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Utilización de fibroblastos humanos en el estudio de patologías del sistema nervioso

Buendía Delay, Alicia

Abstract

En este trabajo de fin de grado, se aborda la investigación de la utilización de fibroblastos humanos en el estudio de patologías del sistema nervioso. Los fibroblastos, son células del tejido conectivo, responsables de la producción de colágeno y la matriz extracelular. Los fibroblastos han demostrado ser una herramienta muy prometedora en la medicina regenerativa debido a su accesibilidad y capacidad para ser diferenciados en múltiples tipos de células, incluidas células del sistema nervioso como las neuronas. Por estos motivos, hemos realizado una revisión bibliográfica de la utilización de los fibroblastos en el estudio de patologías del sistema nervioso, como la Enfermedad de Parkinson, la Enfermedad de Alzheimer y la Esclerosis Múltiple. Dichas enfermedades hasta día de hoy han supuesto un gran desafío para la medicina, existiendo una gran variedad de estudios sobre sus causas, la búsqueda de nuevos tratamientos o formas de diagnóstico precoz. Debido a su gran complejidad per se y a la complejidad también de la regeneración neuronal, es por lo que la terapia celular, es una técnica que emerge como alternativa con gran potencial para abordar dichas patologías. En este trabajo de fin de grado se describen estudios y ensayos recientes tanto sobre el uso de fibroblastos sin diferenciar, como, de fibroblastos reprogramados a células madre pluripotentes inducidas y posteriormente diferenciadas a células neuronales. Además, abarca el proceso de obtención de organoides y sus aplicaciones. Los estudios en estos modelos celulares y de tejido, aún con sus limitaciones, aportan información sobre la fisiopatología de las enfermedades del sistema nervioso y tienen posibles futuras aplicaciones en terapia celular.

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Utilización de fibroblastos humanos en el estudio de patologías del sistema nervioso Trabajo Fin de Grado Universidad de Sevilla Facultad de Farmacia Autor: Alicia Buendia Delay Tutora: Rebeca María Mejías Estévez Departamento de Fisiología Titulación: Grado en Farmacia Curso académico 2023/2024 Revisión bibliográfica 2 Resumen: En este trabajo de fin de grado, se aborda la investigación de la utilización de fibroblastos humanos en el estudio de patologías del sistema nervioso. Los fibroblastos, son células del tejido conectivo, responsables de la producción de colágeno y la matriz extracelular. Los fibroblastos han demostrado ser una herramienta muy prometedora en la medicina regenerativa debido a su accesibilidad y capacidad para ser diferenciados en múltiples tipos de células, incluidas células del sistema nervioso como las neuronas. Por estos motivos, hemos realizado una revisión bibliográfica de la utilización de los fibroblastos en el estudio de patologías del sistema nervioso, como la Enfermedad de Parkinson, la Enfermedad de Alzheimer y la Esclerosis Múltiple. Dichas enfermedades hasta día de hoy han supuesto un gran desafío para la medicina, existiendo una gran variedad de estudios sobre sus causas, la búsqueda de nuevos tratamientos o formas de diagnóstico precoz. Debido a su gran complejidad per se y a la complejidad también de la regeneración neuronal, es por lo que la terapia celular, es una técnica que emerge como alternativa con gran potencial para abordar dichas patologías. En este trabajo de fin de grado se describen estudios y ensayos recientes tanto sobre el uso de fibroblastos sin diferenciar, como, de fibroblastos reprogramados a células madre pluripotentes inducidas y posteriormente diferenciadas a células neuronales. Además, abarca el proceso de obtención de organoides y sus aplicaciones. Los estudios en estos modelos celulares y de tejido, aún con sus limitaciones, aportan información sobre la fisiopatología de las enfermedades del sistema nervioso y tienen posibles futuras aplicaciones en terapia celular. Palabras claves: Fibroblastos; Reprogramación celular; Enfermedad de Parkinson; Enfermedad de Alzheimer; Esclerosis Múltiple. 3 Índice 1. Introducción ................................................................................................................................ 4 2. Objetivos ..................................................................................................................................... 5 3. Metodología ................................................................................................................................ 5 4. Resultados y discusión ................................................................................................................ 7 4.1. Fibroblastos ......................................................................................................................... 7 4.1.1. Medios de cultivo y aditivos ........................................................................................ 9 4.1.2. Procedimiento de cultivo celular .............................................................................. 11 4.1.3. Utilidad, ventajas y limitaciones ............................................................................... 13 4.2. Reprogramación celular a partir de fibroblastos. ............................................................. 15 4.3. Diferenciación celular según la patología a tratar. ........................................................... 21 4.4. Organoides ........................................................................................................................ 21 4.5. Ventajas e inconvenientes de la reprogramación a iPSCs y la utilización de organoides. 23 4.6. Utilización de fibroblastos en patologías del sistema nervioso. ....................................... 24 4.6.1. Fibroblastos en la Enfermedad de Parkinson ............................................................ 24 4.6.2. Fibroblastos en la Enfermedad de Alzheimer ........................................................... 27 4.6.3. Fibroblastos en la Esclerosis Múltiple ....................................................................... 29 5. Perspectivas futuras .................................................................................................................. 30 6. Conclusiones.............................................................................................................................. 31 7. Bibliografía ................................................................................................................................ 31 4 1. Introducción En el ámbito de la investigación neurocientífica, el estudio de las patologías del sistema nervioso representa un desafío constante debido a su complejidad y su impacto significativo en la salud humana. Desde patologías neurodegenerativas como las enfermedades de Alzheimer y de Parkinson, hasta trastornos del neurodesarrollo como el autismo y la esquizofrenia, presentan una amplia variedad de manifestaciones clínicas y mecanismos patológicos que requieren un enfoque multidisciplinario para su comprensión y tratamiento efectivo. En este contexto, la utilización de fibroblastos humanos, células presentes en el tejido conectivo humano, como modelo celular para el análisis de estas patologías ha sido un área de gran interés en la investigación neurobiológica. La justificación para realizar una revisión bibliográfica detallada del uso de fibroblastos humanos en el estudio de patologías del sistema nervioso, radica en su potencial para dar información valiosa sobre los mecanismos subyacentes a estas patologías e impulsar el desarrollo de nuevas tácticas terapéuticas. En primer lugar, se puede acceder a ellos mediante biopsias cutáneas mínimamente invasivas, lo que posibilita la obtención de muestras de tejido de pacientes con diversas patologías neurológicas. Asimismo, los fibroblastos humanos poseen la habilidad de ser reprogramados a un estado de pluripotencia a través de técnicas de reprogramación celular, tales como la inducción de células madre pluripotentes (iPSCs), lo que permite su posterior diferenciación a diferentes tipos celulares del sistema nervioso, incluyendo neuronas y células gliales. La capacidad de diferenciación celular posibilita la investigación y caracterización de aspectos específicos de las patologías del sistema nervioso en un entorno celular humano, lo que facilita la identificación y caracterización de los mecanismos subyacentes a estas patologías en un contexto fisiológico. Además, la utilización de fibroblastos humanos en la investigación neurobiológica permite abordar limitaciones inherentes a otros modelos celulares y animales, como las disparidades en la fisiología y anatomía entre especies, y la dificultad para modelar ciertas patologías humanas en animales de laboratorio. 5 En consecuencia, una revisión bibliográfica detallada sobre la utilización de fibroblastos humanos en el estudio de patologías del sistema nervioso, resulta fundamental para consolidar el conocimiento actual en este campo, detectar tendencias emergentes, evaluar la validez y las limitaciones de los diferentes enfoques experimentales, y establecer una base sólida para la investigación futura. La presente revisión no solo proporcionará una síntesis completa de la literatura existente, sino que también identificará áreas de investigación prometedoras y nuevas direcciones para futuros estudios, lo que contribuirá al progreso de la neurociencia y al desarrollo de tratamientos más eficaces para las patologías del sistema nervioso. 2. Objetivos Los objetivos de llevar a cabo una revisión bibliográfica acerca de la aplicación de fibroblastos humanos para el análisis de patologías del sistema nervioso son los siguientes: - Identificar los descubrimientos fundamentales de estudios que han utilizado fibroblastos humanos como modelo celular para investigar patologías específicas del sistema nervioso, tales como la Enfermedad de Alzheimer, la Enfermedad de Parkinson y la Esclerosis Múltiple. - Proporcionar una comprensión general y una síntesis exhaustiva de la investigación existente sobre la aplicación de fibroblastos humanos en la investigación de enfermedades neurológicas, destacando los descubrimientos, desafíos y oportunidades para la investigación futura. 3. Metodología La metodología utilizada para la búsqueda de artículos científicos y revisiones bibliográficas ha sido la consulta de bases de datos tales como PubMed, Web of Science, Medline, Google Scolar y Scopus. Además de consultar revistas científicas como “The Lancet”, “Cell” o “Nature”. También he utilizado el catálogo FAMA de la Universidad de Sevilla para acceder a libros de neurociencias como Purves. 6 Los criterios de selección implementados han sido: el año de publicación, del año 2019 a 2024, a excepción de un par de artículos que he considerado interesantes y se salen de estas fechas de publicación, y el índice de impacto de estos, seleccionando los que tuvieran un índice de impacto igual o superior a cinco. A continuación, en las figuras figura 1 (A), mediante un diagrama de flujo, esquematizo la evaluación de la bibliografía utilizada en específico a la hora de hablar del uso de fibroblastos en la enfermedad de Parkinson, y en la enfermedad de Alzheimer, (figura 1 (B), resultante de la búsqueda activa en PubMed. Figura 1. (A). Al realizar la búsqueda en Pubmed, utilizando el filtro de año de publicación de 2019-2024 y utilizando los términos “fibroblasto” y “Parkinson”, aparecieron 383 resultados, de los cuales seleccione los que trataban con fibroblastos humanos que fueron 30. Además, filtré añadiendo el término “reprogramación”, y obtuve 53 resultados, a lo que añadí el término “piel” y obtuve 17 resultados, de los cuales guardé los 7 que trataban en términos más generales del uso de fibroblastos en la Enfermedad de Parkinson en Zotero. Diagrama propio realizado en Canva. (B) Al realizar la búsqueda en Pubmed, utilizando los términos “fibroblastos” y “enfermedad de Alzheimer”, obtuve 323 resultados de los últimos 5 años, de los cuales, 242 hablaban de fibroblastos humanos. Al añadir el término "piel”, obtuve 32 resultados y tras realizar una breve lectura, los que realmente se centraban en el tema fueron 7, que finalmente añadí a mi gestor bibliográfico, Zotero. Diagrama propio realizado en Canva. 7 Además, al realizar búsqueda ascendente a través de las referencias de los artículos que han sido consultados, seleccioné 16 artículos sobre la Enfermedad de Parkinson que también han sido citados a lo largo de la revisión bibliográfica. Al igual que en la Enfermedad de Alzheimer, en la que también ha sido citada bibliografía encontrada mediante una búsqueda ascendente a través de referencias y citas en los artículos seleccionados por búsqueda activa que se muestran en la Figura 1. También, han sido consultados libros de neurociencia como la 5ª edición del Purves. A la hora de buscar bibliografía sobre la Esclerosis Múltiple y el uso de fibroblastos en esta, la bibliografía obtenida han sido varios artículos publicados en revistas científicas como: Frontiers o Stem Cells y revisiones sistemáticas de la enfermedad encontradas en bases de datos como ScienceDirect (https://www.sciencedirect.com/). En total, he utilizado 6 referencias, 4 revisiones sistemáticas de la enfermedad y 2 artículos, uno sobre generación iPSCs y otro sobre el uso de FB por sí mismos en Esclerosis Múltiple. Las palabras claves utilizadas han sido: fibroblasto; piel; humano; enfermedad de Parkinson; enfermedad de Alzheimer; iPSCs; Esclerosis Múltiple; Reprogramación celular; Organoides. 4. Resultados y discusión 4.1. Fibroblastos Los fibroblastos (FB) son las células que segregan principalmente dos de los cuatro componentes de la matriz extracelular, colágeno y elastina, que contribuyen a la formación del tejido conectivo. Los FB, también segregan fibras elásticas y reticulares, por lo que, a veces, también son denominados células reticulares (Stevens y Lowe. 5ª edición. España: Elsevier;2020). Además, los FB realizan otras funciones, como la reparación fisiológica de nuestros tejidos, ya que, durante la cicatrización de heridas cutáneas, cambian de un fenotipo proliferativo y migratorio a un miofibroblasto contráctil que remodela la matriz. Otra de las funciones que realizan los FB es interactuar con las células epidérmicas durante el desarrollo del cabello y con la piel interfolicular (Kisiel & Klar, 2019). 8 En la figura 2 podemos observar una imagen del retículo endoplasmático rugoso (RER) y las mitocondrias (M) de un fibroblasto obtenida mediante microscopía electrónica (Stevens y Lowe. 5ª edición. España: Elsevier;2020). Estructuralmente, los FB poseen además numerosas vesículas secretoras. Durante el desarrollo embrionario, aún, cuando los fibroblastos no han madurado, encontramos células que secretan colágeno que se desarrollan a partir del mesénquima y que presentan morfología en forma de huso. Dichas células, se encuentran separadas por el recién secretado colágeno (C), el cual toma color rosa cuando se tiñe con hematoxilinaeosina, como podemos observar en la figura 3. Figura 3. Imagen al microscopio óptico de células secretoras de colágeno en el embrión, donde podemos observar el colágeno recién secretado (C), teñido de color rosa. Imagen tomada de (Células de sostén y matriz extracelular- Stevens y Lowe. Histologia humana- Estudiante ClinicalKey, s.f.) Figura 2. Imagen de microscopía electrónica de un FB donde podemos observar el retículo endoplásmico rugoso (RER) y mitocondrias (M). Imagen tomada de (Células de sostén y matriz extracelular- Stevens y Lowe. Histologia humana- Estudiante ClinicalKey, s.f.). 9 En el adulto, denominamos FB a estas células secretoras de colágeno, y una vez cesa la secreción de colágeno, son denominados fibrocitos, indicando así su inactividad (Células de sostén y matriz extracelular - Stevens y Lowe. Histología humana - Estudiante ClinicalKey, s. f.). 4.1.1. Medios de cultivo y aditivos A continuación se describe la composición de los medios de cultivo y aditivos utilizados en la mayoría de estudios consultados (Antony et al., 2020; W. Hu et al., 2015; Imberechts et al., 2022; Mertens et al., 2021) . 1. Medio DMEM: medio de Eagle modificado por Dulbecco (DMEM), que contiene 110 mg/l de piruvato de sodio y 862 mg/l DE L -glutamina; conservar en la oscuridad a 4 °C. 2. Suero fetal bovino (FBS). 3. Antibióticos como, Penicilina/estreptomicina: 50000 UI/mL (Según recomendación del fabricante). 4. Tampón Hepes: ácido 4-(2-hidroxietil)-1-piperazinaetanosulfónico, solución madre 1M. 5. Fungicida como, Fungizona: 0,25 mg/ml de anfotericina B en agua ultrapura para preparar una solución madre de 500×. 6. Antibiótico, Gentamicina: 10mg/ml. Tanto los antibióticos como los fungicidas son utilizados para evitar posibles contaminaciones. Además, al final de la expansión y antes de criopreservar los FB, se realiza un test de micoplasmas, para asegurar que la reserva que estamos criopreservando no está contaminada de estos microorganismos, ya que esto evitaría el uso de estos a posteriori para producir iPSCs. También utilizamos los siguientes medios completos: • Medio de transporte de tejidos (tDMEM): 500 ml de DMEM, 15 ml de fungizona de 0,75 μg/ml, 15 ml de penicilina de 300 U/ml, 15 ml de estreptomicina de 300 μg/ml, 0,75 ml de gentamicina de 15 μg/ml. 16 madres pluripotentes inducidas, por el investigador japonés Shinya Yamanaka en 2006, hecho que ha significado un antes y un después en la investigación biomédica al proporcionar una vía para llegar a obtener gran cantidad de células madre pluripotentes que pueden diferenciarse en cualquier tipo celular (Takahashi & Yamanaka, 2006). El proceso de desdiferenciación celular de fibroblastos a células madres pluripotentes inducidas (iPSCs) conlleva incorporar ciertos factores de transcripción que conducen a la reprogramación de la expresión génica de las células, llevándola a una estructura pluripotente. Los factores de transcripción utilizados con frecuencia en la reprogramación celular incluyen octamer-bindind transcription factor (Oct4), sex determining región Y-box (Sox2), Kruppel-like factor 4 (Klf4) y avian myelocytomatosis viral oncogene homolog c (c- Myc), conocidos como factores de Yamanaka. Existen varias formas de introducir estos factores en los fibroblastos, como son por ejemplo el uso de vectores virales, ARN mensajero, proteínas recombinantes o factores de reprogramación sintéticos. Takahashi y Yamanaka, 2006 utilizaron retrovirus para expresar los factores de transcripción descritos en fibroblastos de ratón (Takahashi & Yamanaka, 2006). Un año después, utilizando un método similar, los mismos autores consiguieron reprogramar fibroblastos humanos y generar iPSCs humanas (Takahashi et al., 2007). En el mismo año, 2007, otro grupo de investigación consiguió reprogramar fibroblastos humanos utilizando los factores de transcripción 0ct4, Sox2, Nanog y Lin28 (Yu et al., 2007). A partir de entonces, se han generado iPSCs de diferentes especies como primates no humanoides, perro, caballo, cerdo, oveja y búfalos, entre otros (Harding & Mirochnitchenko, 2014). Por otro lado, a pesar de que el FB es el tipo celular más utilizado para obtener iPSCs, también se han generado iPSCs a partir de células somáticas distintas a los fibroblastos, como por ejemplo queratinocitos o células sanguíneas, que son también tipos celulares abundantes y de fácil disponibilidad (Driessen et al., 2017; Higgins et al., 2012). Concretamente, en el caso de los queratinocitos, se describió que la transducción retroviral con los factores Yamanaka era más rápida y eficiente que en fibroblastos, sugiriendo que 17 los queratinocitos son también un tipo celular prometedor para obtener iPSCs (Aasen et al., 2008) . La reprogramación celular indirecta a partir de fibroblastos tiene diversas aplicaciones y beneficios, como poder adquirir células de diversos tejidos a partir de células pluripotentes, lo cual puede ser bastante útil para el tratamiento personalizado de enfermedades. En el caso de la transdiferenciación, o reprogramación directa, esta metodología permite obtener células diferenciadas sin la necesidad de pasar por el estado intermedio de IPSCs a partir de fibroblastos, lo que hace que se preserve la edad biológica de las células originales y así nos sirvan para estudiar enfermedades y cambios fisiológicos relacionados con la edad (Abernathy et al., 2017). Sin embargo, según el estudio llevado a cabo por (Serrano, 2013), la eficacia de la reprogramación celular puede ser baja y existen dificultades asociadas al proceso, como la represión epigenética en organismos superiores y la necesidad de fomentar la plasticidad celular. Además, el protocolo de reprogramación original del grupo de Yamanaka, presenta una desventaja bastante significativa, con una posible integración incontrolada del ADN viral en el genoma del huésped, lo que provoca mutagénesis de inserción y da lugar a mutaciones malignas inducidas (Neeman-Egozi et al., 2022). Es por esto, por lo que se desarrollaron estrategias alternativas no integrativas para producir iPSCs , como por ejemplo que administraban genes adenovirales para la reprogramación a iPSCs sin riesgo de actividad oncogénica o viral (Zhou & Freed, 2009). También se demostró que muchos de los animales que se ingertaron con iPSCs, desarrollan tumores debido a la reactivación del virus c-Myc, y que este es prescindible para la reprogramación, (Nakagawa et al., 2008; Wernig et al., 2008) . En otros estudios sobre generación de iPSCs a partir de fibroblastos, también encontramos, no solo el no uso de c-Myc , si no, además, la escisión de los factores de transcripción exógenos, ya que se ha demostrado que la expresión ectópica de Oct4 o de Kfl4 puede producir displasia (Foster et al., 2005; Hochedlinger et al., 2005). 18 Debido a las complicaciones mencionadas, se llevó a cabo la transfección no viral con un único vector de expresión multigénico que contiene las secuencias codificantes de los factores Yamanaka, y se demostró que podía reprogramar fibroblastos tanto de ratón como de humanos. Además, este transgén puede ser eliminado una vez se ha realizado la reprogramación y las iPSCs producidas por este método, muestran una expresión sólida de marcadores de pluripotencia (Kaji et al., 2009). En resumen, el paso más importante y crítico a la hora de inducir la pluripotencia es conseguir introducir los factores de transcripción en las células diana y para ello contamos con distintos tipos de sistemas de reprogramación, los cuales, suelen agruparse según su naturaleza (viral o no viral) y también en función de su capacidad para integrarse en el ADN del huésped (sistemas integrativos y no integrativos). Los sistemas de reprogramación más usados son los retrovirus y lentivirus, sin embargo, pueden causar modificaciones genéticas e influir en las características de las iPSCs que se obtienen en el proceso (Kang et al., 2015). Por este motivo, se han desarrollado nuevos sistemas o métodos de reprogramación que se engloban dentro de los sistemas no integrativos, entre ellos destacan los vectores lentivirales extraíbles, transposones, adenovirus, proteínas recombinantes, vectores de ARNm sintético y otros muchos (Malik & Rao, 2013). A continuación, se muestra una representación esquemática de la seguridad de los distintos sistemas de reprogramación, figura 7. Por otro lado, es mediante el proceso de diferenciación, cuando una célula iPSC, se diferencia, es decir, se vuelve más especializada, y esto, puede conllevar cambios importantes en su tamaño, forma y actividad metabólica. Dicho proceso, es regulado por Figura 7. Imagen propia elaborada con Biorender. 19 una variedad de señales intrínsecas y extrínsecas, y es la expresión diferencial de los genes lo que permite que las células adquieran funciones especializadas y características únicas, aunque es importante tener en cuenta, que todas, retienen el mismo ADN en su núcleo (Shen, 2020). En otras palabras, para que una célula se diferencie en su función y forma específica, se deben activar los genes que deben a expresarse e inhibirse los que no se transcriben en dicho tipo celular. Dicha regulación de la expresión génica, se lleva a cabo a través del uso de factores de transcripción activadores y factores de transcripción represores (ver esquema en figura 8) (Shen, 2020). Para que la transcripción se lleve a cabo en humanos, la ARN polimerasa debe unirse a la región del promotor, pero para ello, se necesita la contribución de los factores de transcripción de los que venimos hablando con anterioridad. Además, incluso algunas veces, para que se exprese algún gen, deben estar presente una combinación específica de factores de transcripción, esto es lo que se conoce como regulación combinatoria (Shen, 2020) . A continuación, describimos en la figura 9, el protocolo del proceso de generación de neuronas inducidas a partir de fibroblastos de piel humana adulta. En dicha figura se puede observar el proceso de forma esquematizada, además se observa el cambio de morfología de FB a neuronas, más notablemente a partir del día 5 (Shrigley et al., 2018). Figura 8. Esquema de la regulación de la expresión génica que llevan a cabo factores de transcripción. Elaboración propia con BioRender. 20 Tal como se indica en la Figura 9, para comprobar la correcta diferenciación a neuronas, se utilizan dos marcadores neuronales, TAU y MAP2 (proteína asociada a microtúbulos 2). TAU Figura 9. (A) Línea cronológica del experimento, y mapa del genoma empaquetado en el lentivirus. Cada flecha negra indica un cambio de medio. (B) Imágenes de contraste de fases con el objetivo 10X que representan los cambios morfológicos de las células desde el dia 0 al día 22 del proceso. (C) Imagen de una inmunofluorescencia de una doble tinción de TAU y MAP2, el día 35 después de la transducción. Early neuronal conversión médium (ENM); Late neuronal conversión médium (LNM); woodchuck hepatitis virus posttranscriptional regulatory elements (WPRE) ; Achaete-scute homolog 1 (Ascl1). Tomada de (Shrigley et al., 2018). 21 forma parte del citoesqueleto neuronal y está involucrado en la estabilización de los microtúbulos, el mantenimiento axonal y el transporte intracelular. MAP2 es una proteína del citoesqueleto enriquecida en las dendritas y es un marcador de diferenciación neuronal, además de indicar la regeneración axonal y la plasticidad sináptica (Shrigley et al., 2018). 4.3. Diferenciación celular según la patología a tratar. Una vez expuestos los conceptos de desdiferenciación y diferenciación, vamos a detallar hacia qué tipo de célula sería interesante realizar el proceso de diferenciación en el caso de ciertas patologías concretas, en nuestro caso, Enfermedad de Parkinson (EP), Enfermedad de Alzheimer (EA) y Esclerosis Múltiple (EM). En el caso de la EP, lo más usual es diferenciar iPSCs hacia neuronas dopaminérgicas, como podemos ver en los siguientes artículos: (Mollinari et al., 2022; Qin et al., 2020; Wang et al., 2020), ya que una de las principales causas de la enfermedad es la pérdida de neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra. En el caso de la EA, aunque hoy en día existe un número de estudios muy limitados, las neuronas derivadas de iPSCs son la opción más utilizada para el estudio de la dicha enfermedad (Sattarov et al., 2023), como por ejemplo en el estudio de (Mertens et al., 2021). Con respecto a la EM, no es tanto el uso de fibroblastos para generar iPSCs y posteriormente diferenciarlas a un tipo celular específico, si no, el uso del mismo fibroblasto per se, como podemos ver en el siguiente estudio donde se recolectaron FB de piel de 24 pacientes sanos, 30 pacientes de EM y 10 pacientes de esclerosis lateral amiotrófica (ELA), para investigar los perfiles de estrés celular alterados en la EM (Wilkins et al., 2021). 4.4. Organoides Los organoides, son estructuras celulares minituarizadas en 3D, que se cultivan in vitro en el laboratorio generadas principalmente a partir de iPSCs, conservando las características innatas o adquiridas de estas células (Amiel-Pérez et al., 2022). Esto nos aporta, un nuevo modelo de investigación, a través del cual podemos reconstruir las características tanto genéticas como fenotípicas de los distintos órganos humanos in vitro por lo que son muy 22 útiles para la investigación sobre patogénesis y desarrollo de nuevos tratamientos (Yang & Yu, 2023). Pueden utilizarse dos tipos diferentes de organoides, bien derivados de iPSCs, o de células madre adultas (AdSC) (protocolo citado más adelante). Además, existen diversas utilidades aplicables a los organoides, en primer lugar, la investigación, como los estudios para comprender los procesos del desarrollo humano o las interacciones intercelulares (Rossi et al., 2018). En segundo lugar, para generar un biobanco a través de las muestras obtenidas de pacientes y que estas puedan usarse posteriormente para futuras investigaciones. En tercer lugar, también podrían ser utilizados para el modelaje de enfermedades y así poder entender los mecanismos de ciertas enfermedades, en nuestro caso, enfermedades del sistema nervioso, generando organoides cerebrales,(Lancaster et al., 2013). Y, por último, los organoides derivados de pacientes también son utilizados para realizar medicina de precisión, pudiendo así predecir la respuesta de fármacos en estos pacientes (Kim et al., 2020). En el trabajo de (Sozzi et al., 2022), se generan organoides de mesencéfalo ventral humano, derivados de IPSCs de un paciente con EP, que permiten estudiar la degeneración de neuronas dopaminérgicas en el mesencéfalo ventral, lo cual es la principal causa de la EP. A continuación, se muestra en la figura 10, un esquema tanto del mesencéfalo ventral, como del proceso con sus respectivos protocolos, desde generar células madres, hasta llegar a organoides en este caso de mesencéfalo ventral, en 3D. Además, una vez generado dicho organoide, puede realizarse inmunohistoquímica. 23 4.5. Ventajas e inconvenientes de la reprogramación a iPSCs y la utilización de organoides. A continuación, en la Tabla 1, se muestran las ventajas y desventajas de la reprogramación a iPSCs: Ventajas Inconvenientes • Las fuentes celulares son fácilmente accesibles para reprogramar a iPSCs. • La diferenciación incompleta del tipo celular deseado puede provocar la aparición de tumores al implantarse en pacientes. • Las iPSCs reducen la posibilidad de inmunorechazo por parte del paciente, ya que son generadas a partir de células somáticas del mismo paciente. • Los métodos de reprogramación pueden causar tumorigénesis, debido a que se realizan con vectores retrovirales o lentivirales y estos pueden integrarse en el ADN. • La reprogramación de iPSCs reduce el coste general de los ensayos clínicos. • La evaluación de la calidad y la variabilidad de estas células, afectan a la validez de su uso. Figura 10. Descripción general del proceso de generación de organoides y de algunas tecnologías aplicadas a su estudio. Los protocolos básicos están descritos en el artículo del cual ha sido tomada la imagen (Sozzi et al., 2022). Protocolo básico 1: cultivo y mantenimiento de células madres pluripotentes inducidas. Protocolo básico 2: diferenciación de células madre pluripotentes para la generación del organoide. Protocolo básico 3: Caracterización de organoides del mesencéfalo ventral mediante inmunohistoquímica y análisis de expresión génica. Tabla 1. Ventajas e inconvenientes de la reprogramación a iPSCs. Tabla de elaboración propia elaborada con información obtenida de (Medvedev et al.,2010; Thanaskody et al.,2022) 24 Por otro lado, en la tabla 2, se muestran las ventajas e inconvenientes de la utilización de organoides: Ventajas Inconvenientes • Posibilidad de generar un organoide a partir de pacientes afectados sin conocimientos previos sobre los genes causantes de la patología. • No existe un protocolo estandarizado, lo que conlleva una gran variabilidad de los resultados obtenidos por diferentes grupos de investigación. • Modelo más representativo de las patologías y tejidos humanos en comparación con los modelos de experimentación animal. • La maduración completa del tejido neuronal a la hora de generar organoides no está totalmente puesta a punto. • Posibilidad de establecer un cultivo organoide humano en pocas semanas o meses de manera exitosa. (Depende del estudio puede ser también desventaja). • En estos modelos 3D, el suministro de nutrientes y oxígeno a todas las zonas es inadecuado. • Ofrece la posibilidad de estudiar in vitro la eficacia de fármacos en un modelo más fisiológico que los cultivos 2D. • La vascularización y la falta de comunicación con otros órganos, siguen siendo un obstáculo. 4.6. Utilización de fibroblastos en patologías del sistema nervioso. 4.6.1. Fibroblastos en la Enfermedad de Parkinson La enfermedad de Parkinson (EP) es un trastorno neurodegenerativo que está asociado con la muerte progresiva de las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra y la presencia de depósitos de la proteína alfa-sinucleína agregada, contenida en los llamados cuerpos de Tabla 2. Ventajas e inconvenientes de la utilización de organoides. Tabla de elaboración propia con información obtenida de (Kelava y Lancester.,2016; Kim et al.,2020) 25 Lewy. La enfermedad se presenta con lentitud del movimiento, conocida como bradicinesia, temblor en reposo, rigidez y alteración de la marcha, asociados estos síntomas con la pérdida neuronal (Morris et al., 2024). Si bien es cierto que la mayoría de casos de EP son esporádicos, aunque claramente hay factores tanto genéticos como ambientales involucrados, aproximadamente un 5-10% de los casos tienen una causa genética identificable. Algunos de los genes ligados a la EP con herencia mendeliana son SNCA, LRRK2, y VPS35, con herencia autosómica dominante y PINK1, DK1 y PRKN con herencia autosómica recesiva. Además, se han identificado variantes alélicas de genes que confieren mayor susceptibilidad a adquirir la enfermedad o con efecto neuroprotector (Purves D, editor. Neurociencia. 5a edición. Madrid: Médica Panamericana; 2015.) Identificar los genes que se encuentran alterados en la EP, ha ayudado a entender mejor los mecanismos moleculares que contribuyen a la aparición de la enfermedad. Estos mecanismos están asociados al deterioro de la función mitocondrial y lisosomal, la alteración del metabolismo de lípidos, el estrés del retículo endoplasmático y la señalización defectuosa entre este y las mitocondrias. Todos ellos dan como resultado factores asociados a la acumulación de alfa-sinucleína (Morris et al., 2024). A continuación, se esquematizan en la figura 11 los mecanismos fisiopatológicos asociados a la EP. Figura 11. Mecanismos moleculares que conllevan la formación de cuerpos de Lewy y contribuyen a la EP. Tomada de (Morris et al., 2024). 32 Abernathy, D. G., Kim, W. K., McCoy, M. J., Lake, A. M., Ouwenga, R., Lee, S. W., Xing, X., Li, D., Lee, H. J., Heuckeroth, R. O., Dougherty, J. D., Wang, T., & Yoo, A. S. (2017). MicroRNAs Induce a Permissive Chromatin Environment that Enables Neuronal Subtype-Specific Reprogramming of Adult Human Fibroblasts. Cell Stem Cell, 21(3), 332-348.e9. https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.08.002 Alcalay, R., Fraser, K., & West, A. 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