Nuestro conocimiento de la biología de la reproducción en otros animales mamíferos, como el ratón, dista mucho de lo que sabemos sobre cómo funciona nuestro propio sistema reproductivo en humanos. Las técnicas de reproducción asistida en ratones han evolucionado muchísimo, gracias principalmente al trabajo de laboratorios como el que dirigen Naomi Nakagata y Toru Takeo en el centro CARD de la Universidad de Kumamoto, en Japón. Probablemente eso explica como, hoy en día, un procedimiento de fecundación in vitro (FIV) [la fertilización de un óvulo por un espermatozoide en el laboratorio] seguido de una implantación de los embriones resultantes para su gestación y obtención de crías, en ratones tenga una eficiencia cercana al 100% (casi siempre funciona). Mientras que un procedimiento análogo con embriones humanos tiene una eficacia inferior al 30% en las clínicas de fertilidad o reproducción asistida. Lo cual obliga a las parejas a pasar por varios ciclos de FIV e implantación hasta conseguir la deseada gestación y la esperada descendencia.

La infertilidad es un problema de primera magnitud, de alcance mundial, cada vez más preocupante. Datos de la OMS indican que por lo menos 48 millones de parejas y 186 millones de personas tienen infertilidad en todo el mundo. Esto ha obligado a desarrollar técnicas que permiten tener descendencia biológica a muchas parejas que, espontáneamente, son incapaces de procrear. Una de las técnicas más utilizadas es la llamada ICSI (del inglés Intra Cytoplasmic Sperm Injection, inyección de esperma intra citoplasmática) mediante la cual se inyectan, literalmente, las células espermáticas del varón en el óvulo de la mujer para fertilizarlo in vitro y luego gestar los embriones obtenidos. La eficiencia del proceso llega al 35% en mujeres jóvenes. Naturalmente las eficiencias aumentan con óvulos o esperma obtenido de donantes sanos, para los cuales el hijo solo tendrá la mitad de la carga genética de la pareja. Y, claro está, siempre se puede recurrir a la adopción, en la que obviamente  los hijos no están relacionados genéticamente con sus padres.

Por todo lo anterior son muchos los investigadores que llevan años explorando estrategias que puedan combatir la infertilidad con propuestas innovadoras, aprovechando la capacidad de diferenciación que tienen distintos tipos de células troncales. Y estos experimentos se realizan, mayoritariamente, en ratones. Recojo a continuación algunos de los avances más importantes realizados en este campo. En 2002 el laboratorio de Rudolf Jaenish demostró que podía obtener ratones machos y hembras a partir de las mismas células troncales embrionales pluripotentes masculinas (XY) teniendo en cuenta que un porcentaje de ellas pueden perder el cromosoma Y y convertirse en XO, una condición genética patológica conocida como Síndrome de Turner que en humanos está asociada a infertilidad, pero no en ratones. Usando las células mESC XY y mESC XO era posible obtener ratones vivos (mediante la técnica de complementación por embriones tetraploides) que nacían respectivamente como machos y hembras, y que podían cruzarse para obtener descendencia, que sería homocigótica en todos los genes, al haberse derivado los ratones macho padres y ratones hembra madres de la misma línea celulas.  En 2003 el equipo del investigador alemán Hans Schöller describió la obtención de óvulos en el laboratorio a partir de células troncales pluripotentes embrionarias (ESC) de ratón. Naturalmente eran células femeninas, con un cariotipo XX en sus cromosomas sexuales. En 2006 el investigador Karim Nayernia demostró que podía derivar células espermáticas a partir de células troncales pluripotentes embrionarias (ESC) en el laboratorio, y que los espermatozoides resultantes eran competentes para fertilizar a óvulos y dar lugar a crías de ratón. En ambos casos quedaba claro que los procedimientos posibles en ratón eran muy ineficientes y no eran todavía aplicables ni fiables para seres humanos. En 2016 el investigador japonés Katsuhiko Hayashi, en colaboración con su colega Mitinori Saitou logró que estos óvulos de ratón obtenidos en el laboratorio a partir de células troncales pluripotentes embrionarias (ESC) o células troncales pluripotentes inducidas (iPS) pudieran ser fertilizados por esperma de ratón y dar lugar a descendencia. De todo lo anterior se deduce que en ratones es posible obtener espermatozoides y óvulos a partir de células troncales, a partir de cualquier célula inducida a comportarse como célula troncal. No es necesario que el ratón produzca espermatozoides en sus testículos, ni óvulos en sus ovarios. En todos estos procesos, los óvulos in vitro se obtenían de células troncales femeninas (XX) y los espermatozoides in vitro se obtenían de células troncales masculinas (XY).

Katsuhiko Hayashi fue uno de los investigadores que causó más sensación en la reciente Tercera Cumbre Internacional sobre Edición Genética en Humanos, celebrada hace unas pocas semanas en el centro The Crick, en Londres (Reino Unido), organizada por la Royal Society en colaboración con la NAS, a la que tuve ocasión de asistir. El trabajo de Hayashi, de nuevo colaborando con Mitinori Saitou, se presentó el tercer día de esta reunión [aquí puede verse su intervención en vídeo a partir del minuto 3h 13′ 50»], y representaba una nueva vuelta de tuerca al proceso reproductivo en ratones. Algo que nunca antes nadie había logrado. Hayashi presentó un procedimiento experimental de laboratorio que permitía a células troncales obtenidas de un ratón macho acabar produciendo óvulos, y estos ser perfectamente compatibles para su fertilización y nacimiento de ratones. Este espectacular avance rápidamente saltó a los medios y fue recogido por la revista Nature, y por periódicos como The Guardian o El Español. En todos los casos se presentó el avance como la obtención de crías de ratón a partir de dos padres, sin intervención de una madre, aunque se requería una hembra para poder gestar los embriones obtenidos y llevarlos a término con éxito.

El trabajo tardó apenas una semana en ser publicado y comentado, también en la revista Nature, describiendo todos los detalles técnicos de este avance científico realizado en ratones. Los investigadores japoneses combinaron una serie de observaciones con procedimientos experimentales para convertir células originalmente masculinas XY en células XX capaces de derivar óvulos en el laboratorio. Brevemente el procedimiento es el siguiente. Es bien sabido en biología celular que las células troncales pluripotentes embrionarias (mESC) derivadas de ratones macho (XY) pueden perder espontáneamente el cromosoma Y tras permanecer en cultivo por largos periodos. Esto sucede en un 6% de las células. Entonces se convierten en células XO, sin cromosoma Y. Algunas de estas células XO, mantenidas en cultivo, duplican espontáneamente el cromosoma X, convirtiéndose entonces en células XX. El proceso se potencia tratando las células con reversina, una droga que interfiere con un paso del ciclo celular y favorece la duplicación del cromosoma X. Y, entonces, una vez obtenida esa célula troncal XX ya pueden diferenciarla hacia la línea germinal y, cocultivándola con células ováricas fetales, obtener óvulos que pueden ser fecundados.

El procedimiento desarrollado por Hayashi nos recuerda que para que una célula troncal pueda diferenciarse a precursora de oocitos, y pueda producir oogonias (PGCs, células progenitoras de la línea germinal), las células a partir de las cuales se desarrollan los óvulos, son necesarias las dos copias del cromosoma X. Es necesario que la célula sea XX para poder entrar en meiosis y producir óvulos que tengan, cada uno de ellos, uno de los dos cromosomas X. Estos óvulos pueden ser usados para una fertilización in vitro (FIV) en ratones (procedimiento muy establecido, como he comentado anteriormente) y los embriones resultantes implantados en una hembra para su gestación. Y los ratones que nacen (derivados de dos padres, el que se ha usado para generar óvulos y el que ha aportado el esperma) son a su vez fértiles y pueden producir descendencia con normalidad. Todo ello lo describe Hayashi en su publicación en Nature.

Sin embargo, es importante resaltar lo obvio. Este proceso, absolutamente artificial, producto de ingeniosos protocolos y del extraordinario conocimiento de la biología reproductiva del ratón por los investigadores japoneses involucrados, de momento es altamente ineficiente y solo es posible técnicamente en el ratón. La eficiencia que describen es la siguiente: Un 30% de las células ESC originales logran convertirlas a oocitos. Un 40% de ellos puede fecundarse. Y solo un ~1% de los embriones resultantes llega a término tras ser implantados en el útero de una hembra de ratón (les nacieron 7 ratones de 630 embriones implantados). Es decir, que para obtener un ratón con dos padres se necesitarían 100 embriones obtenidos por IVF, 250 oocitos derivados de células troncales y más de 800 intentos de conversión en células ES. Números que solamente es posible acometer en ratón en estos momentos.

Estos investigadores japoneses no solamente demostraron que es posible obtener óvulos fecundables a partir de células troncales embrionales pluripotentes (mESC) originalmente XY y reconvertidas a XX. También demostraron que era posible obtener células troncales inducidas pluripotentes (iPSC) con cariotipo XY y con cariotipo XX a partir de células somáticas de un mismo ratón macho (a partir de fibroblastos de la piel de la cola del ratón). Y, aplicando procedimientos similares a los desarrollados por Jaenisch hace 20 años, obtener ratones machos XY y hembras XX derivados de la misma línea de células iPSC que, al cruzarlos, dieron descendencia que era homocigota, con idéntica secuencias de ADN en los genes de ambos progenitores, una consanguinidad máxima, del 100%, algo que los ratones soportan bien, pero no así otras especies de mamíferos, como los seres humanos. Esta conclusión permite anticipar el siguiente experimento, que sería igualmente posible. El mismo ratón macho, el mismo individuo, puede usarse para obtener esperma (existen métodos que permiten obtener esperma de ratones sin tener que sacrificarlo) y también para obtener células iPSC (por ejemplo derivadas de la piel de la cola) a partir de las cuales obtener óvulos, los cuales pueden fecundarse con el esperma obtenido del mismo macho para obtener la descendencia. Y en este caso el padre sería también la madre de los ratones resultantes. No solo sería un caso de ratones hijos de dos padres, sino de ratones cuyo padre y madre es el mismo individuo.

El estudio también mostró sus limitaciones. Tras muchos (lo repitieron 12 veces) e infructuosos intentos (lo intentaron con 1500 óvulos obtenidos in vitro) los investigadores fueron incapaces de obtener el nacimiento de ratones producto de la fertilización de óvulos con esperma en los que tanto óvulos como esperma se hubieran obtenido de las mismas células iniciales iPSC XY, lo cual indica el bajo potencial de fertilidad que tienen estos gametos diferenciados en el laboratorio. Por el momento, el esperma diferenciado en el laboratorio puede fecundar a óvulos naturales, y el esperma natural puede fecundar a óvulos obtenidos en el laboratorio, pero sigue siendo imposible obtener descendencia, en ratones, cuando los dos gametos derivan de una misma línea celular.

En los siguientes tres gráficos resumo algunos de los métodos avanzados de biología de la reproducción que son factibles hoy en día en ratones, y los que todavía no son posibles, relacionados con este nuevo desarrollo de Hayashi, incluyendo lo que acaban de publicar estos investigadores japoneses en la revista Nature.

 

Todos estos experimentos están realizados en ratones. Lo cual no implica que alguna vez no puedan ser replicado en otras especies, como los seres humanos, algo que se percibe actualmente como muy lejano, científica y éticamente hablando. Para ello hay todavía muchos condicionales que deberían resolverse. Deberíamos tener células hESC análogas a las de ratón, que no las tenemos, exactamente, aunque sí sabemos derivar células iPS humanas. Deberíamos esperar que perdieran el cromosoma Y con frecuencia similar, y que fuera posible descubrir entre las células XO resultantes algunas XX que hubieran duplicado el cromosoma X tras la adición de una droga [reversina] que inhibe un punto de control¡ del ciclo celular (para ello los investigadores japoneses usaron una marca genética incorporada en el cromosoma X, un marcador fluorescente, que les permitía seguir el número de cromosomas X que tienen las células). Y también debería suceder que estas, cocultivadas con células ováricas fetales (humanas) entraran en meiosis y dieran lugar a oocitos fecundables. Asumiendo que también fuera posible conseguir esperma por diferenciación in vitro y que los dos gametos resultantes fueran viables y competentes para la fecundación (o con esperma obtenido de forma natural de otro varón), y que algún comité ético clínico o de investigación aceptara que los embriones resultantes se implantaran en una mujer (o muchas, dada la baja eficiencia del proceso) para (en el mejor de los casos) el nacimiento de un bebé cuya madre también sería su padre (algo altamente improbable en humanos, dado que el nivel de homocigosidad máxima que se obtendría, al tener dos copias idénticas de todos los genes, sería con una alta probabilidad incompatible con la vida) o que tuviera dos padres (uno que aportaría el esperma natural y otro que se habría usado para derivar los óvulos en el laboratorio). Demasiados condicionantes por el momento, tanto técnicos como éticos, que hacen pensar que, en estos momentos, estos avances descritos en la biología reproductiva del ratón serían dificilmente trasladables a humanos.

Pero sin duda un avance científico que no deja a nadie impasible.