Ronald Palacios Castrillo, M.D.,PhD.
Resumen ChatGPT
La generación de grupos endocrinos similares a islotes a partir de células madre pluripotentes humanas (hPSC) ha sido objeto de investigación intensiva en el campo de la medicina regenerativa, especialmente en el tratamiento de la diabetes. Estos islotes derivados de células madre (islotes SC) tienen el potencial de proporcionar una fuente ilimitada de células β productoras de insulina, lo que podría superar la escasez de donantes de órganos y los problemas asociados con el trasplante de islotes pancreáticos de donantes.
Uno de los principales desafíos en el desarrollo de la terapia celular con islotes SC es asegurar que los islotes generados sean altamente funcionales y capaces de secretar insulina de manera adecuada en respuesta a los niveles de glucosa en sangre. La caracterización exhaustiva de estos islotes es fundamental para garantizar su calidad y eficacia terapéutica. En este sentido, se han realizado avances significativos en la mejora de los protocolos de diferenciación de hPSC hacia células β productoras de insulina, lo que ha permitido obtener islotes SC con características más cercanas a los islotes pancreáticos nativos.
Además de la generación de islotes SC funcionales, es crucial abordar los desafíos relacionados con la viabilidad y el rechazo inmunológico después del trasplante. La pérdida celular inmediata después del trasplante puede ser causada por factores como la falta de suministro de sangre y nutrientes, la respuesta inflamatoria y el estrés oxidativo. Se han propuesto varias estrategias para mejorar la supervivencia de los islotes trasplantados, como el uso de biomateriales y sistemas de encapsulación para proteger los islotes y promover la vascularización.
En cuanto al rechazo inmunológico a largo plazo, se están investigando enfoques para evitar la necesidad de terapia inmunosupresora continua. Esto incluye el desarrollo de tecnologías de ingeniería de tejidos que permitan el uso de células modificadas genéticamente para evadir la respuesta inmunológica o la generación de células productoras de insulina a partir de células del propio paciente, lo que reduciría el riesgo de rechazo.
En resumen, la generación y caracterización de islotes SC altamente funcionales, así como la implementación de estrategias para garantizar la viabilidad y seguridad del injerto después del trasplante, son áreas de investigación activas en el campo de la medicina regenerativa. A medida que se realizan avances en estos campos, la terapia celular con islotes SC podría convertirse en una opción viable y prometedora para el tratamiento de la diabetes en el futuro.
La diabetes como candidata ideal para la terapia de reemplazo celular
La insulina es un regulador esencial del metabolismo energético en todo el cuerpo, dirigiendo el uso de carbohidratos, grasas y proteínas. En particular, la unión de la insulina a los receptores de la superficie celular facilita la entrada de glucosa desde el torrente sanguíneo a muchos tipos de células dentro del cuerpo, sobre todo en el músculo y la grasa, para que puedan utilizarlo como energía. La insulina envía señales para que el exceso de glucosa se almacene para su uso futuro como glucógeno en el hígado y el músculo, así como para convertirla en grasa en los adipocitos. Paralelamente, la señalización de la insulina ralentiza la descomposición de grasas y proteínas, ya que no se necesitan mucho cuando la glucosa es abundante. La cantidad de insulina que circula en la sangre cambia dinámicamente en respuesta a las necesidades energéticas del cuerpo que cambian constantemente y la disponibilidad de cada fuente de combustible. Células endocrinas especializadas llamadas células β, ubicadas en los islotes de Langerhans dentro del páncreas, son responsables de esta producción y liberación de insulina estrictamente reguladas.
Después de una comida, por ejemplo, los niveles de glucosa en sangre aumentan a medida que los carbohidratos se descomponen en glucosa y se absorben en el torrente sanguíneo. Las células β pueden detectar rápidamente este aumento del nivel de glucosa en la sangre y secretar la cantidad adecuada de insulina en respuesta, lo que permite que las células de todo el cuerpo utilicen esta glucosa para la producción de energía. Los niveles de glucosa en sangre caen a medida que la glucosa ingresa a las células, lo que hace que las células β disminuyan la liberación de insulina. Esta reducción en la secreción de insulina junto con un aumento de la hormona contrarreguladora glucagón por parte de las células α evita que los niveles de glucosa en sangre caigan por debajo de un umbral establecido (∼70 mg/dL en humanos), ya que se requiere una concentración mínima para los tejidos del sistema nervioso central funcione correctamente. Al cambiar rápidamente la cantidad de insulina y glucagón en circulación, las células β y α mantienen los niveles de glucosa en sangre en un rango óptimo estrecho.
En la diabetes tipo 1 (T1D), las células β son destruidas selectivamente por un proceso autoinmune, lo que resulta en la incapacidad de producir y secretar insulina. Sin insulina, la homeostasis de la glucosa y el equilibrio del metabolismo energético en el cuerpo se interrumpen por completo. Dado que muchos tipos de células ya no pueden importar glucosa para obtener energía, deben pasar a metabolizar los ácidos grasos libres que se liberan de la descomposición de los triglicéridos en los adipocitos como su principal fuente de energía.
Es importante destacar que, a medida que el hígado procesa los ácidos grasos libres, genera cetonas que también pueden ser utilizadas como fuente de energía por otros tejidos. Si bien este proceso es normal durante los períodos de ayuno y dietas bajas en carbohidratos, la ausencia total de señalización de insulina en la diabetes tipo 1 da como resultado una descomposición de grasas sin inhibiciones y una producción de cetonas descontrolada. La rápida acumulación de cetonas cambia el pH de la sangre, lo que da como resultado una afección potencialmente mortal llamada cetoacidosis. Por lo tanto, los pacientes con DT1 deben inyectarse insulina exógena para sobrevivir y restaurar las vías de señalización necesarias que regulan adecuadamente su metabolismo energético.
Si bien la inyección de insulina permite que los pacientes con diabetes tipo 1 se mantengan con vida, replicar la dinámica precisa de secreción de insulina de las células β puede ser difícil. Los pacientes no solo deben tener en cuenta lo que comen al calcular una dosis de insulina, sino que, dado que los requisitos de insulina están íntimamente relacionados con el metabolismo energético, otros factores, como la intensidad y la duración de la actividad física, así como los niveles de estrés, pueden influir en la cantidad de insulina que necesitan. cuerpo requiere en un momento dado. Estimar incorrectamente la cantidad de insulina necesaria en un momento determinado puede crear problemas tanto a corto como a largo plazo.
Por ejemplo, no administrar suficiente insulina hará que el nivel de glucosa en sangre de un paciente sea más alto de lo que debería ser. En casos extremos, los niveles altos de glucosa pueden cambiar la osmolaridad de la sangre y provocar una deshidratación potencialmente mortal. Los niveles de glucosa moderadamente altos no son un problema grave a corto plazo, aunque pueden hacer que el paciente se sienta por debajo del nivel óptimo. Sin embargo, a lo largo de la vida del paciente, esta elevación crónica de la concentración de glucosa en sangre puede dañar los tejidos de todo el cuerpo. Por lo tanto, es sumamente importante tratar de mantener los niveles de glucosa en sangre lo más cerca posible de lo normal para evitar complicaciones a largo plazo, como enfermedades cardiovasculares, renales y oculares. Por otro lado, administrar demasiada insulina es peligroso en el a corto plazo porque puede hacer que los niveles de glucosa en la sangre caigan por debajo del límite inferior normal.
El sistema nervioso central requiere un suministro constante de glucosa para funcionar, y se requiere una cierta concentración en la sangre para facilitar el transporte suficiente de glucosa a través de la barrera hematoencefálica. Por lo tanto, a medida que los niveles de glucosa en la sangre caen por debajo de este umbral, una persona puede comenzar a actuar de manera anormal ya que su cerebro esencialmente muere de hambre. Si los niveles de glucosa en sangre continúan cayendo, la persona puede perder el conocimiento y finalmente morir. En consecuencia, los pacientes que toman insulina deben tratar de navegar entre estos dos extremos y estimar la cantidad de insulina que su cuerpo necesita en función de su estado metabólico actual.
El tratamiento de la diabetes Tipo 1 ha avanzado mucho en los últimos años. En particular, las nuevas herramientas, como las bombas de insulina y los monitores continuos de glucosa, sin duda han facilitado la vida con diabetes y han ayudado a muchos pacientes a controlar mejor sus niveles de glucosa en sangre. Sin embargo, a pesar de estos avances, muchos pacientes aún no logran alcanzar sus objetivos. Además, incluso si alcanzan sus objetivos de glucosa en sangre, la terapia puede seguir siendo una carga, ya que aún requiere un control y un ajuste constantes. Debido a la dificultad de replicar la dinámica precisa de secreción de insulina de las células β con inyecciones de insulina exógena, una alternativa de tratamiento potencialmente mejor consiste en reemplazar las células β perdidas por otras nuevas, permitiendo que estas células trasplantadas controlen los niveles de glucosa en sangre y secreten la cantidad adecuada de insulina en respuesta.
Tal trasplante proporcionaría una «cura funcional» para los pacientes con diabetes Tipo 1, ya que ya no tendrían que controlar sus niveles de glucosa en sangre con inyecciones de insulina. Los diabéticos tipo 2 que dependen de las inyecciones de insulina también pueden beneficiarse de dicho trasplante. Curiosamente, la diabetes tipo 1 es un candidato potencialmente ideal para la terapia de reemplazo celular. Debido a que las células β individuales pueden detectar cambios de glucosa extracelulares y secretar insulina, hay menos necesidad de una estructura de trabajo compleja de múltiples tipos de células integradas, como se requeriría en la ingeniería de tejidos de órganos completos como un corazón o un riñón. Más bien, siempre que las células β secreten insulina adecuadamente en respuesta a la estimulación de la glucosa y se trasladen a un lugar que facilite el intercambio adecuado de estas moléculas con el torrente sanguíneo, dicha terapia de reemplazo celular podría proporcionar una cura funcional para la DT1.
Las mejoras en el trasplante de páncreas completo desde la década de 1960 demostraron que el tejido pancreático donado podría restaurar la homeostasis de la glucosa en pacientes diabéticos. Sin embargo, el trasplante de islotes pancreáticos solo para restaurar la masa de células β tuvo un éxito limitado hasta el desarrollo del Protocolo de Edmonton en 2000, que demostró que la infusión de islotes en el hígado a través de la vena porta era suficiente para restaurar la homeostasis de la glucosa. Su ensayo inicial condujo a la independencia de la insulina de los siete pacientes 1 año después del trasplante, lo que mejoró enormemente los resultados de trasplantes de islotes anteriores debido a la optimización de su régimen de inmunosupresión y se benefició de las mejoras en las técnicas de aislamiento de islotes.
Aunque todos menos uno de estos pacientes requirieron insulina suplementaria 10 años después del trasplante, todos los receptores mantuvieron cierto nivel de función del injerto que proporcionó beneficios sustanciales para el control de la glucosa y la eliminación de eventos hipoglucémicos graves. Los estudios de trasplante posteriores continuaron mostrando mejores resultados para los pacientes, con el trasplante de islotes acercándose al éxito del trasplante de páncreas completo sin el riesgo quirúrgico correspondiente. Es importante destacar que estos notables estudios demostraron que el concepto de reemplazar la masa de células β mediante el trasplante de islotes pancreáticos fue relativamente seguro y eficaz en el tratamiento de la DT1.
Ensayos clínicos recientes con tejido pancreático derivado de SC
Si bien el trasplante de islotes humanos de donantes fallecidos ha demostrado la viabilidad de una terapia de reemplazo celular para el tratamiento de la diabetes, existen varios problemas que limitan su uso más generalizado. En particular, el éxito del injerto aumenta cuando se trasplanta una gran cantidad de islotes, lo que a menudo resulta en la necesidad de páncreas de múltiples donantes y esto exacerba el rechazo inmunológico y el fracaso del injerto. Además, el estrés de la purificación del páncreas puede dañar los islotes antes del trasplante. Este problema de abastecimiento podría evitarse mediante la diferenciación de células madre (SC) en células β in vitro, generando un suministro ilimitado de células productoras de insulina para el trasplante.
Estos islotes derivados de células madre (islotes SC) podrían generarse a partir de una fuente de una sola célula mediante un proceso estandarizado, y el producto celular resultante podría caracterizarse bien para permitir resultados de trasplante más predecibles. Además, un producto derivado de SC también podría diseñarse genéticamente para tener características ventajosas que no se encuentran en los islotes primarios, como la resistencia a factores estresantes como la hipoxia o la capacidad de evadir el sistema inmunológico del huésped.
Los avances recientes en las tecnologías SC han dado lugar a los primeros ensayos clínicos en humanos que utilizan productos pancreáticos derivados de SC. En particular, ViaCyte desarrolló una población de células endodérmicas pancreáticas derivadas de SC conocida como PEC-01, que demostraron madurar durante varios meses in vivo en células endocrinas productoras de insulina en modelos de roedores. Juntos, desarrollaron varias iteraciones de un dispositivo de macroencapsulación recuperable para contener las células trasplantadas. Un ensayo clínico inicial en humanos de 2014 (clinicaltrials.gov: NCT02239354) utilizó el dispositivo Encaptra, que fue diseñado para inmunoproteger completamente las células mediante una membrana impermeable a las células.
Si bien el producto PEC-Encap trasplantado fue bien tolerado con pocos efectos adversos, el ensayo se detuvo debido a un injerto funcional insuficiente del producto. Si bien se observaron algunas células endocrinas, la fibrosis alrededor de la cápsula provocó la pérdida del injerto y no se detectó secreción de insulina del dispositivo. Para superar este problema, el dispositivo PEC-Direct más nuevo contenía aberturas en la membrana para permitir la vascularización para mejorar la nutrición. intercambiar y promover la supervivencia celular. Sin embargo, debido a que las células huésped pudieron penetrar en el dispositivo, se requirió inmunosupresión después del trasplante. En 2017 se inició un ensayo clínico en curso en siete sitios para probar este dispositivo (clinicaltrials.gov: NCT03163511), y recientemente se publicó la primera ronda de resultados. Demostraron la producción de péptido C sensible a la glucosa entre 6 y 9 meses después del trasplante a medida que las células injertadas maduraban de progenitores pancreáticos a células endocrinas pancreáticas.
Tras la extracción del injerto, la mayoría de estas células derivadas del injerto fueron positivas para el marcador endocrino general cromogranina A (CHGA). Curiosamente, aunque había regiones de células similares a β ,positivas para péptido C, la mayoría de estas células endocrinas fueron positivas para el marcador de células α ,glucagón. También se observaron células ductales y raras células acinares. Según lo previsto, el diseño poroso promovió el crecimiento de vasos sanguíneos derivados del huésped dentro del dispositivo, y este fenómeno fue más prominente en las regiones que contenían las células derivadas del injerto. Sin embargo, en otras regiones del dispositivo, los fibroblastos del huésped eran el tipo de célula predominante, lo que daba como resultado el depósito de tejido fibrótico en lugar de la vasculatura derivada del huésped.
Si bien los niveles de péptido C circulante observados en estos estudios fueron demasiado bajos para inducir un beneficio clínico medible atribuible a las células trasplantadas, estos ensayos clínicos han demostrado que facilitar la vascularización derivada del huésped en el injerto promovió la supervivencia y función de las células endocrinas a largo plazo en humanos Paralelamente, destacan la importancia de limitar la respuesta fibrótica del cuerpo a un dispositivo trasplantado para asegurar estos resultados. Es importante destacar que estos estudios no detectaron ningún problema de seguridad grave relacionado con las células trasplantadas, como la formación de tumores.
En el ensayo clínico ViaCyte, se observó que los injertos explantados después de meses in vivo eran muy heterogéneos entre pacientes, ya que las células se trasplantaron como progenitores pancreáticos y se les permitió terminar de diferenciarse in vivo. Idealmente, las células β podrían diferenciarse terminalmente in vitro y capaz de secreción de insulina sensible a la glucosa antes del trasplante, lo que permitiría una población celular más consistente que facilitaría una restauración relativamente rápida del control de glucosa en sangre. En 2014-2015, varios grupos publicaron protocolos para generar células β derivadas de células madre (SC-β) que secretan insulina en respuesta a la estimulación de la glucosa. Debido a que este proceso de diferenciación también genera otros tipos de células endocrinas, como las α productoras de glucagón.
Estas agrupaciones de células diferenciadas ahora se denominan a menudo islotes SC. Se ha demostrado que estas células mejoran el control glucémico en ratones diabéticos, lo que destaca su utilidad potencial in vivo. Recientemente, estos islotes SC también se usaron para ayudar a tratar primates diabéticos no humanos. Al no lograr una independencia completa de la insulina, los islotes SC trasplantados redujeron significativamente sus requisitos de insulina y mejoraron en gran medida su control glucémico, lo que ilustra aún más la utilidad potencial de los islotes SC como terapia. Los islotes SC ahora también se han trasplantado a pacientes humanos con diabetes tipo 1 en un ensayo clínico de Vertex Pharmaceuticals, que comenzó en 2021 (clinicaltrials.gov: NCT04786262).
A los primeros dos pacientes se les administró la mitad de la dosis objetivo anticipada para evaluar el perfil de seguridad de su producto derivado SC, VX-880. Además, estas células se trasplantaron sin dispositivo inmunoprotector para evitar problemas de intercambio de nutrientes y fibrosis, por lo que los pacientes requirieron fármacos inmunosupresores para asegurar la supervivencia del injerto. Si bien los hallazgos iniciales aún no han sido revisados por pares, los resultados preliminares positivos informados en un comunicado de prensa han indicado que el trasplante de estos islotes SC mejoró el control glucémico en estos dos pacientes con diabetes Tipo 1 (https://www.businesswire.com/news/home /20220606005424/es/). Sin embargo, los islotes SC trasplantados tardaron más en mejorar el control glucémico que en los modelos de roedores, y aún no se ha explorado el motivo de este retraso.
Desafíos pendientes para desarrollar una terapia celular ampliamente utilizada
Estos prometedores resultados iniciales de ensayos clínicos destacan la gran promesa que tienen los islotes SC para tratar la DT1. Sin embargo, quedan varios desafíos por abordar antes de que esta terapia celular pueda convertirse en un procedimiento de rutina (Figura 1). En primer lugar, las células SC-β generadas con los protocolos de diferenciación dirigidos actuales todavía no son tan funcionales como las células β humanas primarias, y su paisaje transcripcional y de cromatina sigue siendo inmaduro. Además, las metodologías de diferenciación actuales todavía producen tipos de células fuera del objetivo, en particular células que se asemejan a un tipo endocrino intestinal llamado célula enterocromafín (EC).
La presencia de estas células fuera de los objetivos, así como la menor secreción de insulina observada por célula en comparación con los islotes primarios, indica que todavía hay espacio para mejorar estos protocolos de diferenciación. Si la secreción de insulina por célula puede incrementarse aún más, se necesitarán menos células para curar a un paciente. Reducir el número de células requeridas es significativo en términos tanto del volumen de injerto que se necesita trasplantar como de los costos de producción de células. Con este fin, se ha logrado un progreso significativo en la mejora de la función de los islotes SC en comparación con los protocolos originales, y los avances recientes en las tecnologías de secuenciación de una sola célula han permitido una caracterización sin precedentes de estas células para aclarar aún más las formas de refinar las estrategias de diferenciación de células SC-β.
En segundo lugar, idealmente habría una estrategia para eludir la necesidad de tomar medicamentos inmunosupresores después del trasplante. Para el típico paciente con diabetes tipo 1 que puede alcanzar sus objetivos de glucosa en sangre con inyecciones de insulina según lo indican sus niveles de hemoglobina A1c, los efectos secundarios adversos potencialmente graves de la inmunosupresión de por vida pueden no superar los beneficios de un mejor control glucémico.
Por lo tanto, actualmente se están siguiendo varias estrategias para proteger los islotes SC trasplantados del ataque inmunológico. Un método atractivo es encapsular las células en un dispositivo con tamaños de poro finamente controlados que facilita la difusión de moléculas pequeñas como la glucosa y la insulina, pero bloquea la infiltración de las células inmunitarias en el dispositivo. Los biomateriales también se pueden fabricar con química instructiva para inducir tolerancia inmunológica local alrededor de las células trasplantadas. Alternativamente, los propios islotes SC pueden modificarse genéticamente para eliminar los antígenos que les indicarían que el sistema inmunitario del huésped los destruya, así como para agregar moléculas de señalización de superficie que induzcan la tolerancia inmunitaria.
Observaciones finales
El campo ha recorrido un largo camino desde el descubrimiento de la generación robusta de endodermo definitivo a partir de hPSC en 2005. A través de las excelentes contribuciones de muchos grupos de investigación, se desarrollaron protocolos para impulsar estas células de endodermo definitivas a través de varias etapas intermedias, que culminan en la generación de glucosa. -células β sensibles en 2014. El refinamiento adicional de estas estrategias de diferenciación indujo una mayor maduración funcional de los islotes SC, lo que facilitó la adquisición de una cinética de secreción de insulina bifásica similar a la observada en los islotes humanos primarios. Estas células pueden curar rápidamente ratones con diabetes severa y mejorar el control glucémico en primates no humanos, y el progreso continuo ha permitido que el campo se reduzca a los atributos de calidad críticos de estas células (Figura 3).
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Figura 3 Atributos de calidad críticos de los islotes SC
Como se discutió a lo largo de esta revisión, los últimos desarrollos en la generación de islotes SC y la protección inmunológica tienen el potencial de aumentar la eficacia y seguridad del producto celular final. Por ejemplo, las tecnologías de secuenciación de una sola célula han permitido una caracterización sin precedentes de los islotes SC, proporcionando información sobre la identidad y el estado de maduración de las células producidas con estos protocolos de diferenciación. Estos datos sobre el panorama transcripcional y de cromatina de los tipos de células de los islotes SC pueden guiar la próxima generación de protocolos para refinar la producción de islotes SC en un esfuerzo por aumentar la secreción de insulina por célula y eliminar los tipos de células fuera del objetivo.
También se han logrado avances con las estrategias inmunoprotectoras, incluidos los biomateriales personalizados que indujeron la tolerancia inmunitaria local, así como las células modificadas genéticamente que evaden el sistema inmunitario. Estos enfoques ofrecen la posibilidad de evitar por completo los fármacos inmunosupresores, lo que amplía la aplicabilidad de esta terapia celular. Finalmente, es probable que otros enfoques de ingeniería genética para mejorar la resistencia de los islotes SC a los factores estresantes que experimentan inmediatamente después del trasplante sean clave para mejorar la viabilidad del injerto y reducir la cantidad de células necesarias para la independencia de la insulina.
