thumb|right|300px|Esquema de la generación de células madre pluripotenciales inducidas (iPS) a partir de células adultas (reprogramación). (1) Se aíslan y cultivan las células adultas que se van a utilizar como . (2) Se hace la transferencia de genes exógenos provenientes de células madres a las células por medio de vehículos retrovirales. Las células de color rojo indican que son células transfectadas que ya expresan los genes exógenos. (3) Se cultivan las células transfectadas con métodos de cultivo de células madre usando células inactivadas como capas alimentadoras (color gris). (4) Un subgrupo pequeño de estas células transfectadas se transforman en células madres pluripotenciales inducidas (iPS) y desde ese momento en adelante producen colonias de células madre.
Las células madre pluripotentes inducidas (normalmente abreviadas como células iPS, por sus siglas en inglés: "induced Pluripotent Stem" ) son un tipo de células madre con características pluripotenciales (capaces de generar la mayoría de los tejidos) derivadas artificialmente de una célula que inicialmente no era pluripotencial. Por lo general se utiliza como una célula adulta diferenciada (diferenciación celular) procedente de un tejido, sobre la que se induce la expresión de varios genes exógenos, tales como Oct4, Sox2, c-Myc y Klf4, capaces de des-diferenciarla. Se denomina reprogramación a esta desdiferenciación. Las células iPS son capaces: a) de diferenciarse en células de tejidos pertenecientes a las tres capas germinales de un embrión natural (ver embriogénesis humana): endodermo, mesodermo y ectodermo, b) de formar teratomas, y c) ratones quiméricos o quimeras (quimerismo).
Se ha demostrado que las células iPS son idénticas en muchos aspectos, y similares en otros, a las células madre embrionarias (normalmente abreviadas como ES, por sus siglas en inglés: "Embryonic Stem"). Por ejemplo, son iguales en morfología, expresión de ciertos genes y proteínas, patrones de metilación del ADN, tiempo de duplicación celular y capacidad de diferenciación a células de otros tejidos. Sin embargo, el mecanismo mediante el cual se inducen y su relación con las células ES sigue aún en investigación (Liu, et al. 2011).
Las células iPS se obtuvieron por primera vez en el año 2006 a partir de células de ratones (Takahashi & Yamanaka, 2006), y en 2007 a partir de células humanas (Takahashi, et al. 2007). En 2006, se describió por primera vez este proceso a partir de fibroblastos de ratón utilizando retrovirus que vehiculizaban e inducían la expresión de varios genes exógenos. En 2011 se publicó una revisión sobre esta primera metodología (Miller & Schlaeger, 2011). Este logro se considera uno de los avances más importantes de la investigación con células madre, ya que permite obtener células madres pluripotenciales a partir de células adultas. Las iPS tienen aplicaciones como modelos para estudio de enfermedades, posibles usos terapéuticos (disminuyendo el rechazo en los trasplantes y sin la controversia del uso de embriones que tiene las células ES), y en investigaciones básicas.
Shinya Yamanaka y John Gurdon fueron galardonados en 2012 con el premio nobel de Fisiología o Medicina.
Primeros métodos de reprogramación de células adultas thumb|derecha|400px|Esquema de la generación de células de tejidos diferenciadas a partir de las células madre naturales. . Todas las células adultas que componen un cuerpo de ratón o humano se generan a partir de una célula inicial totipotencial a través de células madre pluripotenciales, que solo persisten en la época embrionaria (células ES), y después a partir de células madre multipotenciales que persisten en el adulto. La reprogramación de células adultas a células pluripotenciales (células iPS) ha conseguido la reversibilidad parcial de este proceso natural de diferenciación celular
Primera generación en ratones Las células iPS se derivan de células adultas por transferencia (transfección) de varios genes exógenos asociados a células ES. Generalmente para una transferencia eficiente se utilizan retrovirus que actúan como vehículos o vectores de los genes exógenos. Los genes exógenos transferidos son principalmente los correspondientes a factores de transcripción (transcripción genética) asociados a las células ES. Después de 3–4 semanas , un pequeño porcentaje de las células transferidas comienzan a diferenciarse volviéndose morfológica y bioquímicamente similares a las células ES. Las células iPS o células adultas reprogramadas se aíslan por selección con un gen de resistencia a antibióticos y por confirmación de su identidad (ver después).
El equipo de Shinya Yamanaka en la Universidad de Kioto (Japón) en 2006, fue el primero en generar células iPS. Para ello usaron como células diana fibroblastos de ratón, como genes exógenos los previamente identificados como expresados en las células ES, y como vehículos o vectores los retrovirus. Cuatro genes codificando factores de transcripción resultaron esenciales para producir células iPS: los denominados Oct-3/4, Sox2, c-Myc, y Klf4. De las células tratadas con retrovirus codificando dichos genes se seleccionaron aquellas que los expresaban con antibióticos y por la presencia del gen Fbx15(células Fbx15+) . Sin embargo estas células iPS tenían patrones de metilación del ADN distintos de los de las células ES y además no producían ratones quiméricos viables.
Segunda generación en ratones En 2007, el mismo grupo publicó un trabajo junto con otros grupos de investigación independients de Harvard, MIT, y la Universidad de California, que demostraba que se podían obtener células iPS a partir de fibroblastos de ratón con capacidad de formar quimeras viables utilizando el gen Nanog en vez del Fbx15. Los patrones de metilación de DNA y la producción de ratones quiméricos viables indicaron que Nanog es un determinante importante de la pluripotencia celular (Maherali, et al. 2007, Okita, et al. 2007, Takahashi &Yamanaka, 2006, Wernig, et al. 2007). Desafortunadamente, debido a que uno de los cuatro genes utilizados (c-Myc) es oncogénico, el 20% de los ratones quiméricos desarrolló cáncer. En un estudio posterior, se demostró que se pueden mantener células iPS sin c-Myc que no desarrollen cáncer, pero el procedimento es menos eficiente (Nakagawa, et al. 2008).
Producción de células iPS humanas En 2007, también se publicó el avance más importante, ya que se habían podido generar células iPS humanas a partir de células humanas adultas. Los resultados se obtuvieron por dos equipos de investigación independientes. Uno dirigido por Yamanaka en Japón transformó fibroblastos humanos en células iPS utilizando los genes: Oct3/4, Sox2, Klf4, y c-Myc vehiculizados en retrovirus (Takahashi, et al. 2007), mientras otro por Thomson en USA usó los genes Oct4, Sox2, Nanog, y LIN28 vehiculizados en lentivirus (Yu, et al. 2007).
Problemas de los primeros métodos de reprogramación celular Aunque los primeros métodos utilizando genes codificadores de factores de transcripción demostraron que las células adultas diferenciadas se pueden reprogramar a células iPS, todavía existen problemas importantes, tales como i) eficiencia, ii) mutagénesis insercional, iii) tumores y iv) reprogramación incompleta.
Eficiencia: es un problema que afecta al proceso de obtención de células iPS. La eficiencia o porcentaje de obtención de células reprogramadas es todavía muy bajo. Por ejemplo, el porcentaje de reprogramación en el estudio en ratones de Yamanaka fue solo del 0.1-1% (Takahashi &Yamanaka, 2006). Este porcentaje tan bajo puede deberse a la necesidad de que coincidan distintos niveles de expresión de varios de los genes exógenos transfectados. También podría ser debido a la necesidad de cambios genéticos o epigenéticos en la población de células diana tal y como sugiere la necesidad de tiempos largos de cultivo. La optimización de la reprogramación sigue siendo objeto de estudios actuales (Chen, et al. 2011, Dick, et al. 2011) y constantemente se producen nuevos avances. Por ejemplo, para obtener una máxima eficiencia, en los primeros métodos descritos se necesitaba crecer las células iPS sobre una capa de células alimentadoras que aunque inactivadas suponían una posible fuente de contaminación. Nuevos métodos , han conseguido hacer crecer células iPS en ausencia de dichas capas en buenas condiciones (Chung, et al. 2011) y durante tiempos largos (Nemati, et al. 2011) .
Mutagénesis insercional: es un problema que afecta a las posibles aplicaciones en medicina regenerativa. La inserción de los genes exógenos codificantes de los factores de transcripción en el genoma de la célula diana limita su utilidad debido al riesgo de mutagénesis insercional en el genoma de las células diana (Selvaraj, et al. 2010). Las mutaciones introducidas pueden ser deletéreas o inducir tumores. Una estrategia para evitar la mutagénesis insercional es el uso de vectores alternativos. Para ello se han explorado plásmidos , adenovirus, y transposones, que aunque reducen las posibilidades de mutagénesis insercional, tienen una eficiencia de reprogramación menor (Okita, et al. 2008, Stadtfeld, et al. 2008, Woltjen, et al. 2009). Otras estrategias que emplean proteínas o ARN también tienen una eficiencia menor. Por último, el empleo de moléculas de bajo peso molecular que simulan el efecto de los factores de transcripción parece hoy por hoy la alternativa más esperanzadora.
Tumores: es un problema que afecta a las posibles aplicaciones en medicina regenerativa. Algunos de los genes reprogramadores son oncogenes, lo que aumenta la probabilidad de inducción de tumores. Aunque se pudo eliminar el c-Myc después de generar células iPS para eliminar la formaciónde tumores (Nakagawa, et al. 2008), se necesita profundizar en estos estudios. Parece existir un equilibrio entre la eficiencia de reprogramación y la formación de tumores, ya que la inactivación o eliminación del gen supresor de tumores p53, aumenta la eficiencia de reprogramación (Marion, et al. 2009).
Reprogramación incompleta: es un problema que afecta a las posibles aplicaciones en medicina regenerativa. Para reprogramar completamente una célula diferenciada de un tipo celular a otro, el código epigenético causante de la diferenciación celular debe ser "reformateado", lo que no siempre se consigue al 100% dependiendo de cada tipo de célula diana (Kim, et al. 2011). A pesar de estos inconvenientes, tres equipos independientes fueron capaces de generar células iPS que dieron origen a ratones derivados enteramente de células iPS inyectándolos a blastocistos tetraploides (Zhao, et al. 2009). Sin embargo, estudios de los perfiles de transcripción han demostrado que dicha equivalencia no siempre es completa (Li, et al. 2011, Narsinh, et al. 2011).
Métodos alternativos de reprogramación celular