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Cartílagos a partir de células madre endógenas

La medicina regenerativa es una promesa para el tratamiento de enfermedades degenerativas y genéticas. El objetivo es rejuvenecer el tejido dañado a través del trasplante de células madre pluripotentes o multipotentes, que son capaces de diferenciarse en una amplia gama de tipos celulares. Los desafíos incluyen la necesidad de procedimientos invasivos para recolectar las células autólogas, la absorción específica de tejido celular y el rechazo de las células heterólogas. En trastornos como la artrosis, los condrocitos incrustados en grandes cantidades de matriz extracelular agravan el problema de acceso vascular. Nuevos datos de Kristen Johnson y colaboradores (Science 2012 April 5) demuestran que las células endógenas progenitoras pueden ser estimuladas por un pequeño compuesto heterocíclico llamado kartogenina que se diferencia y prolifera como condrocitos producidos en la matriz, pudiendo estimular la reparación de la osteoartritis, y así evitar los problemas generados por las células madre.

La osteoartritis es una enfermedad degenerativa del cartílago articular, causada por estrés mecánico, lesiones de ligamentos y anomalías genéticas que afectan a cartílagos y huesos. La capa protectora del cartílago es erosionada, provocando dolor, inflamación y pérdida de la función articular, al mismo tiempo, las proteínas de la matriz del cartílago, como los péptidos de colágeno tipo II y las metaloproteinasas, son liberadas a nivel sérico. El grupo de K. Johnson implementó un enfoque para la estimulación de células madre y su diferenciación, que implicó la proyección de una biblioteca de más de 20.000 moléculas heterocíclicas, compuestos que imitan a los ligandos naturales que intervienen en la señalización y diferenciación celular. Una molécula, la kartogenina, fue capaz de promover la diferenciación de células madre mesenquimales en los nódulos de cartílago in vitro. Los nódulos tenían marcadores que eran específicos para el cartílago, como el colágeno tipo II y el agrecano, efecto muy importante ya que no tenían marcadores de condrocitos hipertróficos o células de médula. El cultivo a largo plazo de células diferenciadas con kartogenina no desencadenó la producción de enzimas que degradan la matriz, como las metaloproteinasas de matriz, pero aumentó el nivel de inhibidores tisulares de protección de metaloproteinasas. Los autores observaron también que la kartogenina parcialmente suprimió la liberación de óxido nítrico y de glicosaminoglicano proinflamatorios, subproductos de la destrucción del tejido en cultivos de condrocitos articulares y explantes de cartílago.

K. Johnson y colegas evaluaron una inyección intra-articular de kartogenina en dos modelos de ratón para la osteoartritis. En uno, se indujo la enfermedad con una inyección de colagenasa para imitar una lesión crónica de las articulaciones, y en el otro se incitó la ruptura del ligamento de rodilla para crear una lesión aguda. En ambos modelos el cartílago articular se regeneró a las varias semanas y se redujeron los niveles séricos de productos de degradación. Por lo tanto, la kartogenina parece tener un efecto regenerativo y protector. La cantidad de kartogenina absorbida desde el espacio intra-articular en suero se estimó en 0,1% de la dosis intra-articular, un nivel con insignificantes efectos tóxicos sistémicos.

Para desencadenar los eventos intracelulares en las células madre mesenquimales y en condrocitos, los autores sintetizaron un análogo del compuesto, con una extensión en un extremo que facilitaba la reticulación de kartogenina con sus compañeros de unión y una extensión de biotina en el otro extremo que permitía la formación de complejo reticulado (y por tanto la unión) que eran detectados en geles. A través de este procedimiento, los investigadores identificaron la proteína citosólica filamina A, la cual se une a la actina y conecta la red filamentosa intracelular de proteínas de la membrana celular, como un ligando de kartogenina. Se determinó la parte exacta de filamina A que se une a la kartogenina.

Sin embargo, un compañero clave de enlace para la filamina A humana, el factor aglutinante central β (CBFβ), que normalmente se une al sitio de filamina A también se unió a la kartogenina. El grado de unión entre la filamina A y CBFβ regula la vía de diferenciación; K. Johnson y colaboradores procedieron a demostrar en células madre mesenquimales humanas que esta vía es activada por kartogenina. La filamina A retuvo a CBFβ en el citoplasma durante la inactividad. Cuando CBFβ está activado, este se disocia de la filamina A y se transloca hacia el núcleo, la unión competitiva de kartogenina a filamina A desplaza a CBFβ, aumentando la cantidad de CBFβ disponible para entrar en el núcleo y dimerizarse con el factor de transcripción RUNX1 (fig. 1). Juntos, el complejo CBFβ-RUNX1 activa los genes para la diferenciación de células madre mesenquimales en el cartílago. Los investigadores continuaron para demostrar que la disminución de los niveles de CBFβ o RUNX1 elimina el efecto de diferenciación de la kartogenina, lo que indica que ambos factores son esenciales para activar la vía por este compuesto heterocíclico.

Recientemente se han descrito datos en modelos de ratón que apoyan la teoría que la inyección intra-articular de una molécula heterocíclica, la kartogenina, es capaz de diferenciar de forma endógena las células madre mesenquimales en condrocitos para la producción de cartílago. De acuerdo con los experimentos in vitro con células madre mesenquimales humanas, la kartogenina se une al extremo carboxilo de la filamina A, desplazando a CBFβ de su sitio de unión citoplasmático. CBFβ se libera para entrar en el núcleo, donde se une al factor de transcripción RUNX1. Además, el complejo CBFβ-RUNX1 activa la transcripción de las proteínas implicadas en la diferenciación del cartílago, aumentando la síntesis de los componentes de la matriz del cartílago (como el colágeno tipo II, agrecano y los inhibidores tisulares de las metaloproteinasas), y protegiendo el cartílago contra el estrés.

Las terapias basadas en células regenerativas que utilizan células madre endógenas tienen atractivas características: una perfecta combinación genética, localización óptima y aplicación no sistémica. Sería ventajoso estimular la diferenciación de las propias células madre por medio de un compuesto químico fácilmente entregable que realizar perforación convencional y técnicas de micro-fracturas para estimular las células madre endógenas. Es fácil imaginar la aplicación articular preventiva de kartogenina después de una rotura del ligamento o su aplicación de restauración para la osteoartritis crónica.

La kartogenina no es la primera molécula de síntesis química capaz de influir en la diferenciación de células madre adultas. Otras moléculas han demostrado estimular la diferenciación de células progenitoras neuronales del hipocampo mediante la inhibición de la progresión del ciclo celular. Otros tipos moleculares, como ciertas moléculas de ARN (aptámeros de ARN), que interfieren directamente con factores de transcripción, también son utilizados para regular la transcripción y diferenciación. Estas herramientas químicas parecen ser particularmente útiles para orientar la implantación de tejidos, como en los huesos y tejido neural. Tales compuestos pueden resultar útiles en el tratamiento de enfermedades genéticas, pero requeriría corregir el trasplante de células madre autólogas. El uso de trasplante de células madre en modelos de ratón para la osteogénesis imperfecta ha permitido mejorar la mecánica ósea a pesar del bajo nivel de injerto de células en el compartimento óseo. Quizás complementar este enfoque con una molécula como la kartogenina, mejoraría el éxito de los trasplantes, la estimulación de la diferenciación y la proliferación de las células injertadas.