Metabolismo energético y vías de envejecimiento en la reprogramación y diferenciación de células madre humanas.

Estamos interesados ​​en el papel del metabolismo energético y el envejecimiento en la reprogramación y diferenciación de las células madre humanas. El año pasado, reprogramamos con éxito células de donantes humanos jóvenes y viejos. Hemos examinado los perfiles metabólicos de células de donantes jóvenes y viejos utilizando enfoques de rendimiento ultraalto. Sorprendentemente, observamos diferencias en el metabolismo de las células viejas en comparación con las células jóvenes, específicamente en el metabolismo de las proteínas. Observamos diferencias metabólicas similares entre las células de donantes jóvenes y viejos en ratones, lo que sugiere un fenómeno conservado. Curiosamente, hubo una mayor variabilidad en la capacidad de las células de donantes viejos para reprogramarse eficientemente: algunas células viejas se reprogramaron tan bien o incluso mejor que las células jóvenes, pero algunas también se reprogramaron peor, por lo que el rango fue mucho más variable. Actualmente estamos investigando las bases moleculares de esta interesante diferencia en la variabilidad de la reprogramación a medida que los individuos envejecen. El año pasado, también comenzamos a examinar el papel de un "indicador de combustible" central en las células, la proteína quinasa sensora de energía llamada AMPK. Hemos generado herramientas sofisticadas para investigar el papel de AMPK en la reprogramación de células humanas en células madre pluripotentes inducidas y en la diferenciación de estas células madre pluripotentes inducidas en tipos de células específicos, específicamente neuronas y cardiomiocitos. También hemos identificado nuevos sustratos de AMPK que podrían ser particularmente importantes para transmitir la acción de este indicador central de combustible para la función de las células madre. Durante el próximo año, planeamos investigar la interacción entre la edad y el metabolismo para la función y calidad de las células madre generadas a partir de donantes de edades jóvenes y mayores.

El año pasado, examinamos la importancia de las vías metabólicas en las células madre pluripotentes inducidas por humanos. Primero nos centramos en un indicador de energía, la proteína quinasa sensora de energía llamada proteína quinasa dependiente de AMP (AMPK). Descubrimos que esta proteína sensora de energía se expresa en células madre humanas y que se activa ante la privación de nutrientes. También pudimos modelar mutaciones humanas en esta vía en estas células madre. Finalmente, pudimos identificar nuevos sustratos de AMPK en células humanas y verificar que efectivamente eran el objetivo de AMPK en células madre humanas. En conjunto, estos datos indican que las vías de detección de energía son muy activas en las células madre humanas y podrían ser muy importantes para la generación, calidad y diferenciación de estas células en tipos celulares específicos, como las células cardíacas. Otra parte de nuestro programa es desarrollar una metodología novedosa para analizar de manera imparcial el metabolismo de las células madre humanas con el objetivo de mejorar su función y capacidad de diferenciarse en células cardíacas o neuronales. El año pasado, optimizamos nuevos enfoques que pueden detectar de manera muy sensible e imparcial diferentes tipos de metabolitos en las células, en particular metabolitos lipídicos. Dado que la baja energía conduce a la utilización de lípidos por las células, comprender el metabolismo de los lípidos será un paso clave para comprender la función y la calidad de las células madre. En conjunto, nuestro análisis debería brindar información sobre el metabolismo de las células madre, lo que podría mejorar su generación, calidad y capacidad para diferenciarse en células especializadas para la medicina regenerativa.

El objetivo de este proyecto era probar cómo el metabolismo afecta a las células madre pluripotentes inducidas (iPSC) humanas. Una proteína clave que detecta el metabolismo se llama proteína quinasa dependiente de AMP (AMPK): se la ha llamado el “medidor de energía” de las células. Durante los últimos años, demostramos que la AMPK, que detecta el metabolismo, se expresa altamente en las iPSC humanas y que se activa tras la privación de nutrientes. Hay seres humanos que albergan mutaciones en su gen AMPK, y estas mutaciones provocan enfermedades, en particular importantes disfunciones cerebrales y cardíacas. Utilizando ingeniería genómica, pudimos modelar estas mutaciones humanas en AMPK en iPSC humanas. Esto es importante porque permite modelar la “enfermedad en un plato” y determinar las causas celulares y moleculares de estos trastornos. Finalmente, pudimos encontrar nuevos sustratos de AMPK en células humanas (algunos de ellos también son sustratos en iPSC). En conjunto, nuestros resultados muestran que las vías metabólicas están altamente reguladas en las células madre humanas y podrían desempeñar un papel fundamental en la calidad y derivación de estas células en células cardíacas o neuronas. Nuestro otro objetivo era utilizar enfoques más globales e imparciales y una tecnología novedosa pionera para analizar el metabolismo de las células madre humanas con el objetivo de mejorar su generación y derivación en células cardíacas o neuronales. Ahora hemos optimizado una tecnología de vanguardia que puede identificar una serie de metabolitos lipídicos, lo que antes no era posible. Dado que la activación de AMPK (y la baja energía en general) conduce a la utilización de lípidos por las células, investigar el metabolismo de los lípidos es fundamental para mejorar la función y la calidad de las células madre. Nuestro trabajo debería proporcionar nuevos conocimientos sobre el metabolismo de las células madre y mejorar la generación y derivación de iPSC humanas en células especializadas para la medicina regenerativa personalizada.