Papel de la señalización mecánica en la autorrenovación y diferenciación de las células madre.

El año pasado utilizamos la financiación del CIRM para descubrir cómo las propiedades físicas del entorno de una célula madre afectan su crecimiento, proliferación y capacidad para convertirse en otros tipos de células. Investigaciones anteriores muestran que las células madre cultivadas en superficies blandas se convierten en células grasas, mientras que las células madre cultivadas en superficies duras se convierten en células musculares u óseas. Actualmente no sabemos cómo las células madre perciben la rigidez de su entorno. Creamos una proteína que cambia de color cuando se estira y utilizamos esta proteína para medir las fuerzas dentro de las células madre vivas por primera vez. Estamos utilizando esta proteína para descubrir cómo las células madre detectan fuerzas mecánicas, tanto del tejido circundante como de las células vecinas. Comprender esta pregunta científica ayudará a los científicos a cultivar grandes cantidades de células madre, un obstáculo crítico en la medicina regenerativa. Además, ayudará a los ingenieros de tejidos a comprender cómo construir tejidos y órganos para reemplazar los dañados por enfermedades o lesiones. Agradecemos a los ciudadanos de California por su apoyo y esperamos emocionantes descubrimientos el próximo año.

El año pasado se produjo un excelente progreso en todos nuestros objetivos específicos. En concreto: i) Hemos realizado las primeras, hasta donde sabemos, mediciones cuantitativas de la transmisión de fuerza mecánica intercelular entre células madre embrionarias humanas (hESC). Esta poderosa tecnología tiene la capacidad de transformar nuestra comprensión de los fundamentos moleculares y físicos de la morfogénesis de tejidos y órganos. ii) Identificamos probables proteínas que controlan la proliferación de células madre y el mantenimiento de la pluripotencia. Utilizamos una estrategia proteómica de alto rendimiento para identificar proteínas que probablemente regulen la localización y actividad de factores de transcripción que regulan la proliferación celular específicamente en hESC. Este experimento reveló actores nuevos y previamente conocidos en esta compleja red de señalización. Curiosamente, las proteínas recientemente identificadas sugieren la presencia de vías de señalización activadas mecánicamente no investigadas en las hESC. iii) Creamos sustratos de rigidez ajustables para el cultivo de hESC con una composición molecular completamente definida. Esta herramienta es necesaria para recrear el entorno físico del embrión temprano y se espera que sea fundamental para descubrir las vías moleculares que subyacen a la diferenciación de hESC dirigida mecánicamente. iv) Descubrimos que los niveles de expresión y la conformación de una proteína específica que regula la adhesión célula-célula influyen en la morfología y la adhesividad de las colonias de hESC. Una investigación separada, no financiada por CIRM, en el laboratorio de Dunn mostró que esta misma proteína es probablemente un mecanosensor maestro en las uniones entre células (Buckley et al. Science 2014). En conjunto, estos datos sugieren un mecanismo molecular subyacente que puede dirigir la formación y la forma de los tejidos vivos.

El año pasado desarrollamos una nueva plataforma de cultivo celular que será útil para cultivar células madre pluripotentes. A estas células les gusta vivir en entornos blandos como los que se encuentran dentro del cuerpo humano, y no les gustan las superficies de plástico duro, en las que normalmente se cultivan en el laboratorio. Encontramos una manera de fabricar materiales que reproduzcan las características esenciales del entorno natural de las células madre pluripotentes, de una manera fácil de hacer y rentable. Esperamos que este avance sea útil para los muchos investigadores que intentan cultivar células y órganos de reemplazo para tratar enfermedades como la insuficiencia hepática y la diabetes. Además, estamos trabajando para descubrir cómo las células pluripotentes saben cómo crecer y cuándo dejar de crecer. Sorprendentemente, nadie sabe la respuesta a esta pregunta. Sin embargo, es importante, ya que necesitamos que las células crezcan rápidamente si queremos desarrollar órganos de reemplazo en el laboratorio, pero que dejen de crecer una vez que el órgano alcance el tamaño correcto. Hemos logrado buenos avances en la respuesta a esta pregunta durante el año pasado y esperamos informar nuestros hallazgos en esta área en 2016.

El año pasado publicamos un artículo que describe un método mejorado para cultivar células madre pluripotentes. Este avance es útil porque las células pluripotentes son el material de partida para crear muchos tipos diferentes de células humanas tanto para aplicaciones clínicas como para investigación médica. Además, hemos descubierto un medio potencial mediante el cual las células madre pluripotentes detectan estímulos físicos de su entorno, como la rigidez del sustrato y el hacinamiento de sus vecinos. Esta información es importante porque mejora nuestra comprensión de cómo las células cooperan para formar tejidos y órganos complejos, algo que ocurre naturalmente durante el desarrollo embrionario, pero que a los científicos les ha costado comprender y recrear en el laboratorio.