La capacidad de reprogramar células somáticas derivadas de pacientes a IPSC (células madre pluripotentes inducidas) ha permitido comprender mejor el envejecimiento y las enfermedades relacionadas con la edad, como el Parkinson y el Alzheimer. Los modelos de enfermedades derivados de pacientes establecidos imitan la patología de la enfermedad y se pueden utilizar para diseñar fármacos para el envejecimiento y las enfermedades relacionadas con la edad. Sin embargo, la edad y las mutaciones genéticas de las células donantes, la reprogramación empleada y el protocolo de diferenciación a menudo pueden plantear desafíos para establecer un modelo de enfermedad adecuado. En esta revisión, nos centraremos en las diversas estrategias para la reprogramación y diferenciación exitosas de células derivadas de pacientes a modelos de enfermedad para el envejecimiento y las enfermedades relacionadas con la edad, haciendo hincapié en la precisión en la recapitulación de la patología de la enfermedad y las formas de superar las limitaciones de su posible aplicación en la terapia de reemplazo celular y el desarrollo de fármacos.
Introducción
El envejecimiento es un fenómeno complejo en el que influyen factores genéticos y ambientales. El aumento de la tasa de envejecimiento biológico en los seres humanos suele estar asociado al desarrollo de trastornos neurodegenerativos relacionados con la edad, como el Alzheimer (EA) y el Parkinson (PD). Hasta la fecha, se han utilizado diversos modelos celulares y animales para comprender el mecanismo del envejecimiento y las enfermedades relacionadas con la edad, y algunos de ellos se analizan a continuación.
El envejecimiento en animales y especialmente en humanos es el resultado natural de la entropía en las células como parte de los tejidos y órganos del cuerpo humano. Es un proceso lento e inexorable que conduce a un aumento continuo de errores moleculares en el ADN y las proteínas, alterando cada vez más la homeostasis de las células, tejidos y órganos. En consecuencia, se ha establecido un conjunto de herramientas para analizar el envejecimiento a nivel celular. El envejecimiento celular es una representación de la senescencia replicativa, un proceso por el cual las células somáticas pierden su capacidad proliferativa y dejan de dividirse después de una detención del ciclo celular. In vitro, las células de fibroblastos humanos se utilizan para estudiar el proceso de senescencia replicativa debido a su capacidad proliferativa limitada. La senescencia en estas células se evalúa por un aumento en la actividad de β-galactosidasa o la expresión de proteínas supresoras de tumores que restringen el ciclo celular como p14 ARF , p16, p21 y p53. Alternativamente, el envejecimiento celular también puede caracterizarse por la expresión de marcadores de envejecimiento como IGF1, EGF y c-Fos en las células. Además, la medición de la duplicación de la población de células permite la cuantificación del número de células asociadas con el envejecimiento replicativo. Sin embargo, estudiar la senescencia replicativa a menudo requiere mucho tiempo, ya que se requieren numerosas duplicaciones de la población antes de que las células finalmente adquieran características de senescencia. Además, varios factores pueden inducir estrés, afectando así las condiciones de cultivo celular y acelerando la senescencia. Esto plantea la pregunta de si los cambios que observamos como senescencia replicativa en las células son una representación precisa de la senescencia in vivo. Sin embargo, es crucial reconocer que los métodos tradicionales de cultivo celular han llevado a una comprensión básica de las características del envejecimiento, como el desgaste de los telómeros y la inestabilidad genómica.
Debido a que los modelos de células primarias, como los fibroblastos humanos, no pueden imitar con precisión las condiciones in vivo, se han explotado varios modelos animales para proporcionar información importante sobre el envejecimiento y las enfermedades relacionadas con la edad. Se han identificado muchas vías conservadas que regulan la esperanza de vida y la salud de los organismos en estos organismos modelo y hasta ahora se han propuesto varias intervenciones médicas. Curiosamente, la estrategia de restricción calórica (CR) administrada con una dieta estándar extendió la esperanza de vida de la mayoría de los organismos modelo. Sin embargo, el mecanismo general por el cual la CR extiende la esperanza de vida en estos organismos no está claro. No obstante, la implementación de organismos modelo para estudiar el envejecimiento tiene sus propias limitaciones. La mayoría de las intervenciones desarrolladas con base en los modelos animales son específicas del sexo y la cepa. De hecho, a pesar de antecedentes genéticos similares, la variación en la esperanza de vida media representó hasta el 20% debido a la variación del sexo y la cepa del ratón. Además, los modelos de ratones y ratas no exhiben todos los fenotipos de la enfermedad de Alzheimer y Parkinson. Aunque las ratas topo desnudas, que viven mucho tiempo, mostraron signos de envejecimiento compatibles con los humanos, como degeneración de la retina y osteoartritis, no mostraron cambios en la senescencia y la mortalidad relacionada con la edad a partir de los 15 años. Sin embargo, la investigación sobre el envejecimiento utilizando organismos modelo es esencial, ya que los sujetos humanos tienen límites éticos y morales.
Una posibilidad prometedora para estudiar el envejecimiento celular en células humanas la ofrecen las células madre pluripotentes inducidas (IPSC). El advenimiento de la tecnología IPSC hizo posible generar múltiples tipos de células isogénicas con genotipos similares. La diferenciación de células cerebrales a partir de IPSC y el desarrollo de plataformas de co-cultivo ofrecen información valiosa sobre la disfunción relacionada con el tipo de célula en el envejecimiento, la EA y la EP. Además, utilizando el sistema de co-cultivo, ahora es posible estudiar la interacción de células cerebrales neuronales y no neuronales como astrocitos, microglia, oligodendrocitos, células endoteliales y pericitos. En particular, las IPSC derivadas de pacientes con EA familiar (FAD) y enfermedad de Alzheimer de inicio tardío (LOAD) mostraron características relacionadas con la enfermedad que se correlacionan con los cambios prodrómicos hacia el desarrollo de EA en pacientes. Además, las IPSC generadas a partir de un sujeto portador de la mutación genética específica podrían facilitar tratamientos personalizados para el paciente. Los modelos 3D de IPSC que imitan la barrera hematoencefálica (BHE) facilitarían el descubrimiento de fármacos sistemáticos que pueden entrar en el cerebro y verificar si la disfunción de la BHE está relacionada con la EA y la EP . Además, se desarrollaron modelos 3D basados en neuronas incorporando microglia derivada de IPSC de pacientes con FAD en organoides de pacientes con FAD que portaban células que contenían APOE ε3 y APOE ε4. Esto condujo al hallazgo de que la microglia APOE ε3 exhibía menos amiloide-β (Aβ) que la microglia APOE ε4. Además, un modelo de tejido cardíaco artificial desarrollado utilizando IPSC para investigar el envejecimiento en el músculo cardíaco, observó que con el avance de la edad, se produce una degeneración progresiva, incluidos cambios estructurales como rigidez y deterioro funcional. Esto se manifestó por un aumento de los marcadores cardíacos, una expresión reducida del marcador de proliferación ki67 y un aumento del inhibidor de CDK p21. Se desarrolló un modelo de vasos sanguíneos que consiste en redes vasculares derivadas de iPSC para examinar sus interacciones con nanomateriales. Se descubrió que el perfil de toxicidad de las nanopartículas para las células endoteliales derivadas de iPSC varía según la edad de las células endoteliales y el formato de la red vascular. Se desarrollaron organoides cerebrales que exhiben características de ataxia-telangiectasia, un trastorno genético asociado con el envejecimiento prematuro y otros problemas de salud. Esto condujo al hallazgo de que la activación de la vía cGAS-STING, una parte de la respuesta inmune, conduce al envejecimiento celular prematuro. Además, los organoides cerebrales derivados de iPSC irradiados con radiación gamma para inducir daño celular seguido de la investigación de si las sustancias antienvejecimiento minociclina y rapamicina juegan un papel en la viabilidad celular, proliferación y diferenciación. Se identificó que el preacondicionamiento de las neuroesferas a rapamicina antes de la irradiación y a minociclina después de la irradiación confiere neuroprotección y rescata el potencial de desarrollo del organoide cerebral. Además, el análisis ómico de neuronas derivadas de IPSC y tejido cerebral de 53 individuos (16 con perfil clínico y patológico de EA) reveló que las características neuropatológicas clave como amiloide-β y acumulación de p-tau de neuronas derivadas de IPSC se correlacionaban con los niveles de placa y p-tau en el tejido cerebral del mismo individuo. Por lo tanto, los modelos 3D basados en IPSC son una herramienta poderosa para analizar el envejecimiento, los fenotipos relacionados con enfermedades y para realizar pruebas de detección de fármacos. Aunque el desarrollo de modelos cerebrales organoides 3D más complejos con células cerebrales maduras es un trabajo en progreso, la improvisación de estos modelos será de gran utilidad en el futuro.
Esta revisión analiza principalmente estrategias para modelos in vitro de envejecimiento y enfermedades relacionadas con la edad, como la EA y la EP, y sus posibles aplicaciones en el desarrollo de fármacos y la medicina regenerativa, destacando la precisión de las recapitulaciones de la patología de la enfermedad.
Conclusión
Para lograr mejores tratamientos y una comprensión más profunda del envejecimiento y las enfermedades relacionadas con la edad, las estrategias analizadas en esta revisión brindan una herramienta valiosa para los investigadores. Al abordar las limitaciones de las estrategias de reprogramación y diferenciación, podemos improvisar el uso de células madre pluripotentes inducidas (CMPI) como una herramienta poderosa para avanzar en nuestra comprensión del envejecimiento y las enfermedades relacionadas con la edad.
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