Todos hemos aprendido en la escuela y el instituto que los seres vivos nos desarrollamos a partir de una única célula, un embrión unicelular, tras la fecundación de un óvulo por parte de un espermatozoide. Este embrión unicelular empieza a dividirse (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128….) hasta que la pelotita de células en la que se convierte (el blastocisto) llega al útero o matriz de la hembra donde se implanta y prosigue su desarrollo embrionario y fetal, hasta completar la gestación. Entonces, tras el parto, nace un nuevo ser vivo, tan complejo como cualquiera de nosotros, con más de 200 tipos de células distintos. De todo este proceso las fases que todavía no conocemos en detalle son las primeras etapas, del embrión antes de implantarse (preimplantación) y poco después de implantarse en el útero de la hembra (postimplantación), donde se recubre por diversas membranas hasta formar una estructura que albergará el embrión en desarrollo y la placenta, que lo nutrirá mientras crece. El final de la fase de preimplantación junto el principio de la fase de postimplantación reciben el nombre de la gase peri-implantatoria o de periimplantación. Desconocemos especialmente estas fases porque ocurren mayoritariamente fuera del alcance de los investigadores, dentro del útero de la hembra. Conocer mejor estas fases primeras del desarrollo de los embriones podría ayudar a entender porque a veces fallan las implantaciones de los embriones humanos en las clínicas de reproducción asistida, sin una razón aparente.
El reto fundamental en biología sigue siendo llegar a comprender cómo se desarrolla un organismo vivo y tan complejo como cualquiera de nosotros a partir de una sola célula. Entender cómo van apareciendo a lo largo del desarrollo embrionario centenares de tipos celulares diferentes a partir de un solo embrión unicelular, que es el producto de la fecundación de un óvulo por un espermatozoide. Para responder a estas preguntas podemos asistir como testigos al desarrollo de otros animales, como el pez cebra, cuyos embriones se desarrollan externamente, dentro de huevos transparentes que permiten ver todo lo que ocurre en su interior. Sin embargo, para mamíferos, como nosotros, es mucho más difícil, dado que el embrión se implanta en el útero de las hembras y se desarrolla dentro de estructuras anatómicas difícilmente visibles y accesibles. Nuestra capacidad para observar en detalle, directamente, lo que ocurre durante el desarrollo de un embrión de mamífero se limita a las etapas iniciales, previas a la implantación del embrión en el útero.
Por otra parte hemos asumido que para obtener embriones de un animal estos deben generarse de forma natural, fecundando óvulos con espermatozoides, bien sea de forma natural o mediante una fecundación in vitro, como habitualmente realizan las clínicas de reproducción asistida. La oveja Dolly nos mostró un atajo hace más de 25 años, cuando los investigadores del Instituto Roslin de Edimburgo reconstruyeron un embrión de oveja unicelular a partir de un óvulo no fertilizado al que vaciaron de su material genético y en el que insertaron un núcleo de una célula somática, del cuerpo de otra oveja. Esta es una técnica, llamada «transferencia nuclear de células somáticas» (popularmente conocida como «clonación») que es muy poco eficiente pero ha generado grandes éxitos en la generación de cerdos y vacas clonadas, a partir de células. Pero en todos estos casos, para que el embrión progresará más allá de las primeras divisiones celulares, que pueden observarse en el laboratorio, había que implantar estos embriones en el útero de la hembra de la especie en cuestión, para que continuarán su desarrollo embrionario.
¿Qué os parecería si os dijera que es posible obtener embriones de mamífero sin la necesidad de utilizar ni óvulos, ni espermatozoides, y tampoco sin necesitar implantar el embrión en ningún útero de ninguna hembra? Parece ciencia ficción pero no lo es. Dos laboratorios, de forma independiente, han demostrado que es posible generar unas estructuras que se parecen mucho a los embriones, sin serlo, solamente a partir de la mezcla de diferentes tipos de células troncales pluripotentes embrionarias (células madre embrionarias), gracias al desarrollo de un dispositivo que permite el desarrollo extrauterino, en el laboratorio, de estas estructuras, llamadas «embriones sintéticos«, en contraposición a los «embriones naturales«, derivados de la fecundación de un óvulo por un espermatozoide e implantados en el útero de la hembra.
Esto es lo que han conseguido el laboratorio de Jacob Hanna y el laboratorio de Magdalena Zernicka-Goetz, publicando sus resultados en las revistas Cell y Nature, respectivamente.
Este es el reto que se planteó el laboratorio del investigador palestino Jacob Hanna (del Instituto Weizmann, Israel) y los resultados de sus estudios los publicó en la prestigiosa revista Cell. En ellos este investigador mezcló tres tipos de células troncales pluripotentes embrionarias de ratón (ESC, del inglés Embryonic Stem Cells): células ESC intactas, células ESC que expresaban el gen Cdx2 y células ESC que expresaban el gen Gata4. El gen Cdx2 es capaz de inducir la aparición del trofectodermo, las células a partir de las cuales se desarrolla la placenta y otros tejidos extraembrionarios necesarios para el crecimiento y desarrollo del embrión de ratónb. El gen Gata4 es capaz de inducir la aparición del endodermo primitivo, a partir del cual puede desarrollarse el futuro embrión de ratón. Mezclando estos tres tipos de células ESC y dejándolas que se agreguen y organicen espontáneamente en un dispositivo preparado para sustentar el desarrollo extrauterino, en el laboratorio, de estas células es posible (con muy baja frecuencia de éxito) obtener unas estructuras muy parecidas a los embriones naturales de ratón, pero que no son embriones como tales, que son los llamados embriones sintéticos.
Este es el reto que también se planteó el laboratorio de Magdalena Zernicka-Goetz (en sus dos sedes, en la Universidad de Cambridge, Reino Unido, y en Caltech, CA, EE.UU.) y cuyos resultados ahora expone en su artículo publicado en la revista Nature. Ella ha conseguido reproducir las fases iniciales del desarrollo de un embrión de mamífero, de un ratón, en el laboratorio, sin necesitar la participación de una hembra a la que implantar ese embrión. Y también lo ha conseguido sin necesidad de recurrir a la fecundación de un óvulo por un espermatozoide. En su lugar, estos investigadores han utilizado varios tipos de células troncales pluripotentes embrionarias (células madre embrionarias, ESC), algo diferentes de las usadas por el laboratorio de Jacob Hanna, pero esencialmente con el mismo fin. La oportuna mezcla de estas células madre embrionarias, progenitoras de tejidos extraembrionarios y del propio embrión, da lugar a una nueva estructura biológica que se parece mucho a un embrión natural, sin serlo. Son nuevamente los embriones sintéticos, desarrollados íntegramente en el laboratorio.
Para el desarrollo extrauterino de estos embriones sintéticos el laboratorio de Zernicka en Caltech (California, EEUU) ha usado un dispositivo, un incubador artificial que permite simular las condiciones fisiológicas que existen en el útero de la hembra. Esta ingeniosa solución técnica la desarrolló el laboratorio de Jacob Hanna, del Instituto Weizmann en Israel, coautor del estudio de Zernicka-Goetz, y quien también ha reportado experimentos similares hace unas pocas semanas, publicados en la revista Cell.
En los dos casos, los dos laboratorios obtienen embriones sintéticos de ratón que consiguen llegar a una fase equivalente a la que llegarían los embriones naturales con 8-9 días de gestación, casi la mitad del tiempo de embarazo en los ratones, que es de 19-20 días. Y consiguen desarrollar estructuras anatómicas muy similares, como por ejemplo el corazón, con su latido, y el cerebro, con sus diferentes áreas. Estos embriones sintéticos no son embriones, pero sirven para investigarlos.
Dado que estos embriones sintéticos derivan de células embrionarias troncales en cultivo, pueden generarse también a partir de células que contengan alguna mutación en algún gen, y así investigar el efecto que esa mutación produce en las fases iniciales del desarrollo, observando directamente en el laboratorio qué ocurre en cada momento. Un privilegio que los investigadores antes no teníamos con los embriones de mamífero. Esto es lo que también ha demostrado el laboratorio de Magdalena Zernicka-Goetz en su trabajo publicado en la revista Nature. Han usado células madre embrionarias (ESC) deficientes en el gen Pax6 (en las cuales se había inactivado este gen), y derivado embriones sintéticos a partir de estas células ESC modificadas genéticamente. Los embriones sintéticos resultantes muestran unas alteraciones similares a las que se observan cuando se desarrolla un embrión natural de ratón mutante exactamente en el mismo gen Pax6, lo cual refuerza la noción de que esta nueva aproximación experimental, la obtención de embriones sintéticos, permite hacer preguntas sobre el papel determinante que pueden jugar algunos genes durante estas fases iniciales del desarrollo embrionario.
Sin duda estamos ante una nueva revolución tecnológica, todavía muy ineficiente (es muy difícil conseguir que las células madre generen espontáneamente un embrión sintético) pero con un enorme potencial. Más allá de los trabajos que acabamos de conocer de los investigadores Jacob Hanna y Magdalaena Zernicka-Goetz existen otros laboratorios, como el de Alfonso Martínez-Arias, ahora en la UPF (Barcelona), que también investiga estrategias alternativas para desarrollar e investigar la generación in vitro, en el laboratorio, de embriones no naturales, obtenidos extrauterinamente, a partir de células ESC, como son los gastruloides, inicialmente observados en ratón, pero también obtenidos a partir de ESC humanas.
Todos estos resultados recuerdan a avances científicos tan espectaculares como el nacimiento de la oveja Dolly, que conocimos en 1997, reconstruyendo un embrión con el núcleo de una célula somática, o las células embrionarias pluripotentes inducibles, las iPS, descritas por Yamanaka en 2006, que permiten obtener unas células que sin ser células madre embrionarias comparten muchas características con ellas. El descubrimiento de estas células llevó a Shinya Yamanaka a obtener el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2012, compartido con John Gurdon, pionero de la clonación animal en anfibios. Ese premio Nobel olvidó la contribución esencial de los investigadores escoceses que crearon la oveja Dolly, pero esa es otra historia que he contado en otro artículo anterior de este blog.
Aspectos éticos de estas investigaciones
Naturalmente, la ciencia siempre va por delante de la legislación. Los nuevos descubrimientos interpelan a la sociedad y al legislador para acomodar las normativas a nuestro conocimiento científico en cada momento, a medida que este se incrementa y posibilita que realicemos experimentos que eran impensables hasta entonces. Los aspectos éticos de estos experimentos son distintos, si nos referimos a animales o a personas, a seres humanos. En el primer caso, en relación a los animales, la legislación actual europea y nacional de protección de los animales utilizados en investigación o docencia regula la experimentación con animales a partir del último tercio de su gestación natural. En el ratón, con una gestación de alrededor de 20 días, el último tercio empieza a partir de los días 13-14 de desarrollo fetal, que son muy posteriores a los estadios a los que han llegado Hanna y Zernicka en sus estudios. Por ello, asumiendo que se asimilarán las connotaciones éticas derivadas de un embrión natural a las de un embrión sintético, desde el punto de vista ético esta investigación con animales no suscita aspectos éticos específicos que deban ser tenidos en cuenta.
Más bien al contrario, el uso de estas estrategias que sirven para obtener embriones sintéticos, sin requerir de óvulos ni de espermatozoides, ni de ratonas para implantarlos redunda en una evidente disminución en el uso de animales, un reemplazo (R) de embriones naturales (para los cuales sí se necesitan animales para obtenerlos) por embriones sintéticos (que no necesitan animales para obtenerlos). El reemplazo es una de las tres Erres (3Rs) que son los principios que deben regir la experimentación con animales, para mantener su bienestar: reemplazo, reducción y refinamiento.
Sin embargo, si planteáramos realizar experimentos equivalentes de generación de embriones sintéticos de la especie humana entonces sí que suscitaríamos nuevos dilemas éticos. En primer lugar por trabajar con células humanas, y en segundo lugar por generar unas estructuras celulares muy parecidas a los embriones naturales, sin serlo. ¿Cuál sería la identidad que le daríamos a estos embriones sintéticos? ¿Los trataríamos como agregados celulares? ¿o los trataríamos como embriones y entonces aplicaríamos toda la legislación y normas que hay al respecto? España tiene el dudoso honor y singularidad (en toda la Unión Europea) de tratar a las células pluripotentes inducibles (iPS) como células madre embrionarias (sin serlo), y, por ello, cualquier trabajo que involucre el uso de células iPS debe seguir el mismo camino normativo que si se trabajara con verdaderas células madre embrionarias humanas (hESC), que incluye una autorización expresa y preceptiva de la Comisión de Garantías para la Donación y Utilización de Células y Tejidos Humanos, en el Instituto de Salud Carlos III. No ocurre así en el resto de países, que tratan a las células iPS como células somáticas (que no requieren de permisos específicos, más allá de autentificar y justificar su origen) y las distinguen de las células madre embrionarias hESC, que sí están sujetas a controles y permisos adicionales. Esta es, en nuestro país, una interpretación maximalista de los avances científicos aplicada a células con características similares a las pluripotentes embrionales.
¿Pasará igual con estos embriones sintéticos? ¿Los trataremos como si fueran embriones naturales? En mi opinión no deberíamos. Los embriones sintéticos son estructuras celulares que se parecen mucho a los embriones naturales. Son y serán muy útiles en investigación básica. Pero, con los conocimientos científico-técnicos actuales, no pueden implantarse ni llevarse a término de gestación, ni parece que vayan a progresar (en estos momentos) mucho más allá de estos estadios iniciales de la embriogénesis. Ahora bien, anticipo largas discusiones sobre este tema, según el valor moral y la protección que distintos grupos de la sociedad consideren que debemos asignarles a estos embriones sintéticos. Este es un tema que llevará algún tiempo resolver, y para el que seguramente necesitaremos acumular más evidencias científicas objetivas que nos permitan dilucidar mejor cuánto se parecen los embriones sintéticos a los naturales, sin ser indistinguibles.
Otros aspectos éticos que pueden suscitarse de llegar a obtenerse embriones sintéticos humanos tienen que ver con su fin, con su utilidad. Una empresa creada ad hoc por el investigador Jacob Hanna, llamada Renewal Bio, quiere explorar si sería posible obtener embriones sintéticos humanos a partir de células madre embrionarias humanas, siguiendo protocolos similares a los que ya se han aplicado con éxito en el ratón. Para empezar es imprevisible anticipar si los protocolos que han servido para el ratón servirán igualmente para la especie humana. Cuando nació la oveja Dolly hubo mucho revuelo y muchas discusiones asumían que la clonación humana ocurriría poco tiempo después. Nada de eso. Nunca se ha clonado ningún ser humano, que sepamos. En realidad tuvieron que pasar 21 años para que unos investigadores clonaran un macaco, un primate no humano, una especie muy parecida a nosotros, con una eficiencia tan paupérrima (alrededor del 1%) como lo había sido en origen el experimento que dio lugar a Dolly.
La idea futura que baraja la empresa Renewal Bio sería desarrollar embriones sintéticos a partir de células inducibles pluripotentes (iPS, similares a las embrionarias), generadas a partir de cualquier célula, por ejemplo de la piel, de una persona, de un paciente. Estos embriones sintéticos tendrían la identidad genética de esa persona y sus células, tejidos u órganos resultantes podrían usarse a modo de repositorio, para substituir o reparar cualquier tejido dañado en la persona a partir de la cual se obtuvieron estos embriones sintéticos. Sería como obtener unos embriones sintéticos que podríamos usar de repuesto, para usarlos en estrategias terapéuticas de medicina regenerativa. En este contexto deberíamos preguntarnos hasta qué etapa del desarrollo podríamos o deberíamos mantener estos embriones sintéticos, asumiendo que pudiera llegarse al estadio equivalente al que se ha llegado en ratones, o incluso más allá. Por ejemplo, los experimentos con quimeras interespecíficas que involucran la especie humana (por ejemplo con el cerdo) por el momento se detienen alrededor del inicio del desarrollo del cerebro, que es evidentemente uno de los puntos más sensibles de estas técnicas. ¿Sería lícito, sería éticamente aceptable tener un embrión sintético a nuestra disposición para poder usarlo cuando lo necesitáramos?
Evidentemente esto es todavía ciencia ficción, pero deberíamos empezar a pensar sobre ello. La edición genética de embriones humanos y el nacimiento de personas con su genoma editado nos parecía igualmente ciencia ficción hace unos pocos años, hasta que el investigador He Jiankui realizó el experimento inesperado e irresponsable, y nacieron las tres primeras niñas con su genoma editado. Y entonces empezamos a debatir sobre ello. Tarde. La pasta de dientes ya había salido del tubo y no podía volver a entrar. Por lo tanto, igual deberíamos empezar a reflexionar sobre los aspectos éticos de los embriones sintéticos, asumiendo que en algún momento se conseguirá reproducir los resultados de Hanna y Zernicka en nuestra especie. Antes de que los imparables avances científicos nos vuelvan a pillar en fuera de juego.
Una versión inicial de este artículo fue publicada como «reacción» en el Science Media Centre España el 25 de agosto de 2022.
Gracias por la entrada.
Qué ocurre con la importancia de los ARN que aporta el óvulo, en la regulación de la expresión genética de los embriones naturales en desarrollo, ausentes en estos embriones sintéticos?
Ni idea. En los embriones sintéticos no hay óvulo, ni gametos, ni ARN maternos. Todas sus células derivan de las células ES usadas para generarlos.
Es lo que me planteo:
¿Se puede tomar como referencia del desarrollo embrionario natural, este modelo de embriones sintéticos, cuando sabemos que nos faltan piezas imprescindibles en el proceso biológico in vivo (los ARN aportados por el óvulo)?
De la misma forma y refiriendome a otra entrada del blog en la que se trataba el tema de la asignación de secuencias genómicas a sus correspondientes cromosomas, completando, casi, la secuenciación del genoma humano. Ante el hecho de utilizar en estos experimentos como fuente de ADN una línea celular tumoral procedente de una mola hidatiforme completa, y ante la propuesta de los investigadores de emplear esta nueva secuenciación como genoma de referencia, me surge la siguiente pregunta: ¿se puede tomar como referencia «de normalidad» una secuencia genómica obtenida a partir de células tumorales?