotentes. Desde entonces, se han aislado células madre y progenitoras neuronales de varias áreas del sistema nervioso central adulto, incluidas áreas no neurogénicas, como la médula espinal , y de varias especies, incluidos los humanos. [39] [40]

Véase también

Referencias

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