Embriómica

La embriómica es la identificación, caracterización y estudio de los diversos tipos celulares que surgen durante la embriogénesis , especialmente en lo que respecta a la ubicación y el desarrollo de las células en el embrión. El tipo celular puede determinarse según varios criterios: ubicación en el embrión en desarrollo , expresión génica indicada por marcadores de proteínas y ácidos nucleicos y antígenos de superficie , y también posición en el árbol embriogénico.

Existen numerosos marcadores celulares útiles para distinguir, clasificar, separar y purificar los diversos tipos celulares presentes en un organismo en desarrollo. Estos marcadores consisten en ARN y proteínas específicos , presentes en el interior y en la superficie de las células que componen el embrión. Para cada tipo celular, estos marcadores de ARN y proteínas reflejan los genes característicos de dicha célula. El conjunto de todos estos tipos celulares y sus marcadores característicos se conoce como embrioma del organismo . El término proviene de la combinación de las palabras «embrión» y « genoma» . «Embrioma» también puede referirse al conjunto de los marcadores celulares físicos.

A medida que un embrión se desarrolla a partir de un óvulo fecundado , la célula huevo se divide en muchas células, que aumentan en número y migran a las ubicaciones apropiadas dentro del embrión en los momentos adecuados durante el desarrollo. A medida que las células del embrión aumentan en número y migran, también se diferencian en un número creciente de diferentes tipos de células, convirtiéndose finalmente en los tipos de células estables y especializadas característicos del organismo adulto. Cada una de las células de un embrión contiene el mismo genoma , característico de la especie, ^{[ 1 ]} pero el nivel de actividad de cada uno de los miles de genes que componen el genoma completo varía con el tipo de célula en particular (por ejemplo, neurona, célula ósea, célula de la piel, célula muscular, etc.) y lo determina.

Durante el desarrollo embrionario (embriogénesis), existen muchos tipos de células que no están presentes en el organismo adulto. Estas células temporales se denominan células progenitoras y son tipos celulares intermedios que desaparecen durante la embriogénesis al transformarse en otras células progenitoras, en tipos de células somáticas adultas maduras o debido a la muerte celular programada ( apoptosis ).

Todo el proceso de embriogénesis se puede describir con la ayuda de dos mapas: un mapa embrionario, una secuencia temporal de imágenes tridimensionales del embrión en desarrollo, que muestra la ubicación de las células de los muchos tipos celulares presentes en el embrión en un momento dado, y un árbol embriogénico, un diagrama que muestra cómo se derivan los tipos celulares unos de otros durante la embriogénesis.

El mapa embrionario es una secuencia de imágenes tridimensionales, o cortes de imágenes tridimensionales, del embrión en desarrollo que, si se visualiza rápidamente en orden temporal, forma una vista a cámara rápida del embrión en crecimiento.

El árbol embriogénico es un diagrama que muestra el desarrollo temporal de cada una de las líneas celulares del embrión. Al dibujarlo en papel, este diagrama adopta la forma de un árbol, análogo al árbol evolutivo de la vida que ilustra el desarrollo de la vida en la Tierra. Sin embargo, en lugar de que cada rama represente una especie, como en el árbol de la vida, cada rama representa un tipo celular específico presente en el embrión en un momento determinado. Y, por supuesto, un árbol embriogénico abarca el período de gestación de semanas o meses, en lugar de miles de millones de años, como en el caso del árbol evolutivo de la vida.

Aquí se hace referencia a la embriogénesis humana , pero la embriogénesis en otras especies de vertebrados sigue un patrón muy similar. El óvulo, tras la fecundación con un espermatozoide, se convierte en el cigoto, representado por el tronco en la base del árbol. Esta célula cigota se divide en dos tres veces, formando primero un grupo de dos células, luego de cuatro y finalmente de ocho. Una división celular más eleva el número de células a 16, momento en el que se denomina mórula, en lugar de cigoto. Esta esfera de 16 células se reorganiza en una esfera hueca llamada blastocisto. A medida que el número de células aumenta de 16 a entre 40 y 150, el blastocisto se diferencia en dos capas: una esfera externa de células llamada trofoblasto y una masa celular interna llamada embrioblasto.

La capa celular externa esférica (trofoblasto), tras su implantación en la pared del útero , se diferencia y crece aún más para formar la placenta .

Las células de la masa celular interna (embrioblastos), conocidas como células madre embrionarias humanas (hESC), se diferenciarán para formar cuatro estructuras: el amnios , el saco vitelino , el alantoides y el embrión. Las células madre embrionarias humanas son pluripotentes; es decir, pueden diferenciarse en cualquiera de los tipos celulares presentes en el adulto y en cualquiera de los tipos de células progenitoras intermedias que, con el tiempo, se convierten en las líneas celulares adultas. Las hESC también son inmortales, ya que pueden dividirse y multiplicarse indefinidamente sin sufrir diferenciación ni envejecimiento celular (senescencia celular).

La primera diferenciación de las células madre embrionarias humanas (hESC) que forman el embrión propiamente dicho se produce en tres tipos celulares conocidos como capas germinales: el ectodermo , el mesodermo y el endodermo . El ectodermo forma la piel (incluidos el cabello y las uñas), las membranas mucosas y el sistema nervioso. El mesodermo forma el esqueleto y los músculos, el corazón y el sistema circulatorio, los sistemas urinario y reproductivo, y los tejidos conectivos internos del cuerpo. El endodermo forma el tracto gastrointestinal (estómago e intestinos), el tracto respiratorio y el sistema endocrino (hígado y glándulas endocrinas ).

Un objetivo primordial en embriología es la elaboración de un mapa completo del árbol embriogénico: identificar cada uno de los tipos celulares presentes en el embrión en desarrollo y ubicarlo en la rama correspondiente. Existe un número desconocido, probablemente miles, de tipos celulares distintos presentes en el embrión en desarrollo, incluyendo líneas celulares progenitoras que están presentes solo temporalmente y que desaparecen, ya sea diferenciándose en los tipos celulares somáticos permanentes que componen los tejidos del cuerpo del bebé al nacer (o en otras líneas celulares progenitoras), o mediante el proceso de muerte celular programada conocido como apoptosis.

Cada tipo de célula se define por los genes que se encuentran activos de forma característica en ese tipo de célula. Un gen específico en el genoma de una célula codifica la producción de una proteína específica ; es decir, cuando ese gen se activa, la proteína codificada por dicho gen se produce y se encuentra presente en algún lugar de la célula. La producción de una proteína específica implica la producción de una secuencia de ARNm ( ARN mensajero ) específica como paso intermedio en la síntesis de proteínas. Este ARNm se produce mediante un proceso de copia llamado transcripción , a partir del ADN en el núcleo celular. El ARNm producido viaja desde el núcleo al citoplasma, donde se encuentra con los ribosomas adheridos al lado citoplasmático del retículo endoplasmático y se une a ellos . La unión de la cadena de ARNm al ribosoma inicia la producción de la proteína codificada por dicha cadena. Por lo tanto, el perfil de genes activos en una célula se refleja en la presencia o ausencia de las proteínas y cadenas de ARNm correspondientes en el citoplasma celular, y de las proteínas antigénicas presentes en la membrana externa de la célula. Por lo tanto, descubrir, determinar y clasificar las células según su tipo implica detectar y medir el tipo y la cantidad de moléculas específicas de proteínas y ARN presentes en las células.

Además, la elaboración del árbol de la embriogénesis implica asignar a cada tipo celular específico e identificable una rama o posición particular en dicho árbol. Esto requiere conocer la "ascendencia" de cada tipo celular, es decir, qué tipo celular lo precedió en el proceso de desarrollo. Esta información se puede deducir observando en detalle la distribución y ubicación de las células, por tipo, en el embrión en desarrollo, y también observando, en células cultivadas in vitro , cualquier evento de diferenciación, si es que ocurre por alguna razón, y por otros medios.

Las células, en particular las embrionarias, son sensibles a la presencia o ausencia de moléculas químicas específicas en su entorno. Esta es la base de la señalización celular , y durante la embriogénesis las células se comunican entre sí mediante la emisión y recepción de moléculas señalizadoras . Así es como se organiza y controla el desarrollo de la estructura del embrión. Si se extraen células de una línea celular específica del embrión y se cultivan solas en una placa de Petri en el laboratorio, y se añaden ciertas sustancias químicas de señalización celular al medio de cultivo , esto puede inducir la diferenciación de las células en un tipo celular diferente, imitando el proceso de diferenciación que ocurre naturalmente en el embrión en desarrollo. Inducir artificialmente la diferenciación de esta manera puede proporcionar pistas sobre la correcta ubicación de una línea celular específica en el árbol embriogénico, al observar qué tipo de célula resulta de la diferenciación inducida.

En el laboratorio, las células madre embrionarias humanas cultivadas in vitro pueden inducirse a diferenciarse en células progenitoras exponiéndolas a sustancias químicas (por ejemplo, factores de crecimiento y diferenciación proteica) presentes en el embrión en desarrollo. Las células progenitoras así producidas pueden aislarse en colonias puras, cultivarse in vitro y clasificarse según su tipo y posición en el árbol embriogénico. Estos cultivos purificados de células progenitoras pueden utilizarse en investigación para estudiar procesos patológicos in vitro, como herramientas de diagnóstico o, potencialmente, desarrollarse para su uso en terapias de medicina regenerativa. ^{[ 2 ]}

La embriómica es la ciencia fundamental que sustenta el desarrollo de la medicina regenerativa . La medicina regenerativa implica el uso de células, tejidos y órganos cultivados especialmente como agentes terapéuticos para curar enfermedades y reparar lesiones, y surge del desarrollo de la tecnología de clonación de mamíferos. ^{[ 3 ]} Otros métodos médicos y quirúrgicos pueden utilizar sustancias químicas ( fármacos ) como agentes terapéuticos, o implicar la extirpación de tejido lesionado o enfermo ( cirugía ), o el uso de tejidos u órganos insertados ( trasplante ). El uso de tejidos u órganos trasplantados en medicina no se clasifica como medicina regenerativa, porque los tejidos y órganos no se cultivaron específicamente para su uso como agentes terapéuticos.

En última instancia, uno de los objetivos de la medicina regenerativa y la embriología aplicada es la creación de células, tejidos y órganos cultivados a partir de células extraídas del paciente a tratar. Esto se lograría mediante la reprogramación de células madre adultas o somáticas extraídas del paciente, de modo que estas células reviertan al estado pluripotente embrionario. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} Estas células madre sintéticas se cultivarían y diferenciarían en el tipo celular apropiado indicado para tratar la enfermedad o lesión del paciente. Las ventajas sobre las terapias actuales son: la eliminación del rechazo inmunitario que acompaña al trasplante de aloinjertos , la creación de un complemento completo de células, tejidos y órganos según sea necesario, y la creación de células, tejidos y órganos jóvenes para trasplante y rejuvenecimiento .

La tecnología para el cultivo de células, tejidos y órganos destinados a la medicina regenerativa puede desarrollarse tomando como guía el curso natural del desarrollo de dichas células, tejidos y órganos durante la embriogénesis. Por lo tanto, un conocimiento detallado del embrioma completo y del árbol embriogénico es fundamental para desarrollar todo el potencial de la medicina regenerativa.

La embriómica también incluye la aplicación de datos y teoría embrionaria al desarrollo de métodos prácticos para evaluar, clasificar, cultivar, purificar, diferenciar y manipular células embrionarias humanas.

• GenePaint.org, atlas digital de patrones de expresión génica en el ratón.