Esta imagen muestra cómo la turbulencia producida por el biorreactor VerMES induce megacariocitos derivados de hiPSC para generar 100 mil millones de plaquetas. Crédito: Misaki Ouchida / Universidad de Kyoto

La turbulencia es un factor físico crítico que promueve la producción a gran escala de plaquetas funcionales a partir de células madre pluripotentes inducidas por humanos (hiPSCs), informan investigadores en Japón el 12 de julio en la revista Celda . La exposición a la energía turbulenta en un biorreactor estimuló células de médula ósea derivadas de hiPSC llamadas megacariocitos para producir 100 mil millones de plaquetas, fragmentos de células sanguíneas que ayudan a sanar las heridas y previenen el sangrado al formar coágulos de sangre. Además, la transfusión de estas plaquetas en dos modelos animales promovió la coagulación de la sangre y evitó el sangrado al igual que las plaquetas de donantes humanos.

“El descubrimiento de la energía turbulenta proporciona un nuevo mecanismo físico y una estrategia de producción ex vivo para la generación de plaquetas que debería afectar las terapias celulares a escala clínica para la medicina regenerativa”, dice el autor principal del estudio Koji Eto, parte del Centro de Investigación Celular iPS. Aplicación en la Universidad de Kyoto.

La transfusión de sangre es una de las formas más comunes de terapia celular, con casi cinco millones de estadounidenses que se someten a este procedimiento cada año. En un futuro cercano, no se espera que los suministros de sangre de los donantes satisfagan la demanda de los pacientes en varios países. Un factor que contribuye a este problema es la corta vida útil de algunos componentes sanguíneos.

En particular, las plaquetas de donantes humanos tienen una vida útil de solo 5 días en los Estados Unidos debido a que pierden gradualmente su capacidad de agregación y son susceptibles a la contaminación bacteriana. Las transfusiones de plaquetas a veces se necesitan para tratar una afección llamada trombocitopenia, en la que la deficiencia de plaquetas aumenta el riesgo de pérdida de sangre que pone en peligro la vida. La escasez esperada de plaquetas ha estimulado a los investigadores a buscar fuentes alternativas que no dependan de donaciones de sangre.

hiPSCs ofrecen un enfoque renovable para producir cantidades suficientes de plaquetas para transfusiones. Esta técnica implica la reprogramación epigenética de células sanguíneas o de la piel tomadas de donantes humanos a un estado similar a las células madre embrionarias y luego convertir estas células inmaduras en tipos de células especializadas que se encuentran en diferentes partes del cuerpo. Sin embargo, los intentos anteriores para generar plaquetas a partir de megacariocitos derivados de hiPSC no han logrado alcanzar una escala adecuada para la fabricación clínica.

Mientras buscaban una solución a este problema, Eto y sus colaboradores notaron que los megacariocitos derivados de hiPSC producían más plaquetas cuando se rotaban en un matraz que en condiciones estáticas en una placa de Petri. Esta observación sugirió que el estrés físico causado por sacudidas horizontales bajo condiciones líquidas aumenta la generación de plaquetas. Siguiendo con este descubrimiento, los investigadores probaron un biorreactor basado en una bolsa mecedora seguido de un nuevo sistema microfluídico con una cámara de flujo y múltiples pilares, pero estos dispositivos generaron menos de 20 plaquetas por megacariocito derivado de hiPSC.

Para examinar las condiciones físicas ideales para generar plaquetas, Eto y su equipo realizaron luego estudios de imágenes en vivo de médula ósea de ratón, el tejido que produce componentes sanguíneos. Estos experimentos revelaron que los megacariocitos liberan plaquetas solo cuando están expuestos al flujo sanguíneo turbulento. En apoyo de esta idea, las simulaciones confirmaron que el biorreactor y el sistema microfluídico que probaron previamente carecían de suficiente energía turbulenta.

“El descubrimiento del papel crucial de la turbulencia en la producción de plaquetas amplía significativamente las investigaciones pasadas que muestran que el estrés por cizallamiento del flujo sanguíneo también es un factor físico clave en este proceso”, dice Eto. “Nuestros hallazgos también muestran que iPS no son el fin de todo para producir plaquetas. Para nuestro descubrimiento fue necesario comprender la dinámica de fluidos además de la tecnología de células iPS “.

Después de probar exhaustivamente varios dispositivos, los investigadores descubrieron que la producción a gran escala de plaquetas de alta calidad era posible usando un biorreactor llamado VerMES. Este sistema consta de dos paletas mezcladoras orientadas horizontalmente y de forma ovalada que generan niveles relativamente altos de turbulencia moviéndose hacia arriba y hacia abajo en un cilindro. Con el nivel óptimo de energía turbulenta y tensión de corte creada por el movimiento de la cuchilla, los megacariocitos derivados de hiPSC generaron 100.000 millones de plaquetas, suficientes para satisfacer los requisitos clínicos.

Los experimentos de transfusión en dos modelos animales con trombocitopenia mostraron que estas plaquetas funcionan de manera similar a las plaquetas de donantes humanos. Específicamente, ambos tipos de plaquetas promovidas coagulación y tiempos de sangrado reducidos en un grado comparable después de las incisiones de la vena de la oreja en conejos y punciones de la arteria de la cola en ratones.

Actualmente, Eto y su equipo están mejorando su enfoque diseñando protocolos automatizados, reduciendo los costos de fabricación y optimizando rendimientos También están desarrollando plaquetas universales que carecen de proteínas de la superficie celular llamadas antígenos de leucocitos humanos con el fin de reducir el riesgo de reacciones de transfusión inmunes.

“Esperamos que los ensayos clínicos comiencen dentro de uno o dos años”, dice Eto. “Creemos que estos hallazgos serán el último paso científico para recibir permiso para los ensayos clínicos que usan nuestras plaquetas”.


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Más información:
Celda , Ito y Nakamura et al .: “La turbulencia activa la biogénesis de las plaquetas para permitir la producción ex vivo a escala clínica” https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)30736-0, DOI: 10.1016 / j.cell.2018.06.011