Biorreactores para la expansión de células madre pluripotentes

Requisito de las terapias celulares avanzadas para la reparación del corazón

Los trastornos cardiovasculares (ECV) representan las causas más importantes de muerte prematura en los países desarrollados. Estadísticas recientes demuestran que el 28% de las muertes prematuras en hombres y el 19% en mujeres menores de 75 años son el resultado de ECV. Las placas ateroscleróticas que restringen la luz y la flexibilidad de los vasos coronarios en el corazón a menudo preceden al infarto de miocardio (IM). La oclusión definitiva de un vaso puede desencadenar un IM al interrumpir el suministro de oxígeno y nutrición al área afectada. La isquemia tisular y la reperfusión subsiguiente pueden inducir la pérdida irreversible de miles de millones de cardiomiocitos (MC). Dado que los MC en el corazón humano maduro están detenidas en el ciclo celular, no muestran una proliferación prominente, si es que la hay. La evidencia reciente también ha desafiado la presencia de una población de células madre de potencial regenerativo relevante en el corazón. En consecuencia, en lugar de la regeneración de tejidos, se forma una cicatriz fibrótica acinética en el área afectada. Esta afección generalmente conduce a una función cardíaca reducida y, en última instancia, puede resultar en insuficiencia orgánica. La única opción curativa, el trasplante de corazón, está limitada por la falta de donantes de órganos. A pesar de los avances sustanciales en la ingeniería de los dispositivos de asistencia ventricular izquierda (DAVI), una máquina que conecta a los pacientes con insuficiencia cardíaca aguda con el trasplante de órganos, la técnica aún se ve obstaculizada por graves limitaciones. Estos incluyen infecciones frecuentes así como el alto riesgo de trombosis, que puede ocurrir a pesar de la necesidad de tomar fármacos diluyentes de la sangre que, por sí mismos, pueden provocar efectos secundarios indeseables como hemorragias incontroladas.

Por tanto, la terapia celular se ha concebido como una estrategia prometedora para la reparación del corazón. El objetivo es lograr la reparación tisular mediante la entrega ectópica de células al órgano, ya sea para estimular la regeneración endógena del corazón o para reemplazar directamente las MC perdidas por las células del donante trasplantadas. A pesar de los numerosos ensayos clínicos centrados en el trasplante de células propias del paciente derivadas, por ejemplo, de músculo esquelético, médula ósea o sangre periférica al corazón limitado, solo se logró la recuperación de la función cardíaca. Además, se ha negado la generación hipotética de MC por «transdiferenciación» de las células adultas (madre o progenitoras) de los pacientes después de un parto cardíaco. En la actualidad se acepta ampliamente que algunos subtipos específicos de células madre o progenitoras adultas, en particular las de la médula ósea, pueden estimular la recuperación del corazón mediante la liberación de factores paracrinos que desencadenan eventos moduladores de células y tejidos, como la disminución de las MC inducidas por MI, pérdida y / o revascularización tisular mejorada después de un IM. Sin embargo, queda por demostrar que estos efectos son lo suficientemente sustanciales como para mejorar significativamente la condición de los pacientes a largo plazo.

Estrategias basadas en células madre pluripotentes para la reparación del corazón

Un concepto alternativo apunta a reemplazar el tejido cardíaco dañado mediante el trasplante de MC genuinos generados in vitro, solos o en combinación con otros linajes. Los tipos de células que podrían fomentar la reparación del corazón cuando se cotransplantan con MC incluyen células endoteliales y pericitos para estimular la vascularización del injerto, fibroblasto formador de tejido conectivo y matriz extracelular, así como células madre mesenquimales (MSC), que han sido demostrado que actúa inmunomodulador y libera factores de pro-supervivencia, estimulando así el injerto de células del donante en el co-trasplante al corazón.

Todos estos tipos de células se han obtenido recientemente con eficiencias crecientes a partir de células madre pluripotentes humanas (hPSC), incluidas las células madre embrionarias humanas (hESC) y las células madre pluripotentes inducidas por humanos (hiPSC), como se ha demostrado para las células endoteliales, pericitos y CMM, así como CM bona fide. Además de su potencial para diferenciarse esencialmente en cualquier tipo de célula somática, las células madre pluripotentes (PSC) tienen la propiedad de proliferación ilimitada en el estado pluripotente, en condiciones de cultivo apropiadas. Mientras que las células madre embrionarias (ESC) han planteado preocupaciones éticas debido a su origen de embriones humanos en etapa de blastocisto, las hiPSC se derivan mediante la reprogramación de células somáticas. La tecnología iPSC no solo está superando problemas éticos, sino que también permite la derivación de PSC específicas del paciente, lo que, en principio, debería evitar el rechazo de las progenies derivadas de iPSC cuando se trasplantan al paciente de origen. Además, la tecnología abre la excitante posibilidad de establecer in vitro modelos de enfermedades específicas de pacientes y tejidos.

Con respecto al corazón, se han sugerido una gran cantidad de estrategias para la reparación de tejidos basada en hPSC, incluida la inyección transmural directa de CM derivadas de hPSC solas o en combinación con otras células y matrices, que se probó inicialmente en roedores modelos. Alternativamente, se considera el trasplante de láminas de células de múltiples capas o construcciones o parches de ingeniería de tejidos más sofisticados. Los obstáculos conocidos incluyen la escasa retención de células inyectadas en el tejido cardíaco, las bajas tasas de supervivencia in situ debido a condiciones hipóxicas, proapoptóticas, inflamatorias e inmunológicas, y la falta de estrategias sencillas para controlar y orquestar la , integración electromecánica de MC de donantes con células del músculo cardíaco endógenas. Recientemente, sin embargo, se demostró la formación exitosa de injertos sustanciales de CM derivadas de hESC en corazones infartados de primates no humanos. Además, utilizando enfoques de ingeniería de tejidos o agregados multicelulares, trabajos recientes también permitieron la implantación y seguimiento de derivados de hPSC en modelos porcinos de daño cardíaco. Además de los primates no humanos, los cerdos se encuentran entre los modelos más apropiados con respecto a la fisiología y fisiopatología del corazón humano, incluida una frecuencia de latido y un tamaño de órganos equivalentes. Si bien los roedores han sido muy útiles para demostrar la prueba de concepto para el acoplamiento funcional de CM derivadas de células madre embrionarias de ratón (mESC) a células endógenas del músculo cardíaco, los corazones de ratones y ratas se consideran de uso limitado para probar el acoplamiento electromecánico de CM derivadas de hPSC, ya que tienen una frecuencia de latido de cuatro a seis veces mayor en comparación con los humanos; Los conejillos de indias que tienen una frecuencia cardíaca de ~ 250 latidos por minuto (lpm) se han sugerido como una alternativa potencial, por lo que se encuentran en la interfase entre ratas (~ 400 lpm) y ratones (~ 600 lpm) en un extremo del espectro y cerdos, primates no humanos y el hombre (~ 60 – 200 lpm) en el otro extremo.

En particular, se publicó recientemente un primer estudio de caso de un paciente humano que recibió células progenitoras cardíacas derivadas de hESC, lo que demuestra que la tecnología está a la vanguardia de la traducción clínica. Esto resalta que, además de la producción de un gran número de células, se requiere urgentemente el procesamiento estandarizado de hPSC y sus progenies en condiciones que cumplan con las buenas prácticas de fabricación (GMP). Los respectivos procesos de producción de células serán obligatorios para facilitar el inicio de ensayos clínicos significativos destinados a probar la viabilidad y, lo que es más importante, la seguridad de las terapias celulares previstas. Sin embargo, para realizar pruebas funcionales preclínicas de CM derivadas de hPSC en modelos animales grandes se requiere fácilmente la producción robusta de miles de millones de células equivalentes a las dosis de células terapéuticas estimadas para el hombre, mucho antes de la aplicación clínica de rutina.