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253 capitulo XI Regeneración Capítulo XI Regeneración Jesús Chimal-Monroy, Donovan Correa Gallegos & Claudio Iván Galván Hernández. RESUMEN La regeneración es un fenómeno biológico que consiste en la restauración o reemplazo de estructuras completas u órganos cuando éstos han sido dañados o amputados. El ajolote es un animal que tiene la extraordinaria capacidad de regenerar sus extremidades, su cola y parte de su corazón después de una amputación. De igual manera, es sorprendente la capacidad regenerativa del corazón y de la aleta del pez cebra. Uno de los animales más sobresalientes por su capacidad regenerativa, es la planaria, un gusano plano que es capaz de regenerar un organismo completo prácticamente a partir de cualquier frag- mento que haya sido cortado. En mamíferos, la capacidad regenerativa varía; se sabe por un lado, que el hígado tiene una alta capacidad regenerativa y por otro, que en las extremidades sólo la punta de los dedos, en edades perinata- les, es capaz de regenerar. El por qué algunos animales tienen gran capacidad regenerativa y otros no, es una pregunta que ha sido investigada a fondo por muchos años y aunque actualmente aún no se tiene respuesta, este conoci- miento ha sentado las bases de la medicina regenerativa para su aplicación en tratamientos de enfermedades crónico-degenerativas o bien de amputaciones de extremidades en humanos. INTRODUCCIÓN ¿Qué es la regeneración? El término regeneración se ha usado ampliamente para explicar los fenómenos de reemplazo homeostático de los tejidos, por ejemplo: la piel, el linaje sanguí- neo y el epitelio intestinal. Muchos organismos, a lo largo de su vida, pierden constantemente partes de su cuerpo y tienen la capacidad de reemplazarlos. Por ejemplo, en la planaria y en los gusanos anélidos existe una alta capacidad para regenerar todo su cuerpo. En vertebrados, algunos anfibios tienen la capa- cidad de reemplazar extremidades y colas, mientras que especies como el pez cebra regeneran el corazón. Los venados, recambian periódicamente sus astas. Los mamíferos, incluido el humano, son capaces de reparar el tejido muscular esquelético dañado o el tejido hepático; en las hembras, tras su período mens- trual se lleva a cabo la renovación del endometrio.

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    capitulo XI Regeneracin

    Captulo XI

    Regeneracin

    Jess Chimal-Monroy, Donovan Correa Gallegos & Claudio Ivn Galvn Hernndez.

    RESUMEN

    La regeneracin es un fenmeno biolgico que consiste en la restauracin o reemplazo de estructuras completas u rganos cuando stos han sido daados o amputados. El ajolote es un animal que tiene la extraordinaria capacidad de regenerar sus extremidades, su cola y parte de su corazn despus de una amputacin. De igual manera, es sorprendente la capacidad regenerativa del corazn y de la aleta del pez cebra. Uno de los animales ms sobresalientes por su capacidad regenerativa, es la planaria, un gusano plano que es capaz de regenerar un organismo completo prcticamente a partir de cualquier frag-mento que haya sido cortado. En mamferos, la capacidad regenerativa vara; se sabe por un lado, que el hgado tiene una alta capacidad regenerativa y por otro, que en las extremidades slo la punta de los dedos, en edades perinata-les, es capaz de regenerar. El por qu algunos animales tienen gran capacidad regenerativa y otros no, es una pregunta que ha sido investigada a fondo por muchos aos y aunque actualmente an no se tiene respuesta, este conoci-miento ha sentado las bases de la medicina regenerativa para su aplicacin en tratamientos de enfermedades crnico-degenerativas o bien de amputaciones de extremidades en humanos.

    INTRODUCCIN

    Qu es la regeneracin?

    El trmino regeneracin se ha usado ampliamente para explicar los fenmenos de reemplazo homeosttico de los tejidos, por ejemplo: la piel, el linaje sangu-neo y el epitelio intestinal. Muchos organismos, a lo largo de su vida, pierden constantemente partes de su cuerpo y tienen la capacidad de reemplazarlos. Por ejemplo, en la planaria y en los gusanos anlidos existe una alta capacidad para regenerar todo su cuerpo. En vertebrados, algunos anfibios tienen la capa-cidad de reemplazar extremidades y colas, mientras que especies como el pez cebra regeneran el corazn. Los venados, recambian peridicamente sus astas. Los mamferos, incluido el humano, son capaces de reparar el tejido muscular esqueltico daado o el tejido heptico; en las hembras, tras su perodo mens-trual se lleva a cabo la renovacin del endometrio.

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    CELULAS TRONCALES Y MEDICINA REGENERATIVA

    Mitologa de la regeneracin o de la inmortalidad

    En la mitologa griega resaltan dos historias que reflejan la capacidad de rege-nerar rganos, lo que reflejaba la inmortalidad. En una de estas historias, Hr-cules hijo de Zeus, luch contra el monstruo Hidra como parte de uno de sus 12 trabajos encomendados para purificarse. Este monstruo mitolgico de origen acutico, tena forma de serpiente y muchas cabezas. En la leyenda, Hrcules al intentar matar a la bestia cortaba cada una de las cabezas, sin embargo, cada vez que lo haca, las cabezas regeneraban y se multiplicaban. Para evitar el crecimiento y multiplicacin de las cabezas, Hrcules cauteriz las heridas de los cuellos recin cortados, evitando con ello la regeneracin, al tiempo que lograba vencer al monstruo (1). En una segunda historia, Prometeo intent burlar a los dioses entregndole el fuego a los mortales, motivo por el cual Zeus orden fuera encadenado. Bajo este castigo, en el da un guila devoraba su hgado, y ste se regeneraba durante la noche, ciclo que se repeta todos los das (2, 3).

    En la mitologa mexica, para poner en movimiento al Quinto Sol y crear a la humanidad, era necesario sacrificar a los dioses. Uno de ellos, Xlotl, hermano mellizo de Quetzalcatl, rehuyendo a su destino se escondi en la tierra transformndose inicialmente en maz, luego en maguey y final-mente en ajolote, cuyo nombre nhuatl es axolotl (Figura 1). Tal vez los mexicas, al conocer la capacidad regenerativa del ajolote, lo asociaran al Dios Xlotl y con ello a la inmortalidad (4, 5).

    Figura 1. El ajolote (Ambystoma mexicanum). Variantes criadas en cautiverio y usadas en la inves-tigacin de la biologa regenerativa.

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    capitulo XI Regeneracin

    Historia de la regeneracin

    El primero en realizar estudios cientficos sobre regeneracin fue Ren-Antoine Ramur en 1712. Ramur estudi la capacidad de los cangrejos de ro para re-generar sus extremidades. Existe registro, en la Academia de Ciencias de Pars, de los trabajos de Melchisedech Thevenot en 1686 y de Claude Perrault en 1688 sobre la regeneracin de la cola de la lagartija y de discusiones anecdticas, en 1690, sobre la regeneracin de los dedos en humanos.

    A partir de 1744, el estudio de la regeneracin adquiri notoriedad con los ex-perimentos de Abraham Trembley, quien tratando de descifrar si las hidras eran animales o plantas, realiz los primeros experimentos en zoologa. Para ello deci-di cortarlas (6). Si era planta, la hidra sera capaz de regenerar, si era animal no regenerara. Aunque en un principio, al observar un alto potencial de regene-racin, concluy que la hidra era una planta, observaciones ms cuidadosas le llevaron a afirmar que era un animal. Tambin demostr, que tras hacer cortes era posible generar organismos completos de sus pedazos y que al hacer cortes parciales de un organismo regenerante, podra generar una hidra con muchas cabezas (como el mitolgico monstruo griego). Los aportes de Trembley inclu-yen tambin las descripciones sobre la polaridad de la regeneracin, el proceso de cerrado de herida, la cantidad mnima de tejido necesaria para regenerar y la capacidad de reproduccin asexual de ciertos animales. En 1744, Charles Bonnet, influenciado por los descubrimientos de Ramur y Trembley, describi la capacidad regenerativa de las lombrices de tierra. En 1768, Lazzaro Spallanzani estudi la capacidad de regeneracin en gusanos acuticos, babosas, cara-coles, salamandras, renacuajos, ranas y sapos juveniles. Los experimentos de Spallanzani en vertebrados tuvieron un mayor impacto, ya que permitan espe-cular sobre la posible regeneracin en humanos (7).

    En 1823, John Todd analiz la participacin de los nervios en la regeneracin de la extremidad y de la cola de las salamandras (8). Sin embargo, sus descubri-mientos no adquirieron importancia sino hasta el siglo XX. A finales del siglo XIX y principios del XX, debido a la gran cantidad de informacin difusa sobre rege-neracin, Thomas Morgan se dio a la tarea de definir la regeneracin como el reemplazo de partes prdidas de un organismo, incluyendo el desarrollo de todo un organismo a partir de una de sus partes. Para ello, acu los concep-tos de morfalaxis y epimorfosis. Por un lado, Morgan (9) defini la morfalaxis como la recuperacin de parte o de todo el organismo a travs de la remode-lacin de los remanentes del propio organismo; por el otro, defini la epimorfosis como la recuperacin de parte o de todo el organismo a travs de la formacin de una estructura nueva que inclua un microambiente en la zona de dao; a esta estructura se le denominara posteriormente blastema (10).

    Durante la primera mitad del siglo XX, se refinaron las hiptesis sobre los meca-nismos celulares de la capacidad regenerativa en diferentes modelos animales.

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    CELULAS TRONCALES Y MEDICINA REGENERATIVA

    Sin embargo, fue hasta la segunda mitad del mismo siglo que dichas hiptesis se replantearon a la luz de las nuevas tcnicas de la Biologa molecular. Sin embar-go, las preguntas sobre la regeneracin son las mismas desde los planteamien-tos de Ramur en 1712.

    TABLA 1. LNEA DEL TIEMPO

    Ao Investigacin sobre regeneracin

    1686 Thevenot y Perrault demostraron por primera vez la regeneracin de la cola de la lagartija.

    1712 Ramur presenta evidencia emprica sobre la regeneracin de los cangrejos de ro.

    1744 Trembley demuestra la regeneracin en la hidra.

    1750 Bonnet confirma la regeneracin en gusanos.

    1768 Spallanzani estudia la capacidad de regeneracin de gusanos de tierra, urodelos y anuros. Sin saberlo fue el primero en describir la formacin de un blastema.

    1823 Todd descubre la funcin del sistema nervioso en la regeneracin de la extremidad de la salamandra.

    1844 Goodsir describe que en cada extremidad de los crustceos exista un cuerpo parecido a una glndula que proporcionaba los precursores de las futuras patas.

    1860 Ernst Haeckel y Richard Greeff realizan experimentos de regeneracin en organismos unicelulares.

    1885 Paul Frasse define las caractersticas celulares del proceso regenerativo. Trabaj con la epidermis, las glndulas y rganos subepidrmicos, el sistema esqueltico en vertebrados, el sistema nervioso, el muscular y el vascular.

    1891 Mortiz Nussbaum y Dietrich Barfurth demostraron en protozoarios que tanto el ncleo como el protoplasma eran necesarios para la regeneracin.

    1894 Gustav Wolff realiz los experimentos de la regeneracin del lente en el ojo de la salamandra. Mostr que ste regenera a partir del iris (no de la superficie del ectodermo que es de donde se desarrolla).

    1901 Morgan define la Regeneracin e introduce los trminos epimorfosis y morfalaxis.

    1911 Fritsch demuestra que la regeneracin se debe a la formacin de clulas del blastema indiferenciadas.

    1928 Godlewski proporciona evidencia sobre el origen epidrmico de las clulas del blastema.

    1930 Hellmich, siguiendo los trabajos de Collucci (1884), propuso que el origen celular del blastema era sanguneo.

    1933 Butler propuso que el blastema se formaba por la capacidad del mesodermo del mun a desdiferenciarse.

    1939 Weiss propuso que el origen celular del blastema era la existencia de reservas celulares, lo que implicaba la existencia de clulas indiferenciadas de tejido conjuntivo.

    1959 Georges Math realiz el primer trasplante de mdula sea.

    1961 Hay y Fischman confirman la funcin de la desdiferenciacin en la formacin del blastema mostrando la transicin de clulas msculares a clulas mononucleares.

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    capitulo XI Regeneracin

    DEFINIENDO EL FENMENO

    La regeneracin es un fenmeno biolgico que consiste en la restauracin o reemplazo de rganos o estructuras complejas, como la extremidad (Figura 2) e inclusive de organismos completos como la planaria, la hidra y la estrella de mar, a partir de fragmentos cuando los organismos han sido daados o amputados. Morgan (9) propuso dos estrategias distintas de regeneracin que enfatizaban los dos modelos ms estudiados hasta entonces. Por una parte, la amputacin de la extremidad de los anfibios urodelos (salamandras y tritones), lleva a la creacin de una estructura fcilmente vista llamada blastema que sugiri se formaba por la proliferacin de las clulas; a esta estrategia la llam epimorfosis. Por la otra, para l durante la regeneracin de la planaria, no era evidente la formacin de un blastema, pero s la plasticidad de todo el cuerpo para recuperar su morfo-loga. Es comn que cuando se corta en fragmentos pequeos a una planaria, se forman planarias de dimensiones parecidas a los fragmentos y no al tamao origi-nal. Morgan supuso que en la regeneracin de la planaria, la modificacin global del organismo para recuperar su morfologa era ms importante que la prolifera-cin celular; a este proceso lo llam morfalaxis. En la actualidad el uso de esta clasificacin se ha conservado, no obstante diversos autores (9, 11-14) apuntan que estos procesos no son excluyentes e incluso son complementarios durante la regeneracin. Por ejemplo: 1) si se afecta de manera importante la proliferacin como resultado de la denervacin, el blastema de las salamandras forma una extremidad ms pequea por reorganizacin de las clulas adyacentes como ocurre en la morfalaxis (12, 15); 2) en la planaria se forma un blastema en el sitio de corte como consecuencia de la proliferacin de los neoblastos (16); y 3) en la hidra dependiendo del nivel de amputacin o la estructura a regenerar se ha descrito que se opta por alguna de estas dos estrategias, o por las dos (12, 17).

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    CELULAS TRONCALES Y MEDICINA REGENERATIVA

    Figura 2. Regeneracin de la extremidad del ajolote. Seguimiento fotogrfico de la regeneracin de la extremidad del ajolote (A. mexicanum), a los 0, 10, 20, 30 y 60 das (d) post aumputacin.

    En trminos generales en este captulo consideramos que la regeneracin puede ocurrir a travs de 4 mecanismos (18), aunque estos pueden ocurrir al mismo tiempo en distintas especies:

    La regeneracin mediada por clulas troncales. Uno de los ejemplos mejor estudiados es el que ocurre en la mdula sea, que es la encargada del reem-plazo incesante de las clulas sanguneas (Captulo IV). Este mecanismo, tam-bin es observado durante el reemplazo del epitelio intestinal o de la epidermis y la formacin de los tejidos ocurre debido a que las clulas troncales residentes del tejido reciben seales que les indican que deben iniciar el programa de di-ferenciacin celular (Captulo VII).

    Epimorfosis. El trmino acuado por Morgan se ha extendido y actualmente se refiere a la formacin de un tejido adulto a partir de una estructura com-puesta de clulas indiferenciadas que da origen a una nueva estructura. Esta estructura es llamada blastema y se ha especulado que este se forma a partir de la desdiferenciacin de las clulas de los tejidos residentes y/o bien a partir de clulas indiferenciadas y/o clulas troncales. Otra de las caractersticas de este proceso es la proliferacin celular. Existen dos ejemplos muy claros de este tipo de regeneracin; la amputacin de las extremidades de ajolotes y la rege-neracin de las planarias (Figura 3a y 3b).

    Morfalaxis. Este proceso, se caracteriza porque la regeneracin ocurre a partir de una reorganizacin de los tejidos existentes, donde la proliferacin celular es

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    capitulo XI Regeneracin

    muy reducida o nula. El mejor ejemplo de este tipo de regeneracin es la que lle-va a cabo la hidra (Figura 3c). Este organismo es capaz de regenerarse por com-pleto a partir de un fragmento de tejido y el organismo formado es exactamente igual al organismo de origen, pero reducido en tamao. Sin embargo, despus de la regeneracin el organismo crece hasta alcanzar su tamao original.

    Regeneracin compensatoria. En este proceso ocurre la proliferacin de las clulas diferenciadas para restaurar el tamao original del rgano daado. Has-ta ahora no se ha observado que las clulas que proliferan se originen de clu-las troncales o de un blastema. El mejor ejemplo de este tipo de regeneracin se lleva a cabo en el hgado.

    En cualquiera de los casos, es importante resaltar que las clulas a partir de las cuales ocurrir la regeneracin son capaces de identificar su posicin y de restablecer el patrn espacial de los tejidos formados, adems resulta intere-sante que las clulas indiferenciadas no slo se rediferencian en los tejidos, sino que adems adquieren la forma adecuada que permite la funcionalidad de la estructura regenerada, este proceso se llama morfognesis (19).

    Figura 3. Epimorfosis y morfalaxis. La regeneracin de la extremidad del ajolote (a) y de la plana-ria (b) estn mediadas por la proliferacin celular y formacin de un blastema en el sitio de corte, por lo que son considerados procesos epimrficos. En el caso del ajolote, las clulas provienen de los tejidos adyacentes, mientras que los neoblastos son la principal fuente celular en la planaria. Por otro lado, en las hidras (c), la amputacin del pie y/o la decapitacin no forman blastemas y no hay proliferacin en los sitios de corte, las clulas en los sitios de corte forman las estructuras a regenerar por procesos morfalxicos. Pero en el caso de que el corte fuese a la mitad del cuerpo, donde proliferan activamente las clulas troncales intersticiales, el proceso se vuelve epimrfico.

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    CELULAS TRONCALES Y MEDICINA REGENERATIVA

    La regeneracin mediada por clulas troncales.

    En este proceso es importante la presencia de un nicho de clulas troncales, uno de los ms conocidos, el hematopoytico, se explica en el captulo VII. El epitelio intestinal, es otro de los ejemplos mejor conocidos en los que el recam-bio se lleva a cabo a partir de la activacin de las clulas troncales que residen en las criptas. Las clulas troncales no entran inmediatamente al programa de diferenciacin, antes llevan a cabo una amplificacin transitoria que da origen a las clulas precursoras. Mientras ocurre la proliferacin, las clulas de la base de las criptas migran hacia su parte superior en donde inicia su diferenciacin (20). La sealizacin a travs de la va WNT, tiene una funcin muy importante en este proceso de diferenciacin. Si la seal se reduce o elimina, el comparti-mento de clulas troncales se pierde y, por el contrario, al sobre activar la sea-lizacin WNT la poblacin de clulas troncales se incrementa; este proceso est asociado a la generacin de tumores (21-23). Por lo tanto, para mantener la homeostasis del epitelio intestinal, existen seales que contrarrestan los efectos de la sealizacin WNT y promueven la diferenciacin del epitelio intestinal.

    La sealizacin WNT es una ruta bastante conservada en la evolucin, se caracteriza por la presencia de ligandos WNT que se unen a receptores tipo Frizzled, al interactuar activan la protena -catenina promoviendo su liberacin de un complejo que la lleva a degradacin (23, 24). La -catenina activada regula positivamente la transcripcin de una gran variedad de genes.

    Regeneracin por epimorfosis

    Regeneracin de planarias.

    La planarias son gusanos planos, no segmentados del filum de los Platyhelmintos, con una porcin ceflica identificable con dos manchas oculares en la parte dor-sal, una porcin central con una abertura ventral y una faringe dilatable y la cola en la porcin posterior. Tienen gran capacidad de regenerar segmentos o la to-talidad de su cuerpo, capacidad que es usada como una estrategia de repro-duccin asexual al auto-segmentarse (25). Durante la regeneracin, las planarias forman una estructura especializada o blastema en el sitio de dao. Este blastema surge a consecuencia de la proliferacin de una poblacin de clulas troncales pluripotentes llamadas neoblastos (16, 26). A partir de esta estructura, todos los tejidos que se perdieron por la amputacin inician su formacin (27) (Figura 3b).

    Uno de los aspectos ms sobresalientes del estudio de la regeneracin de las planarias es que los fragmentos que son capaces de regenerar lo hacen estable-ciendo los distintos ejes de simetra, de manera que el organismo regenera de ma-nera correcta (25). El fragmento del animal que se cort hacia la regin anterior es capaz de formar una cabeza con mucha mayor frecuencia que lo que lo hace un fragmento cortado hacia la regin posterior (asociado a la regeneracin de la

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    capitulo XI Regeneracin

    cola). Esto sugiere la existencia de gradientes de sealizacin que le confieren la polaridad antero-posterior al fragmento en regeneracin. Se ha descrito que la se-alizacin WNT es sumamente importante para establecer esta polaridad antero-posterior. Una disminucin gradual de la sealizacin WNT o su ausencia lleva a la generacin de individuos sin cola, con dos cabezas y dos faringes o con dos cabe-zas y faringes desorganizadas; la forma ms severa de alteracin en la polaridad es una planaria con una gran cabeza con una simetra tipo radial (25, 28, 29).

    Regeneracin de extremidades de urodelos

    Los anfibios del orden de los urodelos como las salamandras, tritones y el ajolote Ambystoma mexicanum (Figura 1), poseen un potencial regenerativo envidia-ble dentro de los vertebrados ya que son capaces de regenerar la cola, el ojo, la mandbula, varios rganos internos y, en particular, estructuras tan comple-jas como la extremidad (Figura 2), que muestra paralelismos con el desarrollo embrionario (30). Vertebrados como las aves, los reptiles y los mamferos care-cen de la capacidad de regenerar sus extremidades, y en los anfibios anuros la capacidad de regenerar sus extremidades se pierde una vez que los animales salen de su etapa larvaria (asociado a cambios en los sistemas inmunolgico, seo y endocrino). Al ser amputada una extremidad del ajolote, ocurren varios procesos celulares que culminan con la regeneracin completa de todas las estructuras de la extremidad (19) (Figura 3a). En primer lugar ocurre la repara-cin de la herida, que es un proceso bastante rpido en el que se incluye una gran remodelacin de la matriz extracelular. En mamferos, que carecen de la capacidad de regenerar la extremidad, tambin se lleva a cabo el proceso de cerrado de herida, sin embargo, a diferencia de los urodelos existe una respues-ta inflamatoria que conlleva a la formacin de una cicatriz (31, 32).

    Posterior al cerrado de la herida se forman dos estructuras que promueven la regeneracin de la extremidad; 1) el blastema que se forma entre el epitelio que cierra la herida y el tejido del mun y 2) la Capa Epidrmica Apical (AEC por sus siglas en ingls) que se forma por debajo del epitelio que cubre la herida (18, 19). El blastema ha sido considerado como un grupo heterogneo de clulas que conservan su memoria posicional y cuyo origen, es el tejido cercano a la herida que se ha desdiferenciado hacia un estado pluripotencial, a partir de la cual pue-den regenerarse todas las estructuras de la extremidad (33). Sin embargo, an no se ha logrado establecer si el blastema alberga clulas troncales. Recientemente se report que las extremidades en regeneracin de salamandra expresan mar-cadores de clulas pluripotenciales como Nanog, Sox2 y Klf4 (CaptuloXIII).

    Una vez que la extremidad amputada ha cerrado la herida y formado el blas-tema ocurren muchos procesos que llevan a la morfognesis de la extremidad y el establecimiento de los patrones de manera similar a lo que ocurre durante la forma-cin de la extremidad embrionaria. En la extremidad en regeneracin, se observa

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    CELULAS TRONCALES Y MEDICINA REGENERATIVA

    que las clulas indiferenciadas dentro del blastema responden a las seales espec-ficas que inducen la formacin de los distintos linajes celulares, que dan origen a los distintos tejidos de la extremidad con una organizacin espacio-temporal que lleva al desarrollo correcto y funcional de la extremidad. Este ltimo proceso depende de la AEC la cual es muy similar a la cresta ectodrmica apical que se forma en el primordio de la extremidad embrionaria. La regeneracin de la extremidad puede bloquearse si en algn momento del proceso estas estructuras (epitelio de cierre de herida, blastema y la AEC) son eliminadas. Hay reportes que sugieren una partici-pacin importante de la sealizacin WNT en la regeneracin de las extremidades (34, 35). Si se bloquea la sealizacin de WNT en extremidades en regeneracin, sta se inhibe, mientras que si se activa, se promueve. Por ejemplo, si se bloquea la seal WNT en extremidades de ajolotes durante la regeneracin, esta es inhibida, mientras que si se activa en la rana africana Xenopus laevis, se promueve la regene-racin de las extremidades incluso en etapas en las que normalmente no regenera.

    Es importante resaltar que las extremidades en regeneracin normalmente recuperan las partes faltantes. Sin embargo, el uso de frmacos que inhiben o sobre activan los gradientes de sealizacin generan anomalas en el proceso de regeneracin. Por ejemplo, un exceso de cido retinoico es capaz de indu-cir la regeneracin de una extremidad completa sin importar el nivel al que se corta, generando una duplicacin prximo-distal.

    Otro de los factores que se ha considerado en el estudio de la regeneracin es la innervacin, ya que se sabe que los factores neurotrficos son capaces de estimular la expresin de genes implicados en ella (36, 37).

    Regeneracin de las aletas de peces.

    A diferencia de la extremidad de los urodelos, las aletas de los peces son mucho ms simples y carecen de musculatura. Esta relativa simplicidad permite rege-nerar completamente las estructuras prdidas en menos de dos semanas (38). El componente principal de las aletas son los radios espinales, de los cuales se forman blastemas independientes en el sitio de corte durante la regeneracin. Particularmente, el blastema del pez cebra se divide en dos subpoblaciones fun-cionalmente distintas. La primera subpoblacion corresponde al blastema distal, que prolifera lentamente y se cree dirige el crecimiento regenerativo, mientras que la segunda subpoblacin corresponde al blastema proximal que prolifera rpidamente (39). No se ha reportado hasta la fecha, algn estudio que sugie-ra el origen de las clulas que forman el blastema durante la regeneracin de la aleta, pero la evidencia apoya la hiptesis de que el blastema se forma por desdiferenciacin de las clulas presentes como ocurren con el ajolote. El pro-ceso de regeneracin en la aleta del pez cebra difiere de la regeneracin de la extremidad en otros vertebrados, en que el proceso de cerrado de herida slo implica la migracin celular, este proceso dura menos de dos das y est regu-

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    capitulo XI Regeneracin

    lado por la sobre expresin de molculas de las que resaltan algunos miembros de la familia WNT. Si la sealizacin WNT/ -catenina se altera en las primeras 6 horas de amputacin, el epitelio que cubre la herida no se desarrollar de ma-nera correcta (40). Se sabe que la expresin diferencial de WNT a lo largo del eje prximo-distal participa en la formacin del blastema, en la proliferacin celular y en el crecimiento adecuado de la aleta al regular la expresin de genes y la activacin de otras rutas de sealizacin (40, 41).

    Regeneracin por morfalaxis

    Regeneracin de hidras.

    Las hidras son cnidarios del grupo de los hidrozoos, y al igual que los ajolotes lle-gan a la madurez sexual manteniendo caractersticas fsicas juveniles. Su cuerpo se divide en tres segmentos: en la base del cuerpo est el disco basal o pie con el que se aferran a algn sustrato, el cuerpo columnar en el que se ubica el in-testino y la cabeza donde se encuentra el hipostoma que contiene una boca primitiva y los tentculos motiles. La distribucin y diferenciacin de las clulas es-tn determinadas por la constante divisin de clulas troncales en el cuerpo co-lumnar (Figura 3c), por una migracin activa y un desplazamiento pasivo de las clulas hacia los dos polos (cabeza-pie) (12, 17, 42). Dentro del cuerpo columnar de la hidra hay tres poblaciones celulares que cumplen los criterios de troncali-dad: las clulas troncales intersticiales -con gran capacidad mittica-, las clu-las troncales endodermales y las clulas troncales ectodermales con una menor capacidad mittica (42). Durante la regeneracin de la cabeza de la hidra no hay proliferacin celular evidente, las clulas endodermales en el sitio de corte pasan por un estado transitorio donde pierden sus uniones y su polaridad apical-basal, adquiriendo una morfologa redonda y desorganizada semejante a un blastema. Despus las clulas recuperan su polaridad y cambian su morfologa para regenerar las estructuras de la cabeza por el mecanismo de morfalaxis. Sin embargo, si el corte se realiza a la mitad de cuerpo columnar se lleva a cabo la regeneracin de la cabeza por un mecanismo epimrfico (17, 42). Esta diferen-cia en el proceso de regeneracin de la cabeza dependiente del nivel de corte se ha asociado a dos cosas: 1) la presencia de un morfgeno que regula la po-laridad antero-posterior y 2) los niveles de apoptosis. En la regeneracin del pie, por otra parte, las clulas ms basales al sitio de corte adquieren la identidad de disco basal. En este caso la regeneracin depende nicamente de la prolifera-cin de las clulas troncales y su migracin activa y pasiva (43).

    La regeneracin de la hidra es tambin un excelente modelo para estudiar la formacin de los patrones espaciales. Se sabe que en la cabeza, existe un cen-tro organizador o morfgeno que emite una seal de WNT que promueve su for-macin (17, 42). Tras una decapitacin, WNT inicia su expresin a los 15 minutos y mantiene su expresin hasta que termina el proceso. Su expresin mantiene

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    CELULAS TRONCALES Y MEDICINA REGENERATIVA

    la regeneracin, regula la correcta formacin de los ejes y brinda las seales necesarias para activar el programa regenerativo y no limitarse a un simple ce-rrado de herida. Existe otra seal proveniente de la parte inferior del cuerpo que es capaz de inhibir la formacin de la cabeza.

    Regeneracin compensatoria

    Regeneracin del hgado.

    El hgado es el nico rgano de mamferos con una gran capacidad regenerativa, se sabe que es capaz de recuperarse aun despus de la eliminacin de un 70% de su masa tisular. En humanos este proceso ocurre en un lapso de tiempo de 3 a 6 meses (18), lo que refleja la importancia del hgado como un rgano vital en el metabolismo del individuo. La prdida del tejido heptico puede ocurrir por mu-chas causas, pero una de las principales se debe a la muerte celular provocada por la ingesta de toxinas o por infecciones virales. El tipo celular ms abundante del hgado es el hepatocito, que inicia su ciclo celular una vez que comienza la regeneracin (44). Es importante resaltar que en este proceso los hepatocitos no se desdiferencian. Los hepatocitos son el primer linaje celular que prolifera en el pro-ceso de regeneracin; posteriormente lo harn los otros tipos celulares residentes del hgado. Se ha establecido que en la regeneracin del hgado podran partici-par clulas progenitoras residentes, probablemente, en los canales de Hering en el rbol biliar, llamadas clulas ovales. Por un lado, se ha observado que estas clulas progenitoras se diferencian hacia hepatocitos. Por otro, se ha observado que en el hgado en regeneracin, los hepatocitos son capaces de transdiferenciarse hacia clulas epiteliales biliares en condiciones en las que estas clulas no seran capaces de proliferar, o cuando esta capacidad est limitada por factores externos (44).

    Resulta interesante mencionar que la arquitectura correcta del hgado no se lleva a cabo hasta finalizar el proceso de la regeneracin, momento en el cual se restablece toda la organizacin de los hepatocitos, las clulas de Kuppfer, las clulas del epitelio biliar y los endotelios.

    En la regeneracin heptica se sabe que participa la ruta WNT. Esta promueve la diferenciacin de las clulas progenitoras ovales hacia hepatocitos. En ausen-cia de WNT, las clulas ovales se diferencian hacia clulas del epitelio biliar (24, 45).

    OTROS MODELOS DE REGENERACIN

    Regeneracin de la punta de los dedos en mamferos

    Un modelo que ha planteado dudas acerca de la regeneracin en mamferos, es la regeneracin de la punta del dedo de ratones perinatales (46). Cuando se corta la falange terminal del dgito de las extremidades de ratones de hasta 3

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    capitulo XI Regeneracin

    semanas de nacidos se ha observado que regeneran (Figura 4). Aunque el pro-ceso de regeneracin en la falange terminal del dgito generar una falange nueva, esta tendr una forma de gancho y ser ms corta (Figura 4K, 4L, 4O y 4P). La regeneracin de la falange terminal implica un proceso dual de osifica-cin (mientras que la parte que queda prxima a falange medial inicia un pro-ceso de osificacin endocondral, la parte ms distal inicia un proceso de osifica-cin directa). De manera general, en la regeneracin del dgito, la mdula sea se transforma en tejido seo (Figura 4H 4L y 4P). Se ha sugerido, sin demostrarse, que la regeneracin del dgito se debe a la existencia de clulas troncales en la regin ungueal (zona de formacin de la ua) (Figura 4B 4F y 4H). Por lo tanto, se hace relevante determinar la presencia de clulas troncales en la punta de los dedos de animales en edades con capacidad regenerativa y compararlos con animales que han perdido esta capacidad, ya sea por su edad o por que la amputacin se realiza en una zona diferente a la falange terminal.

    La capacidad regenerativa de la punta del dedo disminuye mientras ms proximal sea el nivel de la amputacin. Cortar la cuarta parte ms distal de la ltima falange conlleva a una adecuada regeneracin, cortes en la mitad de la falange afecta importantemente la capacidad regenerativa y amputacio-nes ms proximales no pueden recuperarse. Este proceso de regeneracin se cree que es parecido a los urodelos, mediado por la creacin de un blastema formado de clulas de origen mesenquimal, principalmente de los fibroblastos en el tejido conjuntivo. El origen exacto de las clulas que forman el blastema y su naturaleza se desconoce. Pocos laboratorios en el mundo han desarrollado estrategias para encontrar la identidad celular del blastema. Un estudio com-parativo entre distintas cepas de ratones, mostr que la cepa MRL posee un ma-yor potencial regenerativo que otras cepas. Dicha capacidad, es parecida a la mostrada en anfibios (47). Esto alienta la idea de que al entender semejanzas y diferencias entre mamferos y anfibios se pueda mejorar la capacidad regene-rativa en roedores y en ltima instancia, en humanos (46).

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    CELULAS TRONCALES Y MEDICINA REGENERATIVA

    Figura 4. Regeneracin del dgito de ratn. (A) Vista ventral de la pata posterior del ratn. Tincin de esqueleto con azul alciano y rojo alizarina. Se muestra la identidad de los dgitos (1-5) en el eje antero-posterior. La falange terminal (f.t.) tiene forma de garra y se embebe en la ua. (B) Vista sagital del dgito en el da 11 posnatal. Tincin tricrmica de Masson donde se aprecian: (m.u.) matriz ungueal, (f.m.) falange medial, (f.t.) falange terminal, (c.) cojinete y (u.) ua. (C) Vista sagital del dgito am-putado a nivel distal. La amputacin se realiz a la mitad de la falange terminal eliminando la regin correspondiente de la ua y un pedazo del cojinete del dedo (este incluye la epidermis, dermis y gln-dulas). La matriz ungueal quedo intacta. (D) Secuencia temporal de regeneracin. Se obtuvieron los dedos 2 (control) y 3 (amputado) a los 7, 25, y 35 das post amputacin (pa). La amputacin del dedo 3 se realiz el da 11 post natal. El proceso de regeneracin del dgito de ratn dura aproxima-damente 30 das. A los 7 das post amputacin el dedo 3 (G-H vs E-F) esta inflamado, lo que queda de la f.t. est en un proceso de osificacin endocondral y el cojinete ha desaparecido. En el dgito re-generante, la mdula sea (m.o.) se transforma en tejido seo (t.o.) (L-P). A lo largo de la f.t. del dgito regenerante se observan islotes de hueso que se est separando. El cojinete, que se ha perdido en la amputacin, no se recupera durante el proceso de regeneracin (H, L, P). Durante la regeneracin, la f.t. adquiere una forma de gancho (L,P), es ms gruesa que la del control (J, N) y su longitud es menor. Barras de escala: (A) 1 mm, (M) 228 mm y (E, F, G, H, I, J, K, L, N, O, P) 200 mm.

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    capitulo XI Regeneracin

    Regeneracin de las astas

    Las astas de los crvidos (renos, venados, alces) son un modelo interesante de regeneracin (48), ya que anualmente producen un par de nuevas astas a par-tir de protrusiones en el crneo llamadas pedculos, esto en respuesta a picos de testosterona temporales. La capacidad para regenerar las astas reside en el periosteo frontal del pedculo, tambin llamado periosteo asterognico (AP). La evidencia experimental sugiere que existe una poblacin de clulas troncales dentro del AP responsables de la regeneracin de tejidos mesoblsticos en las astas (msculo liso, cartlago, vasculatura y dermis). Aunque este proceso no est descrito a profundidad se presume que ocurre por epimorfosis.

    Regeneracin en otros organismos

    Los organismos que se reproducen asexualmente, por medio de la fragmenta-cin mantienen una gran capacidad regenerativa (49). Los gusanos anlidos del gnero Enquitraeus pueden auto-segmentarse y formar hasta 10 organis-mos independientes en dos semanas (50). La recuperacin de los segmentos, perdidos durante la autotoma (proceso de auto-segmentacin), surge a partir de la formacin de un blastema en la parte ms anterior para formar la cabeza y otro posterior para la cola, la regeneracin de los segmentos intermedios se da por la morfalaxis de los anillos originales. Al igual que en la planaria, el blastema de estos gusanos anlidos se forma por la accin de neoblastos y adems, por la desdiferenciacin de clulas intestinales y epiteliales (50).

    Tambin se ha sugerido, la accin de clulas troncales multipotentes en otros organismos con gran capacidad regenerativa como los equinodermos: lirios de mar, erizos de mar, estrellas de mar, as como en los protocordados ascidias (51-55). Sin embargo, la falta de herramientas moleculares dificultan su estudio.

    EVOLUCIN Y REGENERACIN

    Una de las preguntas que surge del estudio de la regeneracin se refiere a la aparicin del proceso en la evolucin de los organismos. Dicha pregunta se plante incluso antes de los postulados de adaptacin natural y evolucin de Lamarck y Darwin con las descripciones de Ramur, Trembley, Bonnet y Spallan-zani, al percatarse que incluso en animales parecidos variaba la capacidad regenerativa (Figura 5). Asimismo, los pioneros en el estudio cientfico de la rege-neracin se percataron de la importancia de otros factores, por ejemplo medio ambientales (la disposicin del alimento, el ciclo de muda de exoesqueleto y la propensin de las extremidades a ser amputados). Aunque el debate fue deses-timado por Morgan (9), la necesidad de proponer argumentos slidos inici dos tipos de estudios: los ecolgicos y los evolutivos. Se empez a investigar sobre fe-

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    CELULAS TRONCALES Y MEDICINA REGENERATIVA

    nmenos indirectos de la regeneracin: el xito reproductivo, la sobrevivencia, el costo de regenerar y el costo de no regenerar (10, 56).

    Se ha considerado a la regeneracin, como un proceso evolutivamente con-servado que sera el mismo o muy parecido entre todas las especies y que invo-lucrara mecanismos conservados del mantenimiento de la homeostasis de los tejidos (12, 17, 49, 57, 58). Bely (57) ha propuesto analizar la regeneracin com-parando el cerrado de herida, la formacin de una zona inductora, la formacin de un blastema y la consolidacin del mismo en distintas especies. El sugiere con-siderar la regeneracin como un proceso conservado a lo largo del rbol filoge-ntico y que se perdi en distintas especies por presiones ambientales (Figura 5).

    Ya desde el siglo XVIII se saba sobre las posibles alteraciones en la extremidad regenerada, sin embargo, no se haban desarrollado investigaciones sobre la in-fluencia de la regeneracin en el desempeo del propio organismo en su medio ambiente. Los estudios ecolgicos se han centrado en la evaluacin de las ventajas evolutivas que representa para un organismo regenerar, se han utilizado dos estrate-gias; comparar organismos que no regeneran contra organismos que si regeneran y comparar organismos que se auto-amputan y regeneran contra organismos que se auto-amputan y no regeneran. Aunque la amputacin de la extremidad impli-ca una ventaja inmediata ya que podra sobrevivir al escapar de un depredador, durante el proceso de reparacin del tejido se tendran consecuencias en la loco-mocin, forrajeo, reproduccin (fecundidad, conducta de apareamiento), creci-miento y tener consecuencias metablicas, alterando as la sobrevivencia (56, 58).

    A nivel molecular, es sobresaliente la identificacin de rutas de sealizacin comunes que han aparecido con la evolucin de los metazoarios. En este ca-ptulo nos hemos enfocado principalmente a la sealizacin WNT, aunque sta no es la nica ni la ms importante, pero su participacin en el desarrollo y en la regeneracin es innegable. Por lo tanto, cabra preguntarse si el proceso de regeneracin y los procesos de diferenciacin celular, establecimiento de pa-trones y polaridad que ocurren en los embriones de los metazoarios durante su desarrollo, as como la homeostasis de los tejidos adultos tienen algo en comn. De igual manera hay que resaltar que esta misma sealizacin, es muy impor-tante en la generacin de tumores y stos principalmente se forman porque las clulas troncales son las afectadas.

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    capitulo XI Regeneracin

    Figura 5. Evolucin de la regeneracin. rbol filogentico que muestra organismos con capaci-dades regenerativas. Note que la capacidad regenerativa disminuye mientras ms complejo es el organismo (representado por el degradado).

    MEDICINA REGENERATIVA

    Una de las metas de la medicina regenerativa es el aplicar el conocimiento ob-tenido sobre el estudio de los distintos modelos animales, para el tratamiento de enfermedades degenerativas y en el mejor de los casos inducir la regeneracin de tejidos y rganos. De los aspectos ms importantes que se debe tener en mente, es que las clulas a partir de las cuales ocurrir la regeneracin deben ser capaces de identificar su posicin y de restablecer el patrn espacial de los tejidos formados.

    Existen dos alternativas para el tratamiento de enfermedades crnico-de-generativas. Una primera, enfocada principalmente a la terapia celular, al ha-cer uso de las clulas troncales directamente. Sin embargo, se debe tener en cuenta que estas clulas, tienen la capacidad de autorrenovacin y presentan divisin celular asimtrica, de manera que si en el tejido hospedero, las clulas troncales no son capaces de diferenciarse en el tipo celular correcto, se corre el peligro de que esta poblacin se mantenga en su estado troncal con una alta probabilidad de generar tumores. Por lo tanto, debe considerase como alternativa el inducir la diferenciacin celular hacia un linaje especfico a partir de las clulas troncales, y mantener este estado diferenciado. Esta estrategia, en principio evitara la formacin de tumores, por lo que el reto importante, es el que se logre la integracin de la poblacin celular diferenciada. Una segunda alternativa que se debe considerar, y en la que actualmente se estn desarro-llando investigaciones en este campo, es la creacin de rganos completos

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    in vitro, a partir de controlar la diferenciacin celular y morfognesis del rgano formado. Finalmente, uno de los retos ms importantes, es lograr inducir la rege-neracin de estructuras completas con el uso de pequeas molculas que ac-tan como agonistas o antagonistas de distintas rutas de sealizacin. Un reto importante de la medicina regenerativa es lograr inducir la regeneracin de las extremidades en humanos de manera similar a como ocurren en los urodelos.

    Por otro lado, es importante tener en cuenta de que para lograr tratamien-tos exitosos no es suficiente con inducir la diferenciacin celular correcta de los tejidos, sino que es necesario que las clulas logren generar la organizacin tridimensional correcta en el tejido hospedero, evento que favorecer la funcio-nalidad del tejido u rgano.

    Conclusiones

    Desde la antigedad, el humano se ha interesado en el proceso de la regene-racin, probablemente por el deseo de recuperar estructuras del cuerpo prdi-das por alguna lesin o enfermedad. El estudio de la regeneracin, ha llevado considerar a proceso como un mecanismos molecular evolutivamente con-servado. Para fines de estudio, podemos decir que la regeneracin ocurre por 4 mecanismos: I) la regeneracin mediada por clulas troncales residentes. II) La epimorfosis caracterizada por la formacin de un blastema, III) La morfalaxis, en la cual el tejido restante se reorganiza para reconstruir la morfologa original y IV) la regeneracin compensatoria, que se enfoca en la recuperacin de la funcin, y no de la forma, mediante la proliferacin y restauracin de la masa tisular funcional. El conocimiento generado a partir de los estudios bsicos en modelos animales, permite generar la expectativa que en un futuro la Medicina Regenerativa logre avances importantes y proponga pensar en la restauracin o reemplazo de tejidos, rganos o estructuras complejas en los humanos.

    Agradecimientos

    Los autores quieren agradecer el apoyo bibliogrfico a la Lic. Luca Brito. Este trabajo fue apoyado por los financiamientos del CONACYT No 53484 y por PA-PIIT-DGAPA No IN220808. Donavan Correa Gallegos recibi beca por parte del Observatorio de Visualizacin Ixtli de la UNAM y la Red FARMED del CONACYT. Claudio Ivn Galvn Hernndez recibi beca por parte de la Fundacin Lorena Alejandra Gallardo, i.a.p. y la Red FARMED del CONACYT.

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