As células que curam…A grande promessa terapêutica do século

XXI

Cláudia Belo Inês Dias

Crioestaminal Viagem ao Futuro com as Células Estaminais

1950

•Descoberta de células capazes de gerar células sanguíneas na medula óssea

1958

•1º transplante de medula óssea

1970

•Descoberta de células estaminais embrionárias no rato

1981

•1ª cultura de células estaminais embrionárias do Blastocisto do rato

1998

•Descoberta das células estaminais no embrião humano

2000

•Células estaminais embrionárias são transformadas em neurónios

2006

•Nascem 1os

ratinhos criados com espermatozóides cultivados a partir de células estaminais

2008

•Criação de células estaminais pluripotentes induzidas a partir de células adultas

Cronologia na investigação das Células estaminais

O que são células estaminais? São células indiferenciadas que podem dar origem aos diferentes tipos de células de um organismo;

Têm capacidade de se dividirem indefinidamente;

De duas células-filhas: uma permanece estaminal e outra especializa-se.

As células estaminais têm a

capacidade de se…Auto-renovarem

Diferenciarem em diferentes tipos de linhagens celulares

3.Formam-se células

especializadas

1.Multiplicam-seAs células do ovo fertilizado (totipotentes) e suas descendentes (pluripotentes) podem-se multiplicar e dar origem a qualquer tipo de células.

2.Diferenciam-se… Depois de evoluírem, perdem a capacidade de dar origem a todo o tipo de tecidos (multipotentes) e depois a um único tipo - têm uma única função (unipotentes).

Fonte: Science et Vie: Nov 2006

Estaminais Adultas

Qualquer lesão nos tecidos provoca morte celular

As células estaminais multiplicam-se no local da

lesão

Tecido reparadoRegeneração

Células especializadas

Multiplicação

Células estaminaisCélulas

mortas

Produzem células especializadas

O tecido reparado torna-se viável

Células musculares

Células ósseas

Células ósseas

Célula estaminal

Célula estaminal

Célula sanguínea

Célula muscular

Nova célula estaminal

Célula diferenciada

Medula

Multiplicação

1º caso 2º caso

4

5

4. Algumas continuam no indivíduo adulto… Nem todas as células do organismo adulto se especializam. São as células estaminais adultas que encontramos em tecidos e órgãos.

5. Como se multiplicam em determinado “nicho” biológicoSe as suas filhas permanecem em contacto com o nicho, elas mantêm-se células estaminais (1º caso). Caso contrário, especializam-se (2º caso).

6. Regeneram tecidos Primeiro ocupam o espaço da lesão e depois produzem células especializadas que reconstituem as células mortas. (ver abaixo)

Fonte: Science et Vie: Nov 2006

Fonte: Science et Vie: Nov 2006

Células estaminais adultas

São multipotentes (só podem originar células de uma família ou tecido)

Potencial de divisão

Permanecem inactivas até serem estimuladas para regenerar tecido

Célula estaminal adulta (ex. do cérebro)

Célula estaminal (indiferenciada)

Célula que se diferencia (ex. neurónio)

Estas células são indiferenciadas e têm a capacidade de se dividirem

Aquando da divisão:• Uma das células - filhas mantém-se indiferenciada e com potencial de divisão

• A outra ir-se-á especializar numa célula de uma determinada linhagem

Capacidade de divisão + potencialidade de poderem diferenciar-se em vários tipos de

células

Regenerar e restituir células e tecidos aquando de uma lesão ou doença

permite

Foram as únicas que no presente já foram utilizadas em seres humanos na cura

de doenças

São escassas e difíceis de activar e desenvolver

As que já intervieram no tratamento de seres humanos são as da medula óssea,

cordão umbilical, córnea, olho e pele

Por esse motivo:

Células estaminais adultas

Fonte: National Geographic: Julho 2005

Um futuro promissor…

Reprogramação celular: O alcance da Pluripotência

É difícil activar a sua multiplicação e diferenciação

Multipotentes não se podendo diferenciar em todo o tipo de

células

Células estaminais adultas -> limitação na medicina regenerativa

Reprogramação genética de células estaminais adultas (multipotentes e unipotentes)

Reprogramação: Regressão do seu

estado de diferenciação tornando-se

indiferenciadas

Células Pluripotentes Induzidas

Capacidade de se diferenciarem em todo o tipo de células (dependendo dos factores químicos em que se desenvolverão)

Células adultas diferenciadas

Células estaminais adultas cujos genes

que se tornaram inactivos aquando da

diferenciação são reprogramados de

forma a terem novamente o

potencial embrionário

O processo de indução de células consiste em fazer com que células adultas de um tecido (com especialização) percam a sua especialização e se tornem

indiferenciadas podendo originar outros tipos de células para regenerar outros tecidos (fazendo-as multiplicar-se em meios adequados)

Genes reprogramadores

Retrovírus

Células estaminais pluripotentes induzidas

Alcançar a Pluripotência: Reprogramação nuclear in vitro

São inseridos num retrovírus (veículo de transferência) genes que se encontram inactivos nas

células adultas diferenciadas mas activos nas células pluripotentes

embrionárias

• Todos os genes serão activados de forma a

tornar-se indiferenciada e ter potencial de originar

todo o tipo de células

• Esses genes ao integrarem o material genético das

células adultas, irão reprogramá-las.

Célula adulta diferenciada

Reprogramação em curso

* Estas células são colocadas em diferentes meios cujos factores de

desenvolvimento condicionarão a sua diferenciação em diferentes tipos de

células

Colónia de IPS

1. Proteínas reprogramadoras (codificadas por genes

reprogramadores) são inseridas no núcleo da célula adulta* diferenciada

que se quer reprogramar

2. Essas proteínas ligam-se ao DNA e activam os genes

que estavam inactivos

Proteínas reprogramadoras

1

2

Células do sangue

Células musculares

Células nervosas

Células estaminais embrionárias São células pluripotentes

Encontram-se no embrião em fase de desenvolvimento

Potencial de diferenciação ilimitado (podem multiplicar-se e

dar origem a células de todas as linhagens)

Facilmente estimuladas a multiplicarem-se

Ovo

MórulaCélulas estaminais totipotentes

Blastocisto

Embrião em desenvolvimento

(5º dia) Células pluripotentes

Células dividem-se

Células estaminais embrionárias podem dar origem a células dos

3 folhetos embrionários

Endoderme

Mesoderme

Ectoderme

Órgãos do aparelho digestivo

Células sangue

Células nervosas

Embrião (Blastocisto)

Células estaminais pluripotentes

Diferentes Mecanismos de Diferenciação das

Células

Introdução de RNA interferente no núcleo para

silenciar determinados genes -> diferenciação

RNAi

RNAi liga-se ao mRNA resultante da transcrição para

inactivá-lo

mRNA

Proteína não sintetizada

(determinados genes não são

expressados)

Células diferenciada (apenas os genes

desejados são expressos)

Introdução de proteínas inactivadoras de

determinados genes no núcleo

Proteínas ligam-se ao DNA impedindo a transcrição de

determinados genes

substâncias químicas

introduzidas no meio que reagem inactivando alguns

genes

Cultura de células pluripotentes

Desafios Científicos das células estaminais humanas

A condução da especialização celular

Entender as combinações complexas de factores de crescimento e de sinais químicos e genéticos para que se dê a diferenciação das CE num determinado tipo de células.

A manutenção das linhagens de CE

Para manter vivas as células estaminais embrionárias cultivadas é uma tarefa difícil. Estas têm de ser colocadas sobre um tapete de células retiradas do embrião de ratos diariamente e de ser alimentadas com os meios nutritivos adequados.

A aceitação das células implantadas por parte do organismo do doente

É necessário que o sistema imunitário e as células em redor das CE no organismo de um doente as aceitem. Para que não haja rejeição das CE transplantadas tem de haver compatibilidade genética entre estas e as células do doente.

Regulação / Controlo da divisão celular

Um dos maiores desafios da investigação das células estaminais é controlar a sua divisão para produzir uma quantidade de células determinada. Só quando este desafio for superado é que se poderá criar órgãos e parar o seu crescimento.

Aplicações futuras das células estaminaisAplicações terapêuticas

Diagnóstico “David Dalmat, de 11 anos, aguarda que um transplante de medula óssea permita tratar a sua anemia falciforme. Para diminuir o risco de infecção e o avanço da doença, a medula foi destruída por radiação e quimioterapia . Até que ela novamente se desenvolva, David vive numa redoma, isolado e micróbios”

National Geographic, Julho 2005

Sintomas

As hemácias em forma de foice

provocam

Bloqueios na circulação sanguínea

• Falta de oxigenação e nutrição dos tecidos• Dores episódicas

Célula estaminal do cordão umbilical

Células hematopoiéticas

Células mesenquimais

Células da linhagem sanguínea (hemácias, glóbulos brancos e plaquetas)

Células do osso, gordura, cartilagem e tecido fibroso conjuntivo)

Cedric, 7 anos, sofre de leucemia há mais de 3 anos. Após ter esgotado todas as opções, concentrou as suas esperanças no transplante de células estaminais do cordão umbilical.

National Geographic, Julho 2005

O menino foi sujeito a doses violentas de quimioterapia para eliminar as células cancerígenas, que destruíram as suas células estaminais produtoras de sangue. Razão pela qual é necessário o transplante. Após o processo bem sucedido pode considerar-se que as células estaminais do cordão umbilical salvaram-no da doença.

• A imunodeficiência é outro caso de patologia cuja terapêutica com estas células foi bem sucedida

DiferenciaçãoOrigem a:

Diagnóstico:

Tratamento:

Tera

pêu

tica

s

Medula Óssea

Células hematopoiéticas multipotentes

Células sanguíneas

Adipócito

Células mesenquimais multipotentes

Células constituintes do osso e cartilagem

1. Tratamento de leucemias:Removem-se célulasestaminais hematopoiéticas deuma medula óssea compatível. Após serem inseridas no paciente irão dividir-se e diferenciar-se em células produtoras de sangue e células sanguíneas

Células musculares

Células estaminais muscularesneurónios e células gliais

Células estaminais nervosas

3. Artrite ReumatóideAo reparar a cartilagem destruídapermite atenuar os efeitos da Doença

4. Recuperação de lesões nos ossos

2. Doenças cardíacas

Injecção destas células nas artérias coronárias permite aumentar a função cardíaca, reparando o coração de ataques ou insuficiência cardíaca.

Tera

pêu

tica

s

Um possível tratamento no futuro para a anemia falciforme:

Poder-se-á fabricar sangue a partir de células estaminais da pele …

Procedimento:• Extrair fibroplastos de um pedaço (alguns centímetros) de pele

• Adiciona-se uma proteína que se liga ao DNA (que actua como “interruptor”)

• São submergidos a factores de crescimento

Activou e inactivou cerca de 2 mil genes, Reprogramando as células da pele de modo a

Darem origem a células “progenitoras” de sangue

Se diferenciarem em células de sangue

No futuro esta técnica possibilitará: Tratamento de cancros (leucemia, cancros da mama, pulmão e próstata); Transfusão, num paciente, com sangue proveniente da sua própria pele (não serão

necessários bancos de sangue); diminuir efeitos da quimioterapia Tratamento de linfomas (ex. Linfoma de Hodgkin)

ou

Tera

pêu

tica

s

“Coração artificial: primeiro órgão biológico feito em laboratório”

• Experiência realizada pela Universidade do Minnesota: fabrico de corações de ratos, a partir do “esqueleto” deste órgão

Investigadores utilizaram células precursoras das células cardíacas

+Utilizaram a estrutura

tridimensional cardíaca de base para o novo órgão

Através da técnica de “descelularização” eliminaram as células do coração (tecido vascular)

“Esqueleto”

Matriz de tecido extracelular

Câmaras e válvulas do coração

Estrutura vascular Para reconstruir o coração com base nestes “órgãos-fantasma” recorreu-se a células imaturas de ratos

recém-nascidos

Reg

ener

ativ

a

Estas células cardíacas foram injectadas no interior da matriz

Os corações bioartificiais foram colocados dentro de máquinas incubadoras (simulam um ambiente favorável para o desenvolvimento natural de um coração)

Resultados:- Quatro dias mais tarde: observaram as primeiras contracções- Oito dias depois: os corações começaram a bombear sangue (com uma potência de 2% de um coração de rato)

No futuro poder-se-á:- Construir um coração a partir de células estaminais (dos doentes) em vez de células cardíacas imaturas;- Utilizar corações de porco como estrutura (“esqueleto”);- Construir rins, fígados, pulmões, pâncreas a partir do mesmo processo

- A rejeição do transplante de órgãos (compatibilidade)- A morte de dezenas de milhares de pessoas que sofrem de insuficiência cardíaca

impedirá:

Reg

ener

ativ

a

Transplante pioneiro da traqueia através de células estaminais

No futuro esta técnica poderá ser adaptada ao transplante de outros órgãos: intestino, bexiga e aparelho reprodutor

O processo é semelhante à produção de um coração artificial:• Obtém-se um tubo de tecido conjuntivo (“esqueleto”) a partir da traqueia do dador (1)• As células estaminais são injectadas nesse tecido conjuntivo (4)

Em 2009, um colombiana de 30 anos foi submetida a um transplante de traqueia, em Espanha.

Fonte: http://www.oarquivo.com.br

Reg

ener

ativ

a

Células estaminais na cura de doenças nervosas

A esperança de substituir neurónios…

Parkinson

Cérebro normal Cérebro afectado pelo Parkinson

DopaminaReceptor

Neurónio normal Produção

normal de dopamina

Neurónio afectado pela doença de Parkinson

Produção insuficiente de

dopamina

• Doença neurodegenerativa

• Disfunção e morte dos neurónios produtores de dopamina

(neurotransmissor)

• Afecta zona do cérebro que controla a actividade motora e o equilíbrio

(substância negra)

A esperança reside no tratamento com células

estaminais

Reg

ener

ativ

a

As células nervosas produtoras de dopamina degeneradas

Podem ser substituídas por células estaminais com capacidade de se diferenciarem em neurónios (reparar o cérebro)

Condições de cultura ideais

Células estaminais nervosas já presentes no cérebro do paciente são extraídas e

estimuladas a diferenciarem-se

2 formas possíveis de tratamento com células estaminais:

Células estaminais pluripotentes extraídas de um embrião e colocadas em factores de

crescimento para se diferenciarem nas células pretendidas

Criação de uma cultura de células

estaminais

Podem desenvolver-se e diferenciar-se

em neurónios produtores de

dopamina

Neurónios são transplantados

para o cérebro do doente de Parkinson

Cultura de Células

estaminais

Transplante de neurónios

produtores de dopamina

Cérebro após

transplante

Reg

ener

ativ

a

Doença de Alzheimer

Apoptose das células nervosas cerebrais

Degeneração gradual do cérebro em certas áreas (principalmente no centro de memória)

Perda progressiva de memória e falhas de linguagem

Cérebro saudável Cérebro - Alzheimer

Centro de Memória

Centro de linguagem

Tratamento por transplante com células estaminais• Tratamento da doença de Alzheimer requer a regeneração das regiões do cérebro degradadas

Hipótese para o futuro:• Indução da pluripotência de células adultas do paciente, tornando-se células estaminais indiferenciadas

• Fazer com que se diferenciem em neurónios que serão transplantados para as regiões do cérebro do doente afectadas pela doença de Alzheimer

Reg

ener

ativ

a

A esperança de regenerar a medula espinal…

• Uma lesão na medula espinal implica a morte de neurónios que fazem a conexão entre o cérebro e os órgãos motores leva à paralisia

• A bainha de mielina dos neurónios é degenerada

Retirar células estaminais gliais da mucosa olfactiva do doente que têm capacidade de

produzir neurónios

Implantar as células estaminais da mucosa olfactiva na medula espinal do paciente

Estas células poderão produzir neurónios e mielina na medula espinal, regenerando-a

Lesão da medula espinal

Medula espinal

mielina danificada

Regeneração de mielina através do implante CE gliais suas produtoras

CE implantadas na medula do paciente

paralisado para a regenerar

Reg

ener

ativ

a

Diagnóstico

“Era uma vez uma velhinha de 82 anos que sofria de esclerose lateral amiotrófica (ALS)”

• ALS é uma doença neurodegenerativa do sistema nervoso central, que incapacitou o célebre físico, Stephen Hawking.• Não tem cura nem tratamento

No futuro poder-se-á obter o tratamento de ALS a partir da experiência já realizada (por alunos da Universidade de Harvard)• Submeteram as células da pele, dos doentes de ALS, a uma manipulação genética

• Sofreram uma reprogramação genética à base de 4 genes, introduzidos nas células “a bordo” de um vírus• As células reprogramadas tinham rejuvenescido (regressaram a um estado semelhante ao das células embrionárias)

Em especial, os fibroplastos

Células IPS (pluripotentes

estaminais induzidas)

Reg

ener

ativ

a

Diagnóstico

“Um ex-camionista de 60 anos ficou incapacitado, durante 18 meses, depois de ter sofrido de um AVC”

www.cienciahoje.pt (17-11-2010)

• AVC isquémio (falta de irrigação sanguínea)

Um possível tratamento para o futuro, já aplicado (Pilot Investigation of stem cells in stroke) - PISCES

• Os médicos poderão introduzir um milhão de células estaminais numa região saudável do cérebro (putâmen), próxima da zona afectada, que;

- Irão libertar químicos que estimulem novas células cerebrais a regenerarem- Permitirão o desenvolvimento dos vasos sanguíneos

O AVC isquémio ocorre devido à falta de irrigação sanguínea

Desenvolvimento de novos neuróniosRedução da inflamação

Reg

ener

ativ

a

Células estaminais adultas presentes no limbo, região da córnea do olho

* As lesões na córnea podem ser causadas devido a infecções ou contacto com produtos químicos.

O processo consiste em:

Remoção de células estaminais presentes na córnea do olho saudável do paciente

São colocadas em cultura num meio adequado

Após alguns dias diferenciam-se em células da córnea

Estas células formam uma membrana que é

transplantada para reparar a córnea lesada

Reg

ener

ativ

a

Membros de uma equipa médica Italiana da Fondazione Banca Degli Occhi restauram olhos de pacientes com *lesões na córnea”.

Science et vie, Nov 2006

Aplicações reprodutivas das células estaminais

“Investigadores clonam fêmea a partir de dois ratos machos”Medida pode ajudar a preservar espécies em vias de extinção

www.ciênciahoje.com (9-10-2010)

• O blastocisto de um rato macho (1) é utilizado para originar uma linha de células estaminais

• As células XY sofrem sucessivas divisões e perdem espontaneamente o cromossoma Y – X0.• Estas células X0 são injectadas em blastocistos de fêmeas dadoras para dar origem a quimeras (femeninas),

Nas quimeras formam-se óocitos (X0) derivados das células XY do rato macho. Estes serão fertilizados por ratos machos (2) dando origem a:

No futuro esta tecnologia pode: - ajudar casais do mesmo sexo a terem filhos;- gerar esperma a partir de um doador feminino;- produzir machos viáveis, a partir de duas fêmeas.

Fêmeas com viabilidade reprodutiva

Rep

rod

uti

va

2012• Cérebro de doentes de Parkinson é totalmente

regenerado pela 1ª vez após transplante com células estaminais. A cura da doença é alcançada.

2014• Pacientes paralisados devido a lesões na medula

espinal recuperam a actividade motora devido à regeneração da medula com células estaminais

2015• Cura dos Diabetes tipo I através de células

estaminais que se diferenciaram em células dos ilhéus pancreáticos que segregam insulina

2017• É finalmente desenvolvida a cura para a esclerose

múltipla usando células estaminais que regeneram a mielina danificada pela doença

2020

• Fabricado o 1º coração em laboratório para transplante utilizando células estaminais que se diferenciaram em células do músculo cardíaco e se multiplicaram

2030• A fórmula do rejuvenescimento é alcançada:

células estaminais restituem a pele e os órgãos mantendo-os “jovens”

Possível cronologia futura na história das CE