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GENERACIÓN DE CÉLULAS MADRE DE PLURIPOTENCIA INDUCIDA A PARTIR DE PACIENTES CON ENFERMEDADES GENÉTICAS CON AFECTACIÓN RENAL: CORRECCIÓN Y MODELADO DE ENFERMEDADES RENALES IN VITRO Bernd Kuebler Center of Regenerative Medicine in Barcelona (CMR[B]) Luis Fernando Quintana Fundación Privada Clínic per a la Recerca Biomèdica (FCRB)

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GENERACIÓN DE CÉLULAS MADRE DE PLURIPOTENCIA

INDUCIDA A PARTIR DE PACIENTES CON ENFERMEDADES

GENÉTICAS CON AFECTACIÓN RENAL: CORRECCIÓN Y

MODELADO DE ENFERMEDADES RENALES IN VITRO

Bernd Kuebler

Center of Regenerative Medicine in Barcelona (CMR[B])

Luis Fernando Quintana

Fundación Privada Clínic per a la Recerca Biomèdica (FCRB)

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1. Resumen del proyecto

Existen intereses sociales y científicos importantes en el campo de las enfermedades

genéticas degenerativas renales: en primer lugar, la generación de un modelo de la

enfermedad in vitro para entender los mecanismos moleculares relacionados con la

misma, y en segundo lugar, la identificación de dianas terapéuticas para el tratamiento

de los pacientes.

Son diferentes enfermedades sistémicas heredadas las que se asocian a una lesión

glomerular de origen inmunológico o metabólico. Entre ellas encontramos las

amiloidosis hereditarias (AH) y el síndrome de Alport (SA). En el caso de las

amiloidosis se trata de enfermedades de transmisión genética que dan lugar a

la producción de proteínas mal plegadas que se organizan como fibrillas de amiloide y

se acumulan en diversos órganos. Dicho acúmulo conlleva el desarrollo de

polineuropatía, disfunción autonómica, insuficiencia renal y cardíaca o desórdenes

gastrointestinales. Su presentación clínica es muy variada, lo que puede dar lugar a

problemas diagnósticos. En el caso del SA, se trata de una enfermedad hereditaria que

afecta a las membranas basales, causada por alteraciones en una de sus proteínas

estructurales: el colágeno tipo IV. La SA se transmite mediante dos patrones de

herencia distintos: la herencia ligada al cromosoma X y la herencia autosómica

recesiva. Los pacientes con SA desarrollan hematuria, proteinuria e insuficiencia renal

progresiva.

En los últimos años se han propuesto diferentes estrategias terapéuticas para evitar la

progresión a enfermedad renal terminal en dichas enfermedades. En este proyecto

proponíamos que la generación de iPSC de pacientes con AH y SA nos permitiría

caracterizar mejor la fisiopatología de estas enfermedades in vitro y establecer

medidas para corregir estos trastornos moleculares. Por ello los objetivos principales

de este proyecto consistieron en: a) el desarrollo de iPSC de pacientes con AH y SA a

partir de células madre mesenquimales procedentes de su propio tejido adiposo (AD-

MSC); b) el desarrollo de un protocolo in vitro de células epiteliales-like a partir de

iPSC que en un futuro pudieran inducir regeneración celular al ser trasplantadas y, por

último, c) establecer modelos in vitro de enfermedades renales que sirvieran para

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generan nuevas dianas terapéuticas y evaluar la respuesta al tratamiento de fármacos

y otros productos con potencial terapéutico.

Desde hace más de 15 años, el Servicio de Nefrología y Trasplante Renal del Hospital

Clínic de Barcelona cuenta con una línea específica de estudio en amiloidosis, en

especial de riñón, pero también en otras formas hereditarias de amiloidosis. Así, el

Servicio es miembro activo de la unidad funcional y multidisciplinar de amiloidosis del

HCB y está participando en varios ensayos clínicos fase II y III, convirtiéndose en un

centro de referencia tanto para los pacientes con estas enfermedades renales raras

como para el sistema sanitario catalán y español. En este contexto, el grupo de

investigación liderado por el Dr. Luis F. Quintana participó en el reclutamiento de una

cohorte de pacientes seleccionados de la base de datos del Hospital Clínic que habían

desarrollado polineuropatía amiloidótica familiar (FAP, una de las amiloidosis

hereditarias) y SA.

El Centre de Medicina Regenerativa de Barcelona fue fundado en 2004. Es un centro de

referencia de reprogramación y regeneración de tejidos y órganos. Estamos

reprogramando gran cantidad de células somáticas como por ejemplo fibroblastos

derivados de piel, células aisladas de la sangre o de orina, queratinocitos extraídos de

piel humana y pelo utilizando las técnicas de reprogramación de última generación con

infecciones víricas, con Lenti-, Retro- y Sendai virus, transfección de mRNA o

nucleoinfección de plásmidos episomales.

2. Resultados

Para el desarrollo de iPSC de pacientes, el grupo liderado por el Dr. Luis F. Quintana

conjuntamente con el Dr. Josep M. Campistol generó una lista de pacientes portadores

de las mutaciones Val30Met, Lys89 TTR y ApoIII que desarrollaron FAP y de portadores

de la mutación COL4A5 que desarrollaron SA. Estos pacientes se obtuvieron de la base

de datos del Hospital Clínic. El proyecto se completó con una lista de pacientes

controles.

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Pacientes con FAP:

- Mutación Val30Met: 3 familias, en total 7 pacientes.

- Mutación Lys89: 1 familia, en total 3 pacientes.

- Mutación Apo AIII: 1 familia, en total 3 pacientes.

Pacientes con SA:

- COL4A5: 1 familia, en total 8 pacientes.

Controles:

- 21 controles sanos.

A partir de la extracción del tejido adiposo subcutáneo de dichos pacientes, se llevó a

cabo el aislamiento de AD-MSC y su caracterización tanto por citometría de flujo como

por su diferenciación multilinaje.

Las AD-MSC derivadas de pacientes con FAP fueron enviadas al CMRB para su

reprogramación con la metodología feeder-free no integrativa. Células derivadas de

pacientes con SA fueron reclutadas por la Dra. Roser Torra de la Fundació Puigvert y

reprogramadas de la misma forma.

Células madre pluripotentes inducidas (iPSC) procedentes de pacientes con FAP y SA,

fueron generadas con nucleoinfección con plásmidos no-integrativos episomales.

Se han generado líneas de iPSC de 9 pacientes con FAP y 3 con SA, se han expandido,

caracterizado parcialmente y congelado distintos clones de cada paciente. Se han

caracterizado totalmente, expandido, congelado viales y “banqueado” un clon de cada

uno de los 3 pacientes con FAP y de los 3 pacientes de SA. Las líneas procedentes de

los pacientes con SA se han registrado en el Banco Nacional de Líneas Celulares

(ESi054_A, ESi054_A, ESi056_A) y están en preparación para la publicación en la

revista Stem Cell Research.

Los clones de líneas de iPSC obtenidos a partir de muestras de distintos pacientes con

FAP se han diferenciado a hepatocitos mediante un protocolo que incluye, entre otros,

Activin A, BMP4, HGF e incubaciones en diferentes concentraciones de oxigeno: (4%O2

o 20%O2). La expresión de marcadores hepáticos se evidenció mediante

inmunocitoquímica y qPCR con primeros específicos contra marcadores hepáticos,

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indicando regulación de diferenciación hepática tardía de los marcadores AFP, AFP7B,

SOX17, TDO, CXCR4, HNF4 y FOXA2.

En paralelo, se estableció un protocolo de diferenciación de iPSC en células renales

epiteliales.

Se ha realizado inmunocitoquímica con anticuerpos contra colágeno IV (col IV) para

analizar si se pueden detectar las diferencias morfológicas entre colágeno mutado e

intacto en fibroblastos de paciente con SA y de donantes sanos. Mediante la

inmunocitoquímica no se han detectado diferencias importantes entre el colágeno IV de

donantes y de pacientes, indicando que no se pueden mostrar estos cambios

morfológicos por inmunocitoquímica.

Otro punto a desarrollar a lo largo del proyecto era la caracterización de nuevos

marcadores de células progenitoras renales. Para ello nuestro grupo llevó a cabo el

aislamiento tanto de un conjunto de todas las células del riñón como de las diferentes

fracciones con sus diferentes tipos celulares. Mediante separación celular por citometría

de flujo se aislaron células positivas para marcadores de célula progenitora como CD24

y CD133. Posteriormente se enviaron al CRMB para la determinación de nuevos

marcadores mediante microarrays.

Durante el desarrollo del proyecto, la Dra. María José Ramírez, integrante del grupo del

Dr. Quintana, propuso determinar el efecto renoprotector de las microvesículas (MV)

derivadas de las células progenitoras renales (CD24+/CD133+) para su aplicación en

un modelo in vivo de daño renal agudo (daño mediante glicerol) y un daño renal

crónico (nefrectomía 5/6). Se llevó a cabo la puesta a punto tanto del aislamiento de

las MV como la caracterización de los modelos murinos de daño agudo y crónico.

Durante el desarrollo de dichos modelos observamos que era necesario partir de gran

cantidad de células progenitoras para aplicar dicha terapia con MV y se nos planteó el

inconveniente que durante la expansión del cultivo celular los marcadores progenitores

se perdían progresivamente, con lo cual al final fue imposible aplicar esta terapia en los

modelos in vivo.

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A fin de superar estas dificultades, el Dr. Quintana y la Dra. Ramírez pensaron que

sería útil, a nivel clínico, determinar mediante inmunohistoquímica la presencia de

marcadores progenitores en las biopsias renales de los pacientes con amiloidosis. El

objetivo de dicho estudio sería establecer nuevos marcadores predictivos de la

evolución del desarrollo de la insuficiencia renal crónica. Así, el Dr. Quintana y la Dra.

Adriana García (nefropatóloga) llevaron a cabo la selección de 37 casos clínicos de

pacientes con amiloidosis renal que presentaban biopsias renales incluidas en parafina

y posteriormente se puso a punto la inmunohistoquímica de los diferentes marcadores

en el Departamento de Anatomía Patológica del Hospital Clínic. En estos momentos, la

evaluación de las biopsias está siendo llevada a cabo por el Dr. Manel Solé Arqués que

cuenta con una gran experiencia en la evaluación de biopsias de pacientes con

amiloidosis.

No se pudo realizar este análisis en biopsias de pacientes con SA, debido a que la

mayoría de los pacientes son diagnosticados cuando ya están en un estadio muy

avanzado de la enfermedad renal.

3. Relevancia y posibles aplicaciones

Las amiloidosis son un grupo de enfermedades raras que tienen su origen en el

depósito extracelular de amiloide, un material fibrilar que deriva de varios precursores

proteicos y que se agrega debido a una anormal conformación de la hoja β. El acúmulo

de amiloide ocurre como consecuencia de una proteína mutada en el caso de

amiloidosis hereditarias.

En la actualidad varias terapias con potencial están desarrollándose para algunas

formas de amiloidosis, como la generación de iPSC a partir de la reprogramación de

células somáticas de pacientes.

La combinación de análisis clínicos y modelado in vivo con la tecnología de iPSC podría

ser muy útil, evitando test innecesarios y definiendo el mejor momento para el

trasplante de hígado o riñón en pacientes presintomáticos. La tecnología iPSC ofrece un

escenario único para la identificación de vías moleculares y/o genes responsables de la

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enfermedad y para definir nuevos agentes terapéuticos causantes del bloqueo del

proceso de amiloidogénesis en casos de polineuropatía amiloide familiar y para

descubrir vías moleculares del síndrome de Alport. Así, la contribución del conocimiento

molecular y biológico que ofrece la tecnología iPSC será importante no solo para

confirmar el diagnóstico en estadios tempranos de la enfermedad, sino también para

mejorar la calidad de vida de los pacientes evitando el trasplante.

Las líneas de iPSC de pacientes que sufren amiloidosis polineuropatía familiar y

síndrome de Alport se han generado y caracterizado completamente. Además las iPSC

con Síndrome de Alport están registradas y líneas de iPSC de ambas enfermedades

están listas para ser usadas como modelo.

Disponer de marcadores predictivos de la respuesta al tratamiento es un primer paso

hacia terapia individualizada en los pacientes con amiloidosis renal. Siguiendo esta

línea, la determinación de la presencia de marcadores de células progenitoras en la

biopsia renal de dichos pacientes podría establecer una correlación clínica con la

función renal y la proteinuria. Además de establecer la importancia de dichos

marcadores en la estratificación del riesgo de desarrollo de insuficiencia renal crónica.

4. Bibliografía científica generada

Xia Y, Nivet E, Sancho-Martinez I, Gallegos T, Suzuki K, Okamura D, Wu MZ, Dubova I,

Esteban CR, Montserrat N, Campistol JM, Izpisua Belmonte JC. Directed differentiation

of human pluripotent cells to ureteric bud kidney progenitor-like cells.

Nat Cell Biol. 2013 Dec;15(12):1507-15.

Kuebler B., Aran B., Miquel-Serra L., Muñoz Y., Ars Criach E., Bullich G., Furlano M.,

Torra Balcel R., Marti M., Veiga A., Raya A.

Integration-free induced pluripotent stem cells derived from a patient with autosomal

recessive Alport Syndrome (ARAS)

Stem Cell Research (en preparación).

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Kuebler B., Aran B., Miquel-Serra L., Muñoz Y., Ars Criach E., Bullich G., Furlano M.,

Torra Balcel R., Marti M., Veiga A., Raya A.

Generation of integration-free induced pluripotent stem cell lines derived from two

patients with X-linked Alport Syndrome.

Stem Cell Research (en preparación).