Las células madre y la terapia del Párkinson

Isabel Fariñas. Departamento de Biología Celular de la Universidad de Valencia y Centro de Investigación Biomédica en Red (CIBER) de Enfermedades Neurodegenerativas

El aumento en la incidencia de las enfermedades neurodegenerativas supone un importante problema social. La forma ideal de combatir estas enfermedades, todas ellas caracterizadas por depósitos anormales de proteínas y pérdida progresiva de neuronas, sería conocer las causas que las producen y disponer de biomarcadores precoces para poder detenerlas en sus inicios. Desgraciadamente, el diagnóstico de estas enfermedades sólo es posible en fases avanzadas de la patología, cuando ya se han perdido inmumerables neuronas. Por ello, la restitución neuronal mediante trasplante se presenta como una estrategia terapéutica razonable.

La enfermedad de Parkinson (PD, de Parkinson´s disease) es la enfermedad neurodegenerativa con afectación motora más frecuente, con 10 millones de pacientes en todo el mundo, y una prevalencia en aumento por el incremento en la expectativa de vida en el primer mundo. Aunque existen casos de PD hereditaria por alteraciones en un único gen (ver:  http://ghr.nlm.nih.gov/condition/parkinson-disease), la mayoría son de etiología desconocida (genética y/o ambiental). Los síntomas clínicos, como temblor en reposo, lentitud de movimientos (bradicinesia), rigidez muscular e inestabilidad postural, son consecuencia de la degeneración de las neuronas dopaminérgicas (DAérgicas) de la sustancia nigra que inervan los núcleos de control motor caudado y putamen (estriado). Los síntomas aparecen, después de décadas de degeneración lenta de estas neuronas, cuando se ha perdido ya más del 50% de las neuronas DAérgicas y más del 70% de la dopamina (DA) estriatal. La administración oral de L-dihidroxifenilalanina (L-DOPA), una molécula precursora de la DA que atraviesa la barrera hematoencefálica, produce un aumento de DA en el cerebro, por estimulación de los terminales sinápticos que todavía persisten en el paciente, y una corrección llamativa, si bien breve, de los síntomas motores (para otras estrategias farmacológicas sobre el sistema DAérgico, ver Huynh, 2011; para estrategias basadas en terapia génica, ver Buttery y Barker, 2014). En pacientes que no responden a L-DOPA o en estadios avanzados de la enfermedad, se utiliza la implantación quirúrgica de un electrodo para la estimulación del núcleo subtalámico, lo que mejora la función motora haciendo una especie de “bypass” de los circuitos afectados. Pero no existe una terapia curativa para la PD y muchos esfuerzos se centran en el desarrollo de terapias celulares (Petit y cols., 2014; Sundberg e Isacson, 2014).

La aproximación basada en trasplante para PD ha demostrado ser segura y factible. Los primeros ensayos con células se iniciaron hace ya 25 años en diversos países y hasta 400 pacientes tuvieron acceso a esta terapia experimental en todo el mundo. El protocolo consistía en inocular neuronas DAérgicas obtenidas del cerebro de fetos de entre 6 y 10 semanas de gestación en el estriado de los pacientes. Las neuronas trasplantadas sobrevivían durante años y liberaban DA, aliviando los síntomas motores de forma parecida a la administración de L-DOPA. El problema era la necesidad de disponer de entre 4 y 6 fetos por cada paciente. Esta limitación y la variabilidad entre las neuronas procedentes de distintos fetos, unida a potenciales problemas éticos, impulsaron la búsqueda de fuentes celulares alternativas coincidiendo con el auge de la investigación en células troncales, también llamadas células madre o SC (de stem cells).

El establecimiento por James Thomson en 1998 de las condiciones para cultivar in vitro células troncales embrionarias humanas o células hES (de human embryonic stem), obtenidas a partir de la masa celular interna de embriones pre-implantacionales, abrió enormes posibilidades. Estas células podían ser expandidas sin límite en condiciones que mantenían sus propiedades de indiferenciación y pluripotencia. Dada la posibilidad de disponer de un número ilimitado de estas células pluripotenciales, se desarrollaron métodos para inducir su diferenciación en neuronas DAérgicas en la placa de cultivo con la idea de evitar la necesidad de donantes fetales. En el año 2007, los estudios del investigador japonés Shinya Yamanaka sobre genes que regulan el estado de pluripotencia de las células hES le llevaron a demostrar que cualquier célula diferenciada podía ser retrotraída al estado pluripotente característico de las células hES, mediante la introducción en ella de unos pocos genes. Basta con la expresión transitoria de los genes Sox2, Oct4, Klf4 y c-myc, lo que dio en llamarse el cóctel de Yamanaka, en un fibroblasto de la piel, obtenido fácilmente mediante cirugía ambulatoria, para conseguir la reprogramación de la célula al estado celular característico de las pluripotentes embrionarias. Se abría la posibilidad a la medicina regenerativa personalizada en la que las células a trasplantar podían ser genéticamente idénticas al paciente que recibiría el trasplante. Este extraordinario descubrimiento nos enseñaba, además, que las marcas epigenéticas que constituyen la memoria histórica de un linaje celular podían ser borradas y recibiría el premio Nobel de Fisiología o Medicina tan sólo cinco años después de su publicación. Entrábamos en la era de las células pluripotentes inducidas o células iPS (de induced pluripotent stem).

Las células pluripotentes, ya sean hES o iPS, pueden diferenciarse con relativa facilidad a neuronas DAérgicas. Sin embargo, la mayor limitación para el uso de estas células en clínica es el enorme potencial proliferativo de aquellas células que hayan permanecido indiferenciadas. De ser trasplantadas, junto a los productos diferenciados a partir de ellas, podrían dar lugar a un tumor. No es de extrañar, por tanto, que no haya sido aprobado por la FDA ningún ensayo clínico para el uso de células pluripotentes para PD. Las estrategias que se están investigando en este ámbito consisten en desarrollar sistemas de marcaje que permitan la separación de las células diferenciadas de las no diferenciadas. También, una modificación conceptual y técnica muy notable del método de reprogramación ha consistido en el desarrollo de protocolos para reprogramar fibroblastos no a un estado de pluripotencia sino a un estado diferenciado alternativo, de forma que hoy en día se pueden obtener neuronas DAérgicas inducidas (iDA) o progenitores neurales inducidos (iN) a partir de ellos (Petit y cols., 2014; Sundberg e Isacson, 2014). El mayor obstáculo para que esta vía sea útil es el porcentaje de neuronas DAérgicas producidas in vitro, todavía muy bajo. Aparte de su potencial uso en medicina regenerativa, hay que mencionar que la posibilidad de obtener neuronas DAérgicas genéticamente idénticas a las que se encuentran en el cerebro de la persona que donó la biopsia de piel ha despertado el interés del sector farmacéutico, que advierte la extraordinaria ventaja de disponer de modelos celulares de enfermedad personalizada en los que llevar a cabo “drug screening”.

La existencia de todas estas fuentes (Figura 1) podría hacer pensar que la estrategia está clara y que sólo es necesario aumentar el rendimiento en la producción de tipos celulares deseados y evitar trasplantar células indiferenciadas. Sin embargo, las pruebas de concepto en animales de experimentación han indicado que, independientemente de la fuente celular elegida, las neuronas trasplantadas no se integran en los circuitos pre-existentes. Sobreviven sí, pero no participan en la función cerebral como lo hacían las neuronas perdidas. El parénquima cerebral no promueve el crecimiento y la reformación de nuevas conexiones y muchos estudios van a ser necesarios para vencer esta limitación.

Figura 1

Figura 1. a. Esquema en el que se representan las distintas estrategias seguidas para la obtención de neuronas DAérgicas.

Sin embargo, los trasplantes funcionan. Y lo más fácil es pensar que lo hacen porque liberan DA. En este contexto, me gustaría hablar de lo que hemos aprendido de una terapia que podríamos considerar “made in Spain” (Minguez-Castellanos y cols., 2007; López-Barneo y cols., 2009). Hace unos años, el laboratorio del Dr. José López-Barneo del Instituto de Investigación Biomédica de Sevilla (IBiS) desarrolló una estrategia anti-parkinsoniana basada en el trasplante de células glómicas del cuerpo carotídeo como donadoras de una fuente de DA. El cuerpo carotídeo es un órgano quimiosensor par, con uno en cada bifurcación de las arterias carótidas, que detecta los cambios en el nivel de oxígeno en sangre y dispara el reflejo de hiperventilación en situaciones de hipoxia. La idea era que si las células glómicas sobrevivían en el estriado, constituirían una fuente de DA y sería posible un trasplante autólogo, utilizando uno de los cuerpos carotídeos del paciente. La estrategia ha funcionado en animales de experimentación y en humanos, aunque no por constituir una fuente de DA, sino por el aporte trófico de las células gómicas, que sobreviven en el parénquima cerebral y secretan “factor neurotrófico derivado de glía” (GDNF, de glial derived neurotrophic factor), una proteína que promueve la supervivencia de neuronas DAérgicas. Ni que decir tiene que esta estrategia funciona si todavía existe un buen número de neuronas DAérgicas sanas en el cerebro. Por ejemplo, sólo los pacientes de PD más jóvenes y menos afectados respondieron al trasplante en el primer ensayo clínico de esta terapia.   

En los años 90, grandes empresas de biotecnología como Genentech o Regeneron en EEUU exploraron la eficacia de factores neurotróficos como el citado GDNF o las neurotrofinas (NGF, BDNF, NT-3 o NT-4) como protectores en procesos neurodegenerativos. Los primeros ensayos no mostraron la eficacia esperada, por problemas de difusión del factor y porque las neuronas del cerebro necesitan más de un factor trófico. Pero, los ensayos con cuerpo carotídeo indican que una estrategia neuroprotectora con un cóctel de factores o una liberación bien controlada podría funcionar. Lo cierto es que células no neurales modificadas genéticamente para expresar factores neurotróficos han mostrado alguna eficacia también en la protección de neuronas. Hoy en día, una estrategia combinada de terapia celular y neuroprotección parece más prometedora que la infusión intracerebral de factores individuales ensayada en el siglo pasado. Los avances en este ámbito son posibles aunque para ello sería preciso seguir avanzando, además, en la detección precoz.

Siempre se ha considerado que en la PD se pierde un grupo específico de neuronas. Sin embargo, la enfermedad evoluciona y los enfermos acaban mostrando afectación de múltiples áreas del sistema nervioso, lo que produce depresión, demencia, alteraciones del sueño, o disfunciones del sistema nervioso autónomo. Son estos síntomas, insensibles al tratamiento con L-DOPA, los que más preocupan hoy en día a los neurológos. En este contexto, de degeneración neuronal más difusa, es difícil pensar que un trasplante localizado pueda paliar los déficits o frenar el avance de la enfermedad. Por ello, otra visión está emergiendo en el ámbito de la investigación básica.

En los últimos 20 años hemos asistido al descubrimiento de que en los cerebros de los mamíferos, incluyendo el de los humanos, se producen neuronas durante toda la vida en dos ubicaciones concretas. Los denominados nichos neurogénicos contienen células madre neurales (NSC, de neural stem cell) que se mantienen y auto-renuevan durante toda la vida produciendo, de forma continuada, nuevas neuronas que sí se integran en circuitos pre-existentes. Uno de los hallazgos más llamativos sobre estas células fue que pertenecen al linaje astrocitario. Se originan a partir de las NSCs que, durante el desarrollo fetal, dan lugar a todas las neuronas y células gliales del cerebro, y en los dos nichos neurogénicos existentes permanecen, por razones desconocidas, como células indiferenciadas y neurogénicas. Cuando estas células pierden su potencial se transforman en el producto final de su linaje natural, el astrocito. Por ello, diversos laboratorios están investigando la siguiente posibilidad. Los astrocitos diferenciados se encuentran en todo el cerebro; de hecho, nuestro cerebro contiene más astrocitos que neuronas (Figuras 2 y 3).

Quizás, a la nueva luz de la reprogramación como concepto biológico y con un conocimiento profundo de cómo se comportan las NSCs en los nichos neurogénicos naturales, se podría actuar en cualquier área del cerebro adulto para retrotraer a los astrocitos maduros a su estado neurogénico fetal y, a partir de ellos, generar las neuronas que hacen falta (Miller y Kaplan, 2012). ¿Ciencia ficción?, ¿futurismo? Puede ser, pero los avances en ciencia y en biotecnología no los hacen los cobardes.

Figura 2

Figura 2. a. Esquema de un corte coronal de un cerebro humano a nivel de los núcleos estriados, caudado y putamen. Estas estructuras se localizan cercanas al ventrículo lateral y en las paredes de éste de ubica uno de los nichos neurogénicos del cerebro, la zona subventricular (SVZ), donde se localizan células madre neurales (NSCs). b. La inervación DAérgica al estriado disminuye en los pacientes con PD. La tirosina hidroxilasa es el enzima limitante en la síntesis de DA y un marcador de terminales sinápticos DAérgicos, terminales que disminuyen en una situación de parkinsonismo. c. En el estriado, como en cualquier otra zona cerebral, son abundantes los astrocitos, que se marcan con anticuerpos que reconocen la proteína acídica fibrilar glial (GFAP). d. En la SVZ, las NSCs que producen nuevas neuronas  a lo largo de toda la vida y pertenecen al linaje astrocitario. e. In vitro, las NSCs proliferan de forma clonal formando neuroesferas.

Figura 3

Figura 3. La PD se manifiesta con alteraciones motoras cuando se ha perdido un porcentaje importante de la DA en los núcleos del estriado (caudado y putamen). Cualquier estrategia neuroprotectora, ya sea basada en la infusión intracerebral de factores de supervivencia neuronal o en el trasplante de células productoras de dichos factores (células de múltiples orígenes modificadas genéticamente o fuentes naturales de factores tróficos, como son las células glómicas), contribuiría a la supervivencia de las neuronas que todavía persisten en el paciente y, por tanto, sólo tendrá éxito en fases muy tempranas de la enfermedad. Estas estrategias se verían muy favorecidas por una detección precoz de la enfermedad que, a día de hoy, no es posible. Las estrategias de neurorreparación se fundamentan en restituir el déficit de DA con injertos de neuronas DAérgicas, aunque persiguen la integración de estas neuronas en los circuitos cerebrales, algo no conseguido hasta la fecha. La movilización de progenitores neurogénicos endógenos es una posibilidad más a largo plazo pero ya se está desarrollando experimentación en esta dirección.

 

Algunas referencias para ampliar la información:

Buttery PC, Barker RA (2014) Treating Parkinson´s disease in the 21st century: can stem cell transplantation compete? J Comp. Neurol. 522:2802-2816.

López-Barneo J, Pardal R, Ortega-Sáenz P, Durán R, Villadiego J, Toledo-Aral JJ (2009) The neurogenic niche in the carotid body and its applicability to antiparkinsonian cell therapy. J Neural Transm. 116:975-82.

Miller FD, Kaplan DR. (2012) Mobilizing endogenous stem cells for repair and regeneration: are we there yet? Cell Stem Cell 10:650-2.

Mínguez-Castellanos A, Escamilla-Sevilla F, Hotton GR, Toledo-Aral JJ, Ortega-Moreno A, Méndez-Ferrer S, Martín-Linares JM, Katati MJ, Mir P, Villadiego J, Meersmans M, Pérez-García M, Brooks DJ, Arjona V, López-Barneo J (2007) Carotid body autotransplantation in Parkinson disease: a clinical and positron emission tomography study. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 78:825-31.

Petit GH, Olsson TT, Brundin P (2014) The future of cell therapies and brain repair: Parkinson's disease leads the way. Neuropathol Appl Neurobiol. 40:60-70.

Sundberg M, Isacson O (2014) Advances in stem-cell--generated transplantation therapy for Parkinson's disease. Expert Opin Biol Ther. 14:437-53.

Huynh T (2011) The Parkinson's disease market. Nat Rev Drug Discov.10:571-572.

 

Páginas web

Información sobre causas genéticas. Web del NIH en la que se recoge la información genética sobre la PD:

ghr.nlm.nih.gov/condition/parkinson-disease

Web de la Fundación Michael J.Fox Foundation en la que se recoge información de diversa naturaleza sobre la enfermedad e investigación sobre ella:

www.michaeljfox.org

Información sobre ensayos clínicos. Webs del NIH y de la National Parkinson Foundation americana en la que se recoge información sobre ensayos clínicos:

http://www.nih.gov/health/clinicaltrials/index.htm

http://parkinson.org/clinicaltrials

Información sobre tratamientos. Iniciativa de la National Parkinson Foundation americana para el seguimiento de la repuesta de los pacientes a los tratamientos, con el fin de categorizar mejor las ventajas y desventajas de las distintas aproximaciones terapéuticas.

http://parkinson.org/Improving-Care/Research/Parkinsons-Outcomes-Project--Report-to-the-Commun