Crecimiento de células cardíacas solo para usted

Mirando a través de un microscopio en Madison, Wisconsin, vi latir las células de mi corazón en una placa de Petri. Parecían camarones rojos brillantes sin cola, pulsaban y se movían muy lentamente uno hacia el otro. Dejados durante varias horas, me dijeron, estos cardiomiocitos se fusionarían en manchas tratando de formar un corazón. A mi lado estaban científicos que habían realizado experimentos que esperaban revelarían si las células de mi corazón están sanas, si son inusualmente sensibles a las drogas y si se estresan demasiado cuando subo un tramo de escaleras.

Estaba nevando fuera de las ventanas del parque de oficinas de Cellular Dynamics International (CDI), donde estaba observando una demostración íntima de cómo las tecnologías de células madre pueden algún día combinarse con la genómica personal y la medicina personal. Fui el primer periodista en someterme a experimentos diseñados para ver si el proceso de cuatro años que crea células madre pluripotentes inducidas (iPS) puede brindar información sobre el funcionamiento y el destino de las células cardíacas de una persona sana. Se podrían realizar pruebas similares en células cerebrales y hepáticas cultivadas en laboratorio o, eventualmente, en cualquiera de los más de 200 tipos de células que se encuentran en los seres humanos. Este es el siguiente paso en la medicina personalizada: poder probar medicamentos y otros factores en diferentes tipos de células, dijo Chris Parker, director comercial de CDI, mirando por encima de mi hombro.



Innovadores menores de 35 | 2011

Esta historia fue parte de nuestro número de septiembre de 2011

  • Ver el resto del número
  • Suscribir

Los científicos de CDI crearon la pequeña parte de mi corazón tomando células de mi sangre y reprogramándolas para que volvieran a un estado pluripotente, lo que significa que pueden crecer en cualquier tipo de célula en el cuerpo. La ciencia que hace que esto sea posible proviene del laboratorio del cofundador de CDI y pionero de las células madre, James Thomson, de la Universidad de Wisconsin, líder de uno de los dos equipos que descubrieron el proceso de las células iPS en 2007 (el otro esfuerzo fue dirigido por Shinya Yamanaka de la Universidad de Kyoto.) Los resultados son similares a las células especiales que aparecen en los embriones unos días después de la fertilización.

Desde finales de 2008, la compañía ha estado fabricando cardiomiocitos y enviando por correo las células congeladas en hielo seco a científicos académicos para estudiar cómo funcionan estas células, ya investigadores de la industria farmacéutica para usar en las primeras pruebas de candidatos a fármacos. Una razón importante para usar las células es que podrían revelar si los medicamentos son tóxicos para el corazón, información que otros tipos de pruebas pueden pasar por alto. Varios medicamentos han llegado al mercado con perfiles cardiotóxicos y eso es inaceptable, dice Parker. Él dice que los cardiomiocitos derivados de las células iPS son una gran mejora con respecto a las células de cadáveres que a veces se usan para probar posibles compuestos farmacológicos. A diferencia de las células de cadáveres, las células generadas por IPS laten de manera realista y se pueden suministrar en grandes cantidades a pedido. Es más, las células generadas por iPS pueden tener la misma estructura genética que los pacientes de los que provienen, lo cual es una gran ventaja a la hora de adaptar los medicamentos y los tratamientos a las personas. Sin embargo, estas celdas hechas a pedido no son baratas. El director ejecutivo de Cellular Dynamics, Robert Palay, dice que cuestan alrededor de $ 1,500 por un vial estándar de 1,5 millones de células.

Una perspectiva especialmente sensacional es que las células iPS podrían trasplantarse a pacientes para que pudieran regenerar espinas, cerebros, corazones u otros tejidos enfermos o dañados, una propuesta que es particularmente atractiva porque estas células no serían rechazadas por el cuerpo del huésped. También podrían desactivar la controversia política en torno a las células madre embrionarias, porque algún día podrían hacer posible recolectar células pluripotentes sin destruir un embrión humano.

Sin embargo, faltan años para el trasplante para la mayoría de los tipos de tejidos, dice Alexander Meissner, investigador de células madre de la Universidad de Harvard. No es trivial regenerar tejido cerebral, dice. Esto llevará más tiempo de lo que la gente piensa. Thomson está de acuerdo. Hablar de trasplantes ha sido una especie de exuberancia irracional, dice. El proceso de utilizar células iPS para crear tejido nuevo todavía plantea ciertos peligros: algunas líneas celulares, por ejemplo, albergan mutaciones que podrían conducir al cáncer y, en algunos casos, las células conservan una débil memoria química de su identidad anterior como células de la piel o la sangre.

Thomson cree que se trata de contratiempos temporales. Hemos tenido trasplantes de médula ósea durante mucho tiempo, que son esencialmente células madre, dice. Y se está trabajando en este momento en el uso de células iPS para reparar la degeneración macular. Pero reparar el daño a los nervios de la columna vertebral es mucho más difícil. Otros comparten su cauteloso optimismo. Prácticamente todo lo relacionado con las células iPS está sobrevalorado, dice Chris Austin, director del Centro de Genómica Química de los Institutos Nacionales de Salud. Pero con el propósito de probar candidatos a fármacos, creo que las posibilidades son considerables, y nosotros y muchas otras personas estamos persiguiendo esto. Hay muchos problemas. ¿Son las células iPS realmente normales? ¿Cómo se obtienen suficientes células diferenciadas puras? Pero el potencial definitivamente está ahí.

Brillando: Una capa de las células cardíacas del autor parece un grupo caótico bajo el microscopio.

Apegarse a la ciencia
Visité por primera vez a James Thomson en otro día nevado y gélido en Wisconsin en 2008, unas semanas después de la publicación de su artículo en el que se anunciaban las células iPS derivadas de células humanas. Un hombre rudo y sensato con un suéter informal y Dockers destartalados, se sentó en una pequeña oficina adornada con peces tropicales, helechos y un tablero de dardos antiguo y habló sobre su descubrimiento original de células madre embrionarias humanas en 1998. Su trabajo ambientado fuera de una tormenta de protestas: los oponentes argumentaron que destruir un embrión humano para cosechar sus células madre equivale a un asesinato. El presidente George W. Bush restringió la mayor parte de los fondos federales para la investigación con células madre embrionarias en 2001, y los críticos han continuado vilipendiando a Thomson, aunque él trata de mantener un perfil bajo. No hablo mucho de eso, dijo. Me apego a la ciencia.

La creación de células iPS en 2007 parecía un elegante cierre del hallazgo de 1998, porque ofrecía una nueva forma de producir células madre que pueden diferenciarse en cualquier tipo de célula, una que en realidad podría ser mejor, porque las células serían genéticamente idénticas a propios de los pacientes. 'Fue un alivio que pudiéramos tener una solución a esta situación política y ética', dijo Thomson. El avance, sin embargo, fue una sorpresa. Sabíamos que el proceso de iPS era una posibilidad, dijo, pero cuando comenzamos, estaba seguro de que tomaría al menos 10 años. Thomson y un postdoctorado de Wisconsin, Junying Yu, se propusieron crear células iPS modificando las células de la piel con genes reguladores que normalmente solo se encuentran en los embriones. El método, dijo, sorprendió a todos al funcionar.

Thomson cofundó CDI en 2007, casi al mismo tiempo que varias otras luminarias de células madre se involucraron en compañías de células iPS. Sin embargo, estos posibles competidores se centran principalmente en la creación de productos terapéuticos. Utilizan células iPS para ayudar a identificar y desarrollar candidatos a fármacos y para diseñar procesos que algún día podrían conducir al trasplante. Hasta ahora, CDI no tiene competidores serios en el mercado para vender células generadas por iPS en volumen para su uso en investigación y detección de drogas. En parte, esto se debe a que Thomson y su equipo científico han estado trabajando más tiempo para superar las dificultades en la industrialización de la tecnología. Hacer células iPS que sean funcionales en grandes cantidades es difícil, dice Meissner de Harvard.

De propiedad privada, la compañía no ha detallado su desempeño, pero su director ejecutivo dijo a un periódico local que CDI obtiene ingresos multimillonarios por la venta de sus células cardíacas a unos 40 clientes, incluidas la mayoría de las grandes compañías farmacéuticas. El próximo año, la compañía planea lanzar células sanguíneas, cerebrales y hepáticas generadas por iPS.

Esto es un cambio de juego, dice la bióloga de células madre Sandra Engle, científica principal senior de Pfizer que ha utilizado las células de CDI. Antes de la CDI, estas células eran muy difíciles de obtener y solo obteníamos pequeñas cantidades. Esto no funciona para las pruebas de alto rendimiento de fármacos. Para Kyle Kolaja, director global de pantallas de toxicología predictiva y tecnologías emergentes en Roche, el beneficio de las células CDI es que se comportan como células reales. Ya están teniendo un gran impacto en la seguridad y el desarrollo de los medicamentos, dice. Ya han cambiado lo que estamos haciendo.

Pistas celulares
Aunque empresas como Roche y Pfizer están utilizando actualmente células iPS simplemente para detectar posibles terapias en busca de toxicidad y otras características, algún día se podrían realizar pruebas basadas en iPS en pacientes individuales para ver si tienen un riesgo particular de efectos secundarios. Euan Ashley, cardiólogo de la Universidad de Stanford, está tratando de usar células iPS para ayudar a diagnosticar y tratar a un niño de 16 años con síntomas tempranos de miocardiopatía dilatada, una enfermedad potencialmente mortal en la que el corazón se hincha y debilita. Este es el tipo de enfermedad genética grave que se transmite a través de familias que creemos que pueden beneficiarse de las tecnologías iPS y la genómica, dice Ashley. Ha examinado el ADN del niño en busca de marcadores genéticos reveladores asociados con la enfermedad y ha examinado a su hermano y a sus padres para ver si también llevan los marcadores. El equipo de Stanford planea crear células iPS reprogramando las células de la piel tomadas de la familia y luego inducirlas a diferenciarse en cardiomiocitos con las variaciones genéticas características. Al estudiar la bioquímica de estas células cardíacas, los científicos esperan obtener pistas sobre cómo podrían responder a varios fármacos candidatos.

Usaremos las células iPS para verificar las diferencias entre este niño y otros con y sin la afección, dice Ashley, y para probar qué medicamentos funcionarán mejor para el niño y otros miembros de la familia afectados. Ashley dice que uno de los objetivos es desarrollar pruebas para determinar cómo las variaciones genéticas afectan realmente a las células. La importancia de los factores genéticos se reflejará en estas células, dice.

Corazón frío: Las muestras de las células del autor se almacenan en bandejas en condiciones criogénicas.

Otros médicos y laboratorios también están utilizando células iPS en experimentos destinados a arrojar luz sobre la enfermedad. Por ejemplo, los investigadores del Instituto Salk están estudiando neuronas derivadas de iPS de personas con esquizofrenia para ver en qué se diferencian de las neuronas normales, y examinarán qué sucede cuando las células se exponen a fármacos antipsicóticos. En el NIH, un grupo está estudiando células generadas por iPS de pacientes con un trastorno genético fatal conocido como enfermedad de Niemann-Pick tipo C. Otros investigadores han propuesto usar células generadas por iPS para probar los efectos de sustancias químicas tóxicas como el mercurio y los pesticidas.

La esperanza, dicen los investigadores, es crear una biblioteca de líneas celulares iPS de personas que tienen síntomas o comportamientos específicos asociados con una enfermedad en particular. Roche ha iniciado un programa con el Hospital General de Massachusetts en Boston para crear líneas celulares que reflejen diferentes tipos de enfermedades cardíacas; los resultados podrían ayudar a la empresa a desarrollar fármacos. Este verano, el CDI y el Medical College of Wisconsin anunciaron una subvención de $ 6.3 millones de los NIH para crear células cardíacas generadas por iPS de 250 pacientes que tienen hipertrofia ventricular izquierda, una afección que causa presión arterial alta y aumenta el riesgo de enfermedad cardiovascular.

Los científicos todavía están muy lejos de utilizar las células iPS de forma rutinaria para diagnosticar enfermedades u ofrecer pronósticos individuales. Austin, del NIH, advierte que las células individuales cuentan solo una parte de la historia de lo que sucede en el sistema dinámico que es el cuerpo humano. En algunos casos, no tienes una célula que pueda darte una respuesta real sobre una enfermedad como la depresión, dice. ¿Qué tipo de celda usas para eso?

Mi mambo
Lancé mi propio viaje de iPS en una pequeña clínica de Quest Diagnostics en una calle arbolada de San Francisco. Envolviendo un tubo de goma alrededor de mi brazo, el flebotomista clavó una aguja para extraer varios viales de sangre que serían enviados en hielo a Madison. Una vez que llegaron a CDI, los técnicos abrieron mis glóbulos blancos y usaron un retrovirus modificado por bioingeniería para introducir genes de transcripción maestros en su ADN. Estos genes reprogramaron las células para que cuando se replicaran, los resultados fueran células pluripotentes en lugar de más glóbulos blancos. Su transformación en células iPS funcionales tomó varios meses de persuasión, purificación y verificación que costó alrededor de $ 15,000, que la compañía pagó en mi nombre. Una vez que mi línea celular pluripotente estaba zumbando, los científicos de CDI modificaron algunas células para diferenciarlas en tres tipos de células cardíacas, que vi por primera vez pulsando en un videoclip que me enviaron por correo electrónico.

En Madison, casi un año después de renunciar a mi sangre, estaba un poco ansioso mientras miraba los latidos de mis células cardíacas. Estaba a punto de obtener un resumen de los experimentos que CDI había realizado para demostrar lo que estos pequeños paquetes de citoplasma y núcleos modificados por bioingeniería podrían decir sobre mi salud y mi sensibilidad a varios medicamentos.

Chris Parker y el gerente de producto de la compañía para cardiomiocitos, Blake Anson, tomaron la iniciativa al guiarme a través de una serie de evaluaciones que comenzaron con pruebas para asegurarse de que estas células sigan siendo ustedes, dijo Parker. Me mostraron una diapositiva de los 23 cromosomas emparejados extraídos de mi muestra de sangre original y la compararon con una diapositiva que mostraba los cromosomas extraídos de los cardiomiocitos. También habían realizado una comparación genética simple utilizando 16 marcadores de ADN, una prueba utilizada por las fuerzas del orden público que proporciona una forma rápida y relativamente barata de evaluar si dos muestras coinciden. Cuando mis células fabricadas pasaron por alto, los científicos pasaron al paso dos: ver si se comportaban como cardiomiocitos reales.

Primero, hicieron vibrar las células con electricidad para verificar el rango de duración de los potenciales de acción, los impulsos eléctricos que impulsan las contracciones cardíacas. Luego midieron los latidos de las células en el agregado contra una especie de forma de onda de EKG como las que aparecen como pulsos hacia arriba y hacia abajo en un monitor de hospital. Mis células parecían normales.

Pionero pluripotente: El biólogo James Thomson de la Universidad de Wisconsin cofundó Cellular Dynamics International en 2007 después de desarrollar un método de reprogramación de células humanas comunes para crear células madre pluripotentes inducidas, que pueden dar lugar a cualquier tipo de célula. Desde entonces, Thomson ha ayudado a ser pionero en el uso de células iPS en el desarrollo de fármacos.

Una tercera prueba enfrentó a las células con dos fármacos. Uno fue la epinefrina, que desencadena la respuesta de lucha o huida y acelera el pulso de una persona. Podemos ver esto aquí: latido, latido, latido, dijo Parker, mostrándome una diapositiva con una línea de EKG. Tu frecuencia cardíaca aumenta drásticamente, eso significa que estás bien, puedes huir de ese oso. Luego, los científicos agregaron un agonista simpático, una droga que ralentiza el corazón. Para que sus células puedan relajarse después de huir de ese oso, dijo Parker. Cuando le envié a Euan Ashley los resultados de mi prueba, él verificó mi persistente normalidad y confirmó que las células en cuestión eran lo que se suponía que eran. Estas pruebas demuestran que las células son cardiomiocitos, dijo, lo que en esta etapa temprana de esta ciencia es importante.

Unas semanas más tarde, CDI realizó otra ronda de experimentos que sometieron mis células a medicamentos con efectos secundarios tóxicos conocidos. Primero vino Hismanal, un antihistamínico, y Propulsid, un medicamento para tratar el malestar gastrointestinal. Ambos medicamentos se retiraron del mercado en muchos países, incluido Estados Unidos, porque estaban asociados con arritmias cardíacas raras pero potencialmente mortales. Esta propensión se debe al efecto secundario inesperado y no deseado de ambos medicamentos que bloquean e interrumpen la actividad normal de un canal iónico específico en el corazón, decía un informe que me envió el CDI por correo electrónico. Ambos fármacos tuvieron efectos similares en los cardiomiocitos derivados de iPS de David Duncan: un aumento dependiente de la dosis en la duración del potencial de acción ... Las duraciones prolongadas del potencial de acción son un desencadenante reconocido de arritmia cardíaca que puede resultar en muerte súbita.

Para una segunda ronda de pruebas farmacéuticas, los científicos expusieron mis células a dos medicamentos contra el cáncer: Gleevec, que se usa principalmente para tratar algunas formas de leucemia, y Sutent, que se usa para tratar tumores en el estómago, intestino y esófago. Ambos medicamentos tienen efectos secundarios que incluyen daño al corazón, aunque siguen utilizándose porque las enfermedades que tratan son muy graves. Las pruebas in vitro en los cardiomiocitos derivados de iPS de David Duncan demostraron que ambos fármacos tenían efectos adversos, decía mi informe, y que el efecto mediado por Gleevec puede haber sido causado por la alteración de la función mitocondrial. Nuevamente, las reacciones de mis células no fueron atípicas, aunque los investigadores me dijeron que si tenía cáncer, más pruebas podrían revelar respuestas específicas que podrían ayudar al médico a decidir qué medicamentos eran los mejores para mí.

Ashley me dijo que las células cardíacas generadas por iPS ofrecen un gran potencial como forma de probar tratamientos contra el cáncer. Los medicamentos de quimioterapia son realmente duros para el corazón y las células del corazón, dijo. Si esta tecnología puede ayudar, será realmente importante.

El CDI me ha dicho que a medida que se desarrolle la ciencia, es posible que realice pruebas basadas en la secuenciación extensa de ADN que hice para un libro reciente. Hombre experimental . Me interesaría especialmente una prueba que pudiera determinar cuán preocupado debería estar por un factor de riesgo genético de los efectos secundarios de las estatinas para reducir el colesterol. De acuerdo con mi perfil genético, tengo un riesgo sustancial de miopatía (debilidad muscular) si tomo ciertas formas de estos medicamentos. Sin embargo, esta condición se debe a una enzima que funciona mal producida por el hígado, no por el corazón, por lo que averiguarlo depende de si CDI está dispuesto a crear células hepáticas a partir de mi línea iPS.

Antes de dejar el laboratorio de CDI, eché un vistazo más a las células de mi corazón latiendo en su placa de Petri en una especie de mambo extraño, y me pregunté cuándo esos bancos de células individuales se convertirían en una parte rutinaria de la atención médica. Quedan muchos obstáculos antes de que esto suceda, incluido el alto costo de fabricación de las células. Sin embargo, a pesar del gasto, dice Thomson, habrá personas que querrán hacer esto: los primeros usuarios adinerados que quieran saber sobre una enfermedad o un medicamento. O algunas personas pueden hacerlo porque piensan que tener las células del corazón que laten es genial.

En cuanto a mí, todavía me sorprende que los cardiomiocitos en el plato sean parte de mí, y mucho menos que algún día puedan usarse como dobles de acción para mis células reales.

David Ewing Duncan es un escritor que vive en San Francisco. Su libro más reciente es Hombre experimental: lo que revela el cuerpo de un hombre sobre su futuro, su salud y nuestro mundo tóxico.

esconder