Las células madre echan raíces

Aparna es una escritora científica independiente que cursa un doctorado en bioinformática y genómica en la Universidad de Harvard. Utiliza su formación multidisciplinar para encontrar tanto la ciencia de vanguardia como el ser humano...

Al ingerir bocadillos azucarados y ácidos corrosivos, los dientes pueden sufrir mucho daño. En particular, cuando las astutas bacterias atraviesan la capa protectora exterior del diente, pueden penetrar la pulpa dental que vive en su núcleo. Estos residentes no deseados desencadenan inflamación, que para nosotros es más reconocible como dolor punzante e hinchazón.

Pero los dientes no están indefensos. Pueden combatir infecciones menores y reparar algunos daños. "La pulpa dental tiene la capacidad de repararse y regenerarse a sí misma, pero es muy limitada", dijo Sriram Ravindran, bioingeniero de la Universidad de Illinois en Chicago. "No son células todopoderosas".

Esta capacidad de regeneración proviene de células madre enterradas en la pulpa dental. Estas células pueden convertirse en muchos de los diferentes tipos de células necesarios para una pulpa dental sana, pero no siempre tienen suficiente jugo por sí solas para restaurar el tejido dañado por una infección u otra lesión. Cuando la infección progresa demasiado, se requiere intervención dental. Esto podría implicar un procedimiento como un tratamiento de conducto para eliminar las bacterias y empastar el diente, o una extracción dental.

“[Con un tratamiento de conducto] se elimina el tejido blando de la pulpa dental y se reemplaza con material inorgánico”, dijo Ana Angelova Volponi, dentista y bióloga regenerativa del King's College de Londres. "Pero en ese momento, el diente pierde cualquier tipo de vitalidad".

En lugar de extraer dientes o rellenarlos con polímeros, los científicos están buscando formas de canalizar el poder regenerativo de los dientes hacia una solución biológica para la pérdida de dientes. Con la ayuda de cócteles de moléculas biológicas, estructuras cuidadosamente diseñadas y sistemas de administración de inspiración biológica, esperan ampliar el conjunto de herramientas del médico para reparar no sólo los dientes, sino también otras partes del cuerpo que se están degenerando.

Las células madre no se encuentran sólo en la pulpa dental; también se encuentran en las encías, en el hueso alveolar que ancla los dientes e incluso en las finas fibras que mantienen el diente en una posición segura en el hueso. Las células madre de diferentes partes de la boca pueden tener propiedades ligeramente diferentes: algunas pueden dividirse más rápidamente, mientras que otras tienen más probabilidades de regenerar ciertos tejidos (1).

A primera vista, las células madre dentales parecen notablemente similares a las células madre extraídas de la médula ósea. Se clasifican en gran medida como células madre mesenquimales y, aunque no pueden regenerar todos los tipos de células, todavía tienen muchos caminos posibles.

"El entorno extracelular en el que residen las células madre determina lo que les sucede a esas células", dijo Ravindran. Dentro del diente, están en camino de convertirse en diversas células de la pulpa dental. Pero la combinación correcta de moléculas y señales genéticas puede cambiar este camino, convirtiéndolos en cualquier cosa, desde hueso hasta grasa.

Una forma en que los científicos imaginan reparar un diente dañado es mediante la introducción de células madre en el diente y dándoles las señales correctas para regenerar las células dañadas. La parte complicada es saber exactamente qué factores conducirán a este resultado; después de todo, hacer crecer una masa de grasa en la cavidad de un diente no sería útil.

Angelova Volponi midió los niveles de expresión de diferentes genes cuando las células madre se desarrollan normalmente dentro del diente o cuando son golpeadas con moléculas de señalización del desarrollo en entornos de laboratorio artificiales. Este enfoque podría identificar moléculas clave que hacen que una célula madre se convierta, por ejemplo, en una célula que produce dentina, una de las capas externas duras del diente. También está pensando en cómo diseñar genéticamente células madre para mejorar sus capacidades de curación de heridas.

Ravindran, por otra parte, ha adoptado un enfoque de “caja negra”. Se centra en los exosomas, pequeños paquetes de ARN y moléculas de proteínas liberadas por las células y absorbidas por otras células. "Estos son lo que se podría llamar carteros para la comunicación de célula a célula", dijo Ravindran. Los exosomas de determinadas células (células óseas, por ejemplo) pueden indicar a las células madre que se conviertan en el mismo tipo de células. Con esta estrategia, Ravindran no tiene que determinar manualmente cada factor involucrado en la diferenciación; convenientemente, las células ya los han empaquetado en exosomas.

En su investigación, Ravindran ha demostrado que puede cultivar células en el laboratorio con las propiedades deseadas para producir dentina, un elemento clave para la regeneración dental (2). Cuando él y su equipo recolectan exosomas de estas células, las incrustan en una membrana de colágeno y las agregan a los conductos radiculares de los dientes dañados, los exosomas estimulan la regeneración de la pulpa dental.

Ravindran cree que este método podría ayudar a los investigadores a desarrollar mejores tratamientos para las caries que las cirugías de conducto. En lugar de simplemente eliminar la infección, imagina agregar un armazón moldeable o un polímero inyectable cargado con exosomas de células madre. "Los exosomas pueden tener la propiedad de reducir la inflamación, ayudar a las células a sobrevivir y también mantener la vitalidad de los dientes", dijo.

Para entregar una gran cantidad de exosomas, células madre u otras moléculas para estimular el crecimiento de los dientes se requieren materiales sofisticados. El material no sólo tiene que apuntar a un lugar específico, sino que también debe controlar la liberación de sustancias.

Estos materiales pueden estar hechos de una amplia gama de polímeros naturales y sintéticos (3). Ravindran y su equipo, por ejemplo, están probando hidrogeles elaborados a partir del polímero alginato, derivado de algas, en combinación con membranas de colágeno. Atan los exosomas a la membrana y, cuando colocan la membrana sobre el diente dañado, los exosomas se hunden en el diente de forma natural o se desprenden químicamente de la membrana.

Otros grupos han desarrollado andamios impresos en 3D diseñados para adaptarse a la forma del área dañada (4). Un equipo de científicos de la Universidad de Columbia fabricó andamios con forma de dientes humanos y de rata a partir de polímeros biodegradables. Los andamios tenían pequeños canales para administrar moléculas que dirigirían las células madre hacia tipos de células que sustentan los huesos y los dientes. Después de nueve semanas de implantación en una rata, las células deseadas comenzaron a formarse en la base del andamio.

Angelova Volponi imagina un futuro en el que este enfoque podría volverse altamente personalizado según el daño de un individuo. “Tiene un defecto óseo que se puede escanear con una tomografía computarizada y luego se utilizará para producir un andamio personalizado impreso en 3D, que realmente se adapta al defecto que tiene”, dijo. Si todavía quedan células viables en el sitio dañado, este andamio puede contener moléculas que puedan dirigir las células madre existentes hacia la curación y regeneración de heridas; pero si el daño es severo, el andamio podría cargarse con células madre para iniciar el proceso.

El objetivo final de muchos dentistas regenerativos es hacer crecer un diente humano completo para implantarlo. Sin embargo, esa posibilidad aún está muy lejos, afirmó Ravindran.

Los dientes son órganos complejos, con muchos componentes diferentes que componen incluso el incisivo más pequeño: pulpa dental, esmalte, dentina y más. Durante el desarrollo humano, las células madre mesenquimales interactúan con otro tipo de células para generar las capas internas y externas de un diente; Este proceso aún no se comprende bien y replicarlo artificialmente no es una tarea fácil.

Otra gran pregunta es cómo hacer que diferentes dientes luzcan diferentes. ¿Qué hace que los dientes frontales sean planos mientras que los molares parecen muñones? "En este momento, no sabemos mucho sobre por qué diferentes dientes tienen diferente número de raíces o una determinada forma", dijo Ravindran. Para comprender mejor esto, Angelova Volponi dijo que es importante estudiar los patrones de expresión genética que impulsan la formación de diversas formas de dientes.

La idea de construir un diente completo a partir de células madre fue lo que originalmente hizo que Angelova Volponi se interesara por la odontología regenerativa. Durante los 15 años que ha pasado en este campo, ha visto cómo la tecnología ha mejorado drásticamente. En un proyecto que ella dirigió, combinó células mesenquimales similares a células madre de molares de ratón con células de encías de un ser humano y desarrolló una estructura similar a un diente, con raíces y todo (5).

“Esa emoción de ver el germen de un diente en un plato, después de haber combinado una masa de células y haber logrado que se convierta en un diente completo”, recordó. "Todavía aprecio ese momento y todavía me emociona mucho cada vez que vemos que eso sucede en un plato".

Pero estos dientes creados en laboratorio aún están lejos de estar listos para los pacientes humanos. Un desafío que sigue desconcertando a los científicos es cómo lograr que los dientes crezcan más rápido. Los dientes todavía parecen seguir sus relojes biológicos normales, dijo Angelova Volponi, por lo que crecen demasiado lentamente para que sean utilizables en la clínica.

Mientras que algunas personas pueden considerar la extracción de un diente como una tortura, Angelova Volponi la ve como una expedición en busca de oro.

"En cada extracción de un diente, potencialmente se obtiene un tejido que se puede utilizar para derivar células con propiedades de células madre muy cerca de la médula ósea... que normalmente se descarta", dijo Angelova Volponi. Dada la dificultad de acceder a las células madre para la medicina regenerativa, los científicos están encontrando formas de utilizar esta valiosa fuente de regeneración incluso en órganos alejados de la boca.

En cada extracción de un diente, potencialmente se tiene un tejido que puede usarse para derivar células con propiedades de células madre muy cerca de la médula ósea... que generalmente se descarta.- Ana Angelova Volponi, King's College London

Extraer células madre de la médula ósea puede ser un proceso invasivo. Los dientes, por otro lado, son de tan fácil acceso que extraerlos es un procedimiento de rutina; los primeros dientes de leche incluso se caen solos.

"Son muy accesibles", dijo Angelova Volponi. "Eso los hace realmente atractivos como fuente para ser estudiados y potencialmente trasladados a la clínica".

Los investigadores ya han utilizado células madre derivadas de dientes para regenerar todo, desde las células beta pancreáticas productoras de insulina hasta las células musculares de la vejiga (6). En un estudio, los científicos elaboraron cuidadosamente un cóctel de moléculas que hicieron que las células madre de la pulpa dental se transformaran en células similares a las de la córnea (7). Estas nuevas células se empaquetaron en la estructura tridimensional de la córnea cuando se cultivaron sobre un lecho de nanofibras. Incluso se comportaron como células corneales cuando se inyectaron en los ojos de ratas, lo que sugiere que estas células derivadas de los dientes podrían ser útiles para desarrollar terapias oculares.

Aprovechar el poder regenerativo de la biología humana ya es un área de investigación activa para órganos fuera de la boca. Ahora, dijo Angelova Volponi, la odontología necesita ponerse al día.

"Es un cambio en la forma en que vemos los tratamientos futuros", dijo. "Se basarán en la reparación y regeneración biológica, en lugar de reemplazar los tejidos con materiales inorgánicos".

Aparna es una escritora científica independiente que cursa un doctorado en bioinformática y genómica en la Universidad de Harvard. Utiliza su formación multidisciplinar para encontrar tanto la ciencia de vanguardia como el ser humano...

Edición de junio de 2023