#17. Los grandes éxitos de la medicina regenerativa – Regenerative medicine’s greatest hits

    Cuando era pequeño, cada Navidad las casas discográficas lanzaban al mercado discos recopilatorios de muchos cantantes y grupos musicales, supongo que para competir con los perfumes. Que yo sepa, actualmente esto sigue ocurriendo aunque en menor medida. Al menos mi hija siempre pide para su cumpleaños, el 31 de diciembre, los grandes éxitos de «Los 40 Principales».

        En esta entrada me gustaría hacer una recopilación de los grandes éxitos de la medicina regenerativa en los últimos años. Y es que este campo está avanzando a pasos agigantados. Tanto, que a poco que nos despistemos se nos pasan los logros alcanzados. En mi opinión los avances más interesantes y recientes son los que os cuento a continuación. Ojo, no se trata de una descripción exhaustiva.

     Riñón. El 27 de mayo de 2014 publiqué la séptima entrada de este blog, «Algunos científicos son artistas», que puedes consultar aquí. La titulé así porque pienso que los científicos que están haciendo eso son verdaderos artesanos.

   Hígado. En 2006, los investigadores británicos de la Universidad de Newcastle, Nico Forraz y Colin McGuckin describieron la realización del primer hígado artificial en miniatura, con un tamaño de una modeda de 1 céntimo. Para conseguirlo, utilizaron sangre de cordón umbilical y estimularon la proliferación celular con varios factores de crecimiento, además de emplear un biorreactor donde podían mantener las células en un ambiente de ingravidez. Un resumen de la noticia se puede leer aquí en inglés.

     En 2013, un grupo japonés cultivó in vitro células iPSC humanas (induced pluripotent stem cells, o sea, células madre pluripotentes inducidas) para formar «organoides» hepáticos: unas estructuras microscópicas que tridimensionalmente se organizaban como las células hepáticas en un hígado de verdad. No quedó ahí la cosa, trasplantaron estos organoides hepáticos humanos a ratones, logrando que en 48 horas la vasculatura del organoide trasplantado conectara con la del animal receptor. Gracias a ello, el organoide creció para formar un tejido semejante a un hígado adulto, perfectamente funcional como se demostró por:

a) la producción de proteínas, entre ellas la albúmina, específicamente fabricada por el hígado, y

b) el metabolismo de fármacos. Este segundo punto es muy interesante pues los investigadores administraron a los ratones receptores de los trasplantes sustancias que se metabolizan de forma diferente en humanos y en ratones, encontrando en la orina metabolitos típicos de humanos.

     El paper es una maravilla y contiene mucho material suplementario, vídeos incluidos [1].

     El año pasado también ha sido testigo de otro logro. Los investigadores que trabajan con hepatocitos (de rata, ratón, o por qué no, humanos) sabemos lo difícil de manejar que son estas células. Cada vez que se quiere hacer un experimento es necesario realizar una perfusión hepática sacrificando un animal, un proceso consistente en la digestión del hígado con la enzima colagenasa y que podéis ver en este vídeo:

   Si todo va bien, se consiguen varios millones de células con una buena viabilidad y se puede llevar a cabo el experimento. Por ejemplo, tratar los hepatocitos con nuestra molécula de interés. Ahora bien, los experimentos no son muy largos, como mucho las células pueden tratarse durante periodos de 24 o 48 horas. Eso es porque por muy a gusto que tengamos las células (con medios de cultivo especiales) en cultivo, no viven mucho.

     El avance [2] ha consistido en: 1) la purificación de la población de células madre hepáticas que expresan la proteína de superficie Lgr5+; 2) el cultivo de tales células hasta conseguir organoides hepáticos que han llegado a vivir más de un año; y, 3) el trasplante de los organoides a ratones con una enfermedad hepática de tipo genético (tirosinemia tipo I), consiguiendo que los organoides siguieran creciendo y mejorando la supervivencia en el grupo de ratones trasplantados.

    Intestino. En lo que se refiere a intestino, también se han conseguido organoides in vitro. Podéis leer el post que el magnífico blog A Ciencia Cierta dedicó a este tema. Existen diversos grupos trabajando de forma muy activa en este campo, entre ellos el de Hans Clevers en los Países Bajos, que investiga con organoides de intestino humano [3]. En nuestro laboratorio estamos trabajando con organoides de ratón aunque sin mucho éxito de momento. Hasta la fecha hemos conseguido aislarlos pero no mantenerlos en cultivo, se mueren. Acabamos de averiguar que seguramente la causa es un factor de crecimiento que se necesita añadir al cultivo, la R-spondina. Hemos estado usando una R-spondina comercial y parece que no todos los lotes «funcionan». Así que hemos tenido que conseguir unas células (nos las ha regalado el Dr. Calvin Kuo de la Universidad de Stanford) que secretan al medio este factor. Es decir, incubaremos los organoides con lo que se denomina un «medio de cultivo condicionado», en otras palabras, el medio donde se han cultivado estas células y que contiene, entre otras cosas, R-spondina. Ahora mismo estamos recolectando el medio condicionado. Os tendré al tanto.

     Estómago. No quiero hacerme pesado, pero se ha conseguido un mini-estómago a partir de células madre. En JANO.es – Medicina y Humanidades cuentan muy bien la noticia en español. Los propios investigadores que han obtenido el mini-estómago lo están usando para investigar la infección por Helicobacter pylori, principal causante de úlcera péptica. El trabajo original se puede consultar aquí [4].

     Ya se han conseguido también organoides de cerebro [5] y páncreas [6], aunque la investigación no está tan avanzada como en los casos anteriores. Sobre los organoides pancreáticos, podéis leer más en el blog A Ciencia Cierta.

    Para finalizar, no sé qué os parece a vosotros; a mí particularmente estas investigaciones me parecen asombrosas. Se ha avanzado mucho en los últimos diez años. Quizás suene a poca cosa esto de los organoides y mini-órganos, pero me gustaría leer esta entrada dentro de otros 10 años, a ver en qué se ha traducido todo este trabajo. Doy por hecho que podremos disfrutar de un nuevo recopilatorio.

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     When I was a kid, record labels released song compilations of many singers and groups every Christmas to compete with the perfume industry, I guess. As far as I know, this is still done somehow but at a lesser extent. At least my daughter keeps asking for the Spanish version of the «American Top 40» for her birthday on December 31.

      In this post I wish to make a compilation of the greatest hits of regenerative medicine in recent years, because this field is moving at a giant pace. So fast that many of the breakthroughs are easy to miss. In my opinion the most exciting and recent advances in this field are the ones described below. This is not, I am warning you, a thorough description.

      Kidney. On May 27, 2013 I published the seventh post in this blog, «Some scientists are artisans», which you may browse here. I gave it this title because I believe that scientists who do this kind of things are precisely true craftspeople.

    Liver. In 2006, British researchers from the Newcastle University, Nico Forraz and Colin McGuckin reported the world’s first artificial human mini-liver grown in a laboratory, the size of a penny. In order to grow the mini-liver these scientists used umbilical cord blood and induced cell proliferation with growth factors along with a bioreactor to simulate the weightless environment of space. You may read the news here.

      In 2013, a Japanese team cultured human induced pluripotent stem cells and grew liver organoids: microscopic 3D structures organized as hepatic cells in a true liver. There is more, researchers transplanted these human liver organoids into mice and showed that the organoid’s blood vessels connected with the mice liver’s blood vessels within 48 hrs. In this manner the organoids were able to grow and develop into tissue resembling an adult liver, perfectly functional as shown by:

a) the production of proteins, among them albumin, a protein specifically fabricated by the liver, and

b) the metabolism of drugs. This is very interesting because researchers gave the recipient mice drugs that are differentially metabolized in humans and mice, and found metabolites typical of humans in the mice urine.

      The paper is absolutely stunning and includes lots of supplementary material such as videos [1].

   Last year has witnessed another breakthrough. Scientists who work with hepatocytes (from mice, rat, or why not, humans) know how hard to handle these cells are. Whenever we wish to do an experiment we need to sacrifize an animal and carry out a liver perfusion, a procedure where the liver is digested with an enzyme called collagenase and that you may watch in this video:

    If all goes well we get a few million liver cells of good viability, and the experiment can be done. For instance, we can treat the hepatocytes with our drug of interest. However, the experiments cannot extend for a long time, cells can only be treated for 24 or 48 hrs max. That is because it does not matter how comfy the cells are in culture (with a special culture medium), they will not live for long.

    This particular breakthrough [2] consisted of: 1) the purification of a particular population of liver stem cells that express the surface protein Lgr5+; 2) the growth of those cells until they became hepatic organoids, and their culture for over a year; and, 3) the transplantation of the organoids to mice with tyrosinemia type I, a genetic liver disease, where the organoids continued to grow, with a subsequent increase in survival in the group of mice that received organoids compared with the non-transplanted group.

    Intestine. Intestinal organoids have also been obtained in vitro. A few research groups are actively working on this field. An example is Hans Clevers’ team who does research with human intestinal organoids in Holland [3]. We are currently working in our lab with mice organoids although with not much success so far. As of today, we have been able to isolate the organoids but not to keep them in culture, they die. We have just figured out that the reason is most likely a growth factor known as R-spondin which needs to be added to the culture. We have been using a commercial R-spondin, and it seems that not all batches work well. We have then decided to request some cells (a kind gift from Dr. Calvin Kuo, from Stanford University) that produce and release this growth factor to the culture medium. That is to say, we are going to incubate the organoids in this so-called «conditioned culture medium», in other words, the medium where these special cells were cultured (which then contains, among other things, R-spondin). Just now we are collecting this conditioned medium. I will keep you posted.

    Stomach. I do not mean to be a pain but mini-stomachs have also been obtained from stem cells. The very same researchers that got the mini-stomach are using it to investigate infection by Helicobacter pylori, the main causative agent of peptic ulcer. You may read the original paper here [4].

   Cerebral [5] and pancreatic [6] organoids have been developed too, although this investigation is a little behind compared with the one described above.

     To finish, I do not know what you think. This kind of research seems awesome to me. We have moved forward a great deal in the las 10 years. This orgaonoid and mini-liver thing may not sound like much, but I would like to read this post in another 10 years time to see the results derived from all this work. I take it for granted that we will enjoy a new compilation.

Referencias/References:

1. Takebe T, Sekine K, Enomura M, Koike H, Kimura M, Ogaeri T, Zhang RR, Ueno Y, Zheng YW, Koike N, Aoyama S, Adachi Y, Taniguchi H. Vascularized and functional human liver from an iPSC-derived organ bud transplant. Nature 2013; 499: 481–484. doi:10.1038/nature12271

2. Huch M, Dorrell C, Boj SF, van Es JH, Li VS, van de Wetering M, Sato T, Hamer K, Sasaki N, Finegold MJ, Haft A, Vries RG, Grompe M, Clevers H. In vitro expansion of single Lgr5+ liver stem cells induced by Wnt-driven regeneration. Nature 2013; 494: 247-50.

3. Sato T, Stange DE, Ferrante M, Vries RG, Van Es JH, Van den Brink S, Van Houdt WJ, Pronk A, Van Gorp J, Siersema PD, Clevers H. Long-term Expansion of Epithelial Organoids From Human Colon, Adenoma, Adenocarcinoma, and Barrett’s Epithelium. Gastroenterology 2011; 141: 1762–1772.

4. McCracken KW, Cata´ EM, Crawford CM, Sinagoga KL, Schumacher M, Rockich BE, Tsai YH, Mayhew CN, Spence JR, Zavros Y, Wells JM. Modelling human development and disease in pluripotent stem-cell-derived gastric organoids. Nature 2014. http://dx.doi.org/10.1038/nature13863

5. Lancaster MA, Renner M, Martin CA, Wenzel D, Bicknell LS, Hurles ME, Homfray T, Penninger JM, Jackson AP, Knoblich JA. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature 2013; 501: 373-379. doi: 10.1038/nature12517.

6. Greggio C, De Franceschi F, Figueiredo-Larsen M, Gobaa S, Ranga A, Semb H, Lutolf M, Grapin-Botton A. Artificial three-dimensional niches deconstruct pancreas development in vitro. Development 2013; 140: 4452-4462. doi:10.1242/dev.096628