Cultivan por primera vez en un cerdo un órgano humano para trasplante

Por vez primera, un equipo de investigadores ha logrado han cultivado un órgano sólido humanizado dentro de otra especie al fabricar con éxito embriones quiméricos que contienen una combinación de células humanas y porcinas. Cuando se transfirieron a madres sustitutas porcinas, los riñones humanizados en desarrollo contienen un 50-60 % de células humanas y presentaban una estructura y formación de túbulos normales al cabo de 28 días, fecha en la que se interrumpió la gestación.

Este avance largo tiempo buscado por equipos de investigadores de todo el mundo lo ha logrado un equipo del Instituto de Biomedicina y Salud de Guangzhou (China), entre los que se encuentra el investigador español Miguel A. Esteban, jefe del programa del Ministerio de Ciencia y Tecnología de China y experto extranjero de alto nivel.

A pesar de que estudios anteriores habían utilizado métodos similares para generar tejidos humanos como sangre o músculo esquelético en cerdos, es la primera que se logra cultivar un órgano sólido humanizando dentro de otra especie. El trabajo se publica en la revista «Cell Stem Cell».

Durante la última década, el equipo del investigador español Juan Carlos Izpisúa ha trabajado en esta línea. Sus investigaciones demostraron la posibilidad de hibridación entre dos especies aparentemente parecidas, pero genéticamente muy diferentes, como el ratón y la rata, consiguiendo que en esta se desarrollaran órganos de ratón, incluso la vesícula de la que las ratas carecen.

Siguiendo con esta línea, en 2017, en colaboración con la Universidad Católica de Murcia, Izpisúa publicó en Cell por primera vez la creación de embriones quiméricos humanos en animales de gran tamaño, en concreto cerdos. Implantados en hembras de esta especie, se les dejó crecer hasta las tres semanas ante la imposibilidad legal en España de seguir adelante. No se formó ningún órgano, pues el objetivo era tan solo demostrar que las células humanas se podían integrar en una especie alejada de la humana, dice a Science Media Centre Rafael Matesanz, fundador de la Organización Nacional de Trasplantes.

Ya entonces se señalaron varios problemas serios a la hora de continuar las investigaciones. Por una parte, la baja eficiencia de la técnica, ya que tan solo prendió poco más del 1 % de los embriones implantados, un porcentaje muy bajo para los fines pretendidos. Por otra, para desarrollar riñones u otros órganos humanizados en el interior de los cerdos es preciso que estos no desarrollen los suyos propios, para lo que se precisan manipulaciones específicas con supresión de los genes responsables.


Así se fabrica un riñón humano

en el interior de un cerdo

Fabricación de células iPSC

Estas células madres pluripotentes se generan a partir de cualquier parte del cuerpo humano y se reprograman usando genes maestros para convertirlas en células embrionarias. Estas células ya pueden formar cualquier órgano o tejido.

Desarrollo de embriones porcinos modificados

Se eliminan los dos genes que necesita el cerdo para formar sus propios riñones y se inyectan las células humanas para que ocupen ese nicho vacío y crezca en el embrión porcino el riñón humano.

Generación del riñón humano

Los embriones porcinos modificados para albergar el riñón humano se implantaron en cerdas para su gestación. El nuevo órgano creció hasta la etapa de mesonefro (segunda fase del desarrollo renal)

Así se fabrica

un riñón humano

en el interior de un cerdo

Fabricación de células iPSC

Estas células madres pluripotentes se generan a partir de cualquier parte del cuerpo humano y se reprograman usando genes maestros para convertirlas en células embrionarias. Estas células ya pueden formar cualquier órgano o tejido.

Desarrollo de embriones

porcinos modificados

Se eliminan los dos genes que necesita el cerdo para formar sus propios riñones y se inyectan las células humanas para que ocupen ese nicho vacío y crezca en el embrión porcino el riñón humano.

Generación del riñón humano

Los embriones porcinos modificados para albergar el riñón humano se implantaron en cerdas para su gestación. El nuevo órgano creció hasta la etapa de mesonefro (segunda fase del desarrollo renal)

Este nuevo estudio parece haber encontrado soluciones a muchos de estos obstáculos.

Integrar células madre humanas en embriones porcinos ha sido un reto porque las células porcinas superan a las humanas y las porcinas y humanas tienen necesidades fisiológicas distintas. «Hemos estado trabajando en mecanismos para superar la bajísima eficiencia de la quimera interespecies», explica el autor principal Guangjin Pan, de los Institutos de Biomedicina y Salud de Guangzhou. «Identificamos un par de factores críticos que potencian la formación de quimeras interespecíficas al facilitar la competencia celular».

«Nuestro método mejora la integración de células humanas en tejidos receptores y nos permite cultivar órganos humanos en cerdos», escribe. Hasta la fecha, señala Liangxue Lai, de los Institutos de Biomedicina y Salud de Guangzhou, Academia China de Ciencias y la Universidad de Wuyi, y autor principal del estudio.

¿Por qué los riñones?

Los científicos se centraron en los riñones porque son uno de los primeros órganos en desarrollarse y también el órgano más trasplantado en personas.

En primer lugar, los investigadores fabricaron un nicho dentro del embrión porcino para que las células humanas no tuvieran que competir con las porcinas mediante el uso de la tecnología de edición genética CRISPR para diseñar genéticamente un embrión porcino unicelular de modo que le faltaran dos genes necesarios para el desarrollo renal.

A continuación, modificaron células madre pluripotentes humanas -células que tienen el potencial de convertirse en cualquier tipo de célula- para hacerlas más susceptibles a la integración y menos a la autodestrucción mediante la desactivación temporal de la apoptosis. Posteriormente las convirtieron en células «naive», es decir, parecidas a las primeras células embrionarias humanas cultivándolas en un medio especial.

Por último, antes de implantar los embriones en desarrollo en las cerdas, los investigadores cultivaron las quimeras en condiciones optimizadas para proporcionar nutrientes y señales únicas tanto a las células humanas como a las porcinas, ya que estas células suelen tener necesidades dispares.

En total, los investigadores transfirieron 1.820 embriones a 13 madres de alquiler. A los 25 o 28 días, interrumpieron la gestación y extrajeron los embriones para evaluar si las quimeras habían logrado producir riñones humanizados.

En total, analizaron cinco embriones quiméricos (dos a los 25 días y tres a los 28 días de la implantación) y comprobaron que tenían riñones estructuralmente normales para su fase de desarrollo y estaban compuestos por un 50-60% de células humanas.

A los 25-28 días, los riñones estaban en la fase de mesonefros (la segunda fase del desarrollo renal); habían formado túbulos y brotes de células que acabarían convirtiéndose en uréteres que conectan el riñón con la vejiga.

Matesanz advierte que la creación de híbridos humano-animal, a partir de cierto estadio, choca con severos problemas éticos y legales en la mayoría de los países. Así, en 2019 estos mismos autores publicaron en «Nature» la fabricación de embriones híbridos de humano y mono, pero trasladando la investigación a China (ni en USA ni en España habría sido posible) y deteniendo el experimento en la semana 14 por ser el momento en que comienza el desarrollo del sistema nervioso central, con el riesgo que ello implica.

En este nuevo trabajo se investigó si había células humanas en otros tejidos de los embriones, lo que podría tener implicaciones éticas, sobre todo si se encontraban abundantes células humanas en tejidos neurales o de la línea germinal y los cerdos llegaban a término. Los datos demostraron que las células humanas se localizaban sobre todo en los riñones, mientras que el resto del embrión estaba compuesto por células porcinas.

Imagen - El objetivo a largo plazo es optimizar esta tecnología para el trasplante de órganos humanos, pero reconocen que el trabajo será complejo y podría llevar muchos años

El objetivo a largo plazo es optimizar esta tecnología para el trasplante de órganos humanos, pero reconocen que el trabajo será complejo y podría llevar muchos años

«Descubrimos que si se crea un nicho en el embrión porcino, las células humanas se dirigen de forma natural a estos espacios», explica el autor principal, Zhen Dai. Había, añade «muy pocas células neuronales humanas en el cerebro y la médula espinal y ninguna célula humana en la cresta genital, lo que indica que las células madre pluripotentes humanas no se diferenciaron en células germinales».

Los investigadores afirman que esto podría evitarse eliminando otros genes de las células madre pluripotentes humanas, lo que podría comprobarse en futuros estudios.

Ahora que han optimizado las condiciones para cultivar riñones humanizados en quimeras humano-cerdo, el equipo quiere observar lo que ocurre si los riñones se desarrollan durante más tiempo.

Además, están trabajando para generar otros órganos humanos en cerdos, como el corazón y el páncreas.

El objetivo a largo plazo es optimizar esta tecnología para el trasplante de órganos humanos, pero reconocen que el trabajo será complejo y podría llevar muchos años.

Cultivar un órgano humanizado plenamente funcional en un cerdo requeriría algunos pasos adicionales porque los órganos se componen de múltiples tipos de células y tejidos. En este estudio, los investigadores crearon un nicho sólo para un subconjunto de células, lo que significa que los riñones tenían células vasculares derivadas de cerdos, y esto podría provocar el rechazo del órgano si se utilizaran en un escenario de trasplante.

«Como los órganos no están compuestos por un solo linaje celular, para tener un órgano en el que todo proceda del humano, probablemente tendríamos que diseñar los cerdos de una forma mucho más compleja y eso también conlleva algunos retos adicionales», afirma Miguel A. Esteban.

«Antes de que lleguemos a ese estado tardío de fabricar órganos que puedan estar en la estantería para la práctica clínica, este método proporciona una ventana para estudiar el desarrollo humano -explica Esteban-. Puedes rastrear las células humanas que estás inyectando y manipularlas para poder estudiar enfermedades y cómo se forman los linajes celulares».

Para Matesanz, a pesar de que los propios autores reconocen que para el uso clínico de esta tecnología faltan años, «se trata de un logro muy importante en el camino de lograr una producción ilimitada de órganos para trasplante».