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OBTENCIÓN DE UNA LINEA CELULAR DERIVADA DE UN EPENDIMOMA HUMANO Y ADAPTACIÓN DE LA LINEA A CULTIVOS EN SUSPENSIÓN. KARLA TATIANA ROMERO CAMPO TRABAJO DE GRADO Presentado como requisito parcial Para optar al título de Bióloga PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE CIENCIAS CARRERA DE BIOLOGIA Bogotá, D. C. 19 de Julio de 2007 1 NOTA DE ADVERTENCIA Artículo 23 de la Resolución N° 13 de Julio de 1946 “La Universidad no se hace responsable por los conceptos emitidos por sus alumnos en sus trabajos de tesis. Solo velará por que no se publique nada contrario al dogma y a la moral católica y por que las tesis no contengan ataques personales contra persona alguna, antes bien se vea en ellas el anhelo de buscar la verdad y la justicia”. 2 OBTENCIÓN DE UNA LINEA CELULAR DERIVADA DE UN EPENDIMOMA HUMANO Y ADAPTACIÓN DE LA LINEA A CULTIVOS EN SUSPENSIÓN. KARLA TATIANA ROMERO CAMPO APROBADO ______________________________ Jairo Alfonso Tovar Franco, Ph.D Director __________________________ _________________________ Magdalena Anguiano, PhD. Henry Córdoba, PhD. Jurado Jurado 3 OBTENCIÓN DE UNA LINEA CELULAR DERIVADA DE UN EPENDIMOMA HUMANO Y ADAPTACIÓN DE LA LINEA A CULTIVOS EN SUSPENSIÓN. KARLA TATIANA ROMERO CAMPO APROBADO _____________________________ ____________________________ Angela Umaña, M. Phil. Andrea Forero, Bióloga Decana Académico Director de Carrera Agradecimientos 4 A Jairo Tovar por su orientación, exigencia, conocimiento y apoyo en el desarrollo de este trabajo. A Maria Fernanda Gutiérrez por sus correcciones y sinceridad para lograr finalizar este trabajo. A Ludís Morales, Ingrid Schuler y Andrea Forero por orientarme en momentos de confusión. A Maria José Contreras, Eliana Báez y Marta Ariza, por su ayuda, apoyo y compañía en todo momento. A el grupo de Neurobioquímica en general por sus correcciones y orientación. A mis padres por su apoyo incondicional, su paciencia y cariño. A Andrea por su apoyo y cariño de hermana dándome momentos de distracción cuando más lo necesitaba. A Hermman por sus correcciones, apoyo y cariño de hermano y por su crítica positiva a este trabajo como biólogo. Y en general a todas las personas que me acompañaron en este proceso; Gracias. 5 TABLA DE CONTENIDOS Resumen ......................................................................................................................... 11 1. Introducción .......................................................................................................... 12 2. Marco teórico y revisión de literatura. ................................................................ 14 2.1. Células del Sistema Nervioso. ....................................................................... 14 2.2.1. Neuronas ............................................................................................. 14 2.1.2. Glia ...................................................................................................... 15 2.1.2.1. Astrocitos ......................................................................................... 16 2.1.2.2. Oligodendrocitos .............................................................................. 17 2.1.2.3. Células ependimarias (ependimocitos) ............................................ 17 2.2. Tumores Cerebrales ....................................................................................... 17 2.2.1. Díagnostico tumores cerebrales .......................................................... 18 2.2.2. Grado de los tumores - Malignidad ..................................................... 19 2.2.3. Clases de Tumores .............................................................................. 20 2.3. Utilidad de cultivos y líneas celulares derivadas de sistema nervioso en biotecnología. ........................................................................................................ 21 2.3.1. Modalidades de cultivo celular ........................................................... 22 2.3.1.1. Cultivos en Monocapa (células adherentes) ..................................... 22 2.3.1.2. Cultivos en Suspensión .................................................................... 23 2.3.2. Cultivo de células animales en suspensión ......................................... 24 2.3.3. Líneas celulares derivadas de sistema nervioso .................................. 30 2.4. Ependimocitos en el epitelio y Ependimoma ................................................. 33 2.4.1. Funciones del epitelio ependimario .................................................... 34 2.4.2. Ependimoma ....................................................................................... 35 2.4.3. Metabolismo de los ependimocitos .................................................... 37 3. Formulación del problema y justificación .......................................................... 40 3.1. Formulación del problema ............................................................................. 40 3.2. Pregunta de investigación .............................................................................. 40 3.3. Justificación de la investigación ................................................................... 40 4. Objetivos ................................................................................................................ 41 4.1. Objetivo General ............................................................................................ 41 4.2. Objetivos específicos ..................................................................................... 41 5. Materiales y Métodos ............................................................................................ 41 5.1. Materiales ....................................................................................................... 41 5.2. Equipos ........................................................................................................... 42 5.3. Métodos .......................................................................................................... 42 5.3.1. Seguimiento citomorfológico de las células cultivadas en monocapa. 42 5.3.2. Preparación del cultivo de células en placa......................................... 42 5.3.3. Caracterización inmunohistoquímica del ependimoma ...................... 43 5.3.4. Almacenamiento y reconstitución de los cultivos celulares. .............. 44 6 5.3.4.1. Congelamiento ................................................................................. 44 5.3.4.2. Descongelamiento ............................................................................ 44 5.3.5. Adaptación de células a un cultivo en suspensión. ............................. 45 5.3.6. Estadística ........................................................................................... 45 5.3.7. Aspectos éticos .................................................................................... 45 5.3.8. Cuadro procedimental ......................................................................... 46 6. Resultados .............................................................................................................. 47 6.1. Características inmunohistoquímicas del ependimoma ................................. 47 6.2. Obtención de Linea Celular Primaria .............................................................51 6.3. Curva de crecimiento en cultivos en monocapa. ............................................ 54 6.3. Cultivos en suspensión utilizando 10 % y 5 % de Suero Fetal Bovino. ........ 57 6.4.Características inmunocitoquímicas del ependimoma .................................... 69 6.5. Análisis Estadístico ........................................................................................ 72 7. Discusión ................................................................................................................ 72 7.1. Características inmunohistoquímicas del ependimoma. ................................ 72 7.2. Obtención de una Línea Celular Primaria ...................................................... 74 7.3. Curva de crecimiento en cultivos en monocapa. ............................................ 74 7.4. Cultivos en suspensión utilizando 10 % y 5 % de Suero Fetal Bovino ......... 75 8. Conclusiones .......................................................................................................... 79 9. Recomendaciones .................................................................................................. 80 10. Referencias bibliográficas .................................................................................... 81 ANEXOS ........................................................................................................................ 92 Anexo 1. Composición y preparación de las soluciones. ..................................... 92 Anexo 2. Preparación del cultivo primario. .......................................................... 94 Anexo 3. Caracterización inmunocitoquímica del cultivo primario. .................... 95 Anexo 4. Formulario de consentimiento de los sujetos para la investigación ...... 96 Anexo 5. Recolección de las muestras .................................................................. 97 Anexo 6: Montaje de Spinner ............................................................................. 102 Anexo 7: Prueba de contraste Shapiro-Wilk (Normalidad) y Prueba de Levene (Homogeneidad de Varianza). ............................................................................ 104 Anexo 8: Análisis de varianza ANOVA. ............................................................ 110 Anexo 9: Test de rango múltiple de DUNCAN (tratamiento con 5% de SFB) .. 113 Anexo 10: Test de rango múltiple de DUNCAN (tratamiento con 10% de SFB). ............................................................................................................................. 116 7 INDICE DE TABLAS Tabla 1. Promedio de conteo de células*107/mL con Azul de Tripano. Tabla 2. Resultados del crecimiento en un Spinner (10% SFB) de células derivadas de un ependimoma humano adaptadas a suspensión. Tabla 3. Resultados del crecimiento en un Spinner (10% SFB) de células derivadas de un ependimoma humano adaptadas a suspensión. Tabla 4. Resultados del crecimiento en un Spinner (5% SFB) de células derivadas de un ependimoma humano adaptadas a suspensión. Tabla 5. Resultados del crecimiento en un Spinner (5% SFB) de células derivadas de un ependimoma humano adaptadas a suspensión. 8 INDICE DE FIGURAS Figura 1. Prueba Eosina / Hematoxilina Figura 2. Prueba Proteína Ki-67. Figura 3. Prueba Proteína Ácida Fibrilar de la Glia (PAFG). Figura 4. Prueba Proteína S-100. Figura 5. Prueba Sinaptofisina. Figura 6. Cultivo en Monocapa de células derivadas de ependimoma. Figura 7. Evolución del número de células a lo largo del tiempo de cultivo en monocapa. Figura 8. Viabilidad a lo largo del tiempo de cultivo en monocapa. Figura 9. Evolución del contenido de DNA (μg/mL) a lo largo del tiempo de cultivo en monocapa. Figura 10. Cantidad de Proteína (g/mL) a lo largo del cultivo en monocapa. Figura 11. Cantidad de Proteína (g/mL) a lo largo del cultivo en monocapa. Figura 12. Evolución del número de células/100mL con Azul de Tripano cultivadas en Spinner. Figura 13. Evolución del número de células/100mL con Cristal Violeta cultivadas en Spinner. Figura 14. Evolución de la viabilidad a lo largo del tiempo cultivos en Spinner. Figura 15. Evolución de la cantidad de proteína soluble a lo largo del tiempo. Cultivos en Spinner. Figura 16. Evolución de la cantidad de proteína soluble a lo largo del tiempo. Cultivos en Spinner. Figura 17. Evolución de la cantidad de proteína celular a lo largo del tiempo. Cultivos en Spinner. Figura 18. Evolución de la cantidad de proteína celular a lo largo del tiempo. Cultivos en Spinner. Figura 19. Evolución de la cantidad de proteína total a lo largo del tiempo. Cultivos en Spinner. Figura 20. Evolución de la cantidad de proteína celular a lo largo del tiempo. Cultivos en Spinner. 9 Figura 21. Evolución de la Contenido de DNA a lo largo del tiempo. Cultivos en Spinner. Figura 22. Evolución de la Biomasa a lo largo del tiempo. Cultivos en Spinner. Figura 23. Evolución del pH a lo largo del tiempo. Cultivos en Spinner al 10% y 5% de SFB. Figura 24. Prueba Proteína Ácida Fibrilar de la Glia (PAFG) y Sinaptofisina. 10 Resumen La productividad de las células adherentes es relativamente baja y es necesario contar con un mecanismo que produzca una gran concentración de éstas para alcanzar un mejor rendimiento. El cultivo de células en suspensión tiene algunas ventajas de interés industrial: mayor facilidad de manipulación y pase de un cultivo al siguiente pues no requieren separación del sustrato mediante tripsinización y tiene posibilidad de escalamiento incrementando la biomasa. En este trabajo se buscó la adaptación de células adherentes derivadas de ependimoma a cultivos en suspensión buscando aumentar la productividad en biomasa y disminuyendo la cantidad de suero necesario para mantener su crecimiento. Se obtuvo una muestra de un paciente con diagnostico clínico e histopatológico de ependimoma anaplásico grado II; se realizó la caracterización mediante inmunohistoquímica en cortes de tejido y por inmunocitoquímica sobre células cultivadas a partir de tumor utilizando diferentes marcadores (PAFG, S-100, Ki- 67, Sinaptofisina y Eosina-hematoxilina). De este tejido se cultivaron las células haciendo tres pases y obteniendo una línea celular primaria, la cual se adaptó a suspensión (spinner), determinando inmunicitoquímicas del ependimoma in Vitro. Se observó que las pruebas inmunohistoquímicas concordaban con las pruebas inmunocitoquímicas realizadas y a su vez ratificadas por el lento crecimiento de las células cultivadas en monocapa, y su grado de atípia celular. Las células cultivadas en monocapa soportaron 3 pases (64 DIV) antes de volverse una línea celular primaria y disminuir su crecimiento y viabilidad. Los cultivos en monocapa son menos productivos que aquellos en spinner. La productividad es directamente proporcional a la concentración de suero fetal bovino en el medio de cultivo. La adaptación de estas células a cultivos en suspensión se evidenció en el momento en que este presentó mayor cantidad de células en menor número de días sin variar su viabilidad. 11 1. Introducción La expectativa a nivel mundial de la obtención de productos farmacéuticos va en aumento, ya que ayuda a tratamientos de millones de individuos afectados por diferentes enfermedades; esto unido con la demanda de la producción esperada de compañías biotecnológicas que crean terapias, ha impulsado la necesidad de desarrollar métodos de cultivo de gran potencial. Descubrimientos acelerados en esta área, apoyados con uso de sistemas de modelos animales, están permitiendo realizar experimentos más rápida y eficazmente (Kallos, 2003). Optimizar el crecimiento de células madreneuronales y progenitoras neurales (NSCs/NPs) (Lin, 2004; Goh, 2003) se ha vuelto una prioridad, y es así como el desarrollo de protocolos para este tipo de células capaces de autorenovarse y dar lugar a neuronas y glia eficazmente en cultivos en suspensión para biorreactores, se ha incrementado en los últimos años (Kallos, 1999a; Abranches, 2003). Igualmente se están trabajando astrocitomas y glioblastomas en suspensión acoplados a microacarreadores en biorreactores (Sa Santos, 2005; Barnea, 1999). No obstante, la industria requiere disponer de una alta densidad de células que tengan la capacidad de mantener su viabilidad y productividad en cultivos en suspensión por un tiempo prolongado (Goswami, 1999; Kanemura, 2002). Uno de los objetivos de este trabajo en contribuir a desarrollar un línea celular de origen tumoral que permita a los investigadores trabajar en áreas médicas y biotecnológicas. El cultivo de células animales ha adquirido gran importancia en los últimos años ya que pueden ser utilizadas para la producción de proteínas recombinantes de uso farmacéutico y a que se les pueden efectuar modificaciones que no son posibles ni en levaduras ni en bacterias. Pero la productividad de este tipo de células es relativamente baja y es necesario contar con una gran concentración de las mismas para alcanzar un mejor rendimiento. En las líneas celulares que provienen de cultivos primarios con requerimiento de anclaje a superficies, algunas tienen la propiedad de crecer de manera estacionaria o en suspensión después de un período de adaptación. El cultivo de células en suspensión es ideal cuando se busca la 12 elaboración de productos extracelulares e intracelulares o cuando se presentan problemas con la capacidad de anclaje de un determinado tipo de célula. En este trabajo se demostró que los cultivos celulares derivados de ependimoma pueden ser adaptados al crecimiento en cultivos en suspensión agitada en spinner. 13 2. Marco teórico y revisión de literatura. 2.1. Células del Sistema Nervioso. Además de las neuronas, el sistema nervioso está constituido por células gliales. Al conjunto de células gliales se las denomina genéricamente glía o neuroglía. Hay alrededor de 10 a 50 veces más células gliales que neuronas (Kandel, 2001). La glia cumple funciones de sostén y nutrición. Esto es debido a que en el sistema nervioso no existe tejido conectivo. Estas células han seguido un desarrollo embriogénico y ontogénico diferente al de las neuronas. Debido a que son menos diferenciadas que las neuronas, conservan la capacidad mitótica y son las que se encargan de la reparación (no regeneración) de las lesiones del sistema nervioso (Kandel, 2001). 2.2.1. Neuronas A pesar de que existe gran variedad de tipos neuronales (por su tamaño, forma y organización), las células nerviosas comparten una serie de características generales (Purves, 2007). Estas células conducen señales a través del axón, una prolongación que se extiende desde el cuerpo de la neurona hacia afuera, y reciben información a través de las dendritas, otras ramas de la célula que se dirigen hacia el soma o cuerpo neuronal. La capacidad del axón para conducir impulsos nerviosos aumenta significativamente por la mielina, capa formada por células especializadas que producen una membrana adiposa que envuelve al axón varias veces, en forma concéntrica. La mielina de estas membranas protege el impulso nervioso de las interferencias del medio, disminuyendo la pérdida de corriente eléctrica y aumentando la velocidad con la que ésta se conduce por la fibra nerviosa. En el sistema nervioso las neuronas se organizan por medio de cúmulos de células en sitios relativamente circunscritos. Esta acumulación de cuerpos neuronales, a diferencia del aspecto que tienen los haces de fibras, constituye la sustancia gris (que en el tejido fresco es más bien rosa grisáceo) y se organiza 14 frecuentemente en núcleos. Las áreas de fibras o tractos nerviosos, particularmente mielinizados, constituyen la sustancia blanca (Purves, 2007) Tanto la producción del impulso nervioso como su conducción a través de los nervios o de las fibras musculares se deben a las características especiales de la membrana neuronal. En particular, a su capacidad de filtrar en forma selectiva las pequeñas moléculas cargadas que existen en el medio: los iones. Las células excitables tienen la propiedad de poder mantener diferentes concentraciones de iones a uno y otro lado de su membrana plasmática. Gracias a esta diferencia de concentración iónica existe una diferencia de potencial (es decir, de voltaje) a ambos lados de esta membrana. Esta diferencia de potencial está dada por una acumulación de iones de sodio (Na+) en el exterior de la célula y de iones de potasio (K+) en el interior (Kandel, 2001). 2.1.2. Glia Existen tres tipos de células gliales: los astrocitos, los oligodendrocitos y las células ependimales y son las encargadas de "sostener" a las neuronas, no sólo desde el punto de vista espacial, sino también metabólico, endocrino e inmunológico (Bustamante, 2001). La glia también tiene relación con el desarrollo cerebral. Se ha visto que existen células gliales que orientan a los axones en su camino hacia el establecimiento de conexiones a larga distancia. Estas células proveen al axón de sustancias de adhesión celular y de factores tróficos, que le sirven a la terminación nerviosa para aumentar su superficie en direcciones específicas, para así ir avanzando hacia su blanco. Estas señales son críticas para el establecimiento de los circuitos funcionales que organizan más tarde secuencias complejas de reacciones. Las células gliales, que no han mostrado aún su complejidad real, se especializan tanto como las neuronas (Bustamante, 2001). 15 2.1.2.1. Astrocitos Los astrocitos son el tipo celular más abundante en la glia. Su morfología es estrellada por la gran cantidad de prolongaciones llamadas pies que irradían del soma hacia células vecinas. Algunas de estas prolongaciones están en contacto con un vaso sanguíneo (capilar) formando podocitos (también llamados procesos pediculares o pies perivasculares), o también pueden rodear las sinapsis nerviosas (Kiernan, 2006). El núcleo de los astrocitos es más claro que el de otras células de la glía, y el citoplasma contiene numerosos gránulos de glucógeno y filamentos intermedios, compuestos de GFAP (proteína ácida fibrilar glial), que sólo se encuentran en astrocitos (Kiernan, 2006). La principal tarea de los astrocitos es unir las neuronas a los capilares sanguíneos, así como también la de mantener una concentración equilibrada entre el medio extracelular y el intracelular previniendo el ingreso de determinadas sustancias posiblemente nocivas. Además participan en los procesos de regeneración de lesiones en el Sistema Nervioso, aumentando su tamaño y enviando sus proyecciones para rellenar la zona dañada. Se pueden diferenciar dos clases principales de astrocitos (Kiernan, 2006). Astrocitos protoplasmaticos: Se encuentran principalmente en la sustancia gris, y poseen prolongaciones citoplasmáticas de forma muy variable. Astrocitos fibrosos: En sus prolongaciones existe una gran cantidad de fibrillas (gliofibrillas). Se encuentran, sobre todo en la sustancia blanca. Presentan prolongaciones más largas y menos ramificadas que los astrocitos protoplasmáticos. Los astrocitos cumplen la función de sostén mecánico, y facilitan la migración de las neuronas durante el desarrollo del sistema nervioso. Además ejercen una actividad moduladora sobre la comunicación neuronal, al eliminar 16 http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Gliofibrillas&action=edit neurotransmisores, proveer sus precursores y mantener concentracionesen el medio extracelular. 2.1.2.2. Oligodendrocitos Los oligodendrocitos o en conjunto oligodendroglía son más pequeños que los astrocitos y tienen pocas prolongaciones. Además de la función de sostén y unión, se encargan de formar la capa de mielina en el sistema nervioso central (Bustamante, 2001). 2.1.2.3. Células ependimarias (ependimocitos) Las células del epitelio ependimario (epéndimocitos, tanicitos) revisten los ventrículos del encéfalo y del conducto ependimario de la médula espinal que contienen al líquido cefaloraquídeo (LCR) (Moynihan, 2003). Los tanicitos son células de contacto entre el tercer ventrículo del cerebro y la eminencia medía hipotalámica. Su función no es bien conocida, y se les ha atribuido un papel de transporte de sustancias entre el LCR del tercer ventrículo y el sistema porta hipofisiario. Pueden considerarse una variedad especializada de células ependimarias (Moynihan, 2003). 2.2. Tumores Cerebrales Los cambios celulares característicos del cáncer son iniciados por diversos grados de interacción entre factores propios del huésped y agentes exógenos. Si bien hay factores presentes en el huésped, distintos de los genes, que desempeñan una función en el desarrollo de la enfermedad, se reconoce cada vez la influencia genética en algunos de ellos. Según la OMS (Organización Mundíal de la Salud) se produce el cáncer debido a las mutaciones en los genes responsables de la multiplicación y reparación de las células (OMS, 2004). 17 http://es.wikipedia.org/wiki/Oligodendrocito http://es.wikipedia.org/wiki/Mielina http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_nervioso_central http://es.wikipedia.org/wiki/Epitelio http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_ependimaria http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Ep%C3%A9ndimo&action=edit http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Tercer_ventr%C3%ADculo&action=edit http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Eminencia_media&action=edit http://es.wikipedia.org/wiki/Hipot%C3%A1lamo http://es.wikipedia.org/wiki/LCR http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_porta http://es.wikipedia.org/wiki/Hip%C3%B3fisis Las mutaciones en el gen p53 son muy comunes en los cánceres humanos, por la cual no se da la regulación transcripcional que suprime la proliferación celular inducida por oncogenes de la apoptosis (Ellison, 1992; Alderson, 1995). Se encontró que las mutaciones del gen p53 están presentes en más del 30% de los gliomas (evento temprano) por lo cual se cree que estas anormalidades están relacionadas con el desarrollo de los gliomas. Se conoce que las mutaciones del gen p53 en tumores cerebrales primarios y las mutaciones presentes de este mismo gen en líneas celulares de gliomas son similares, lo cual demuestra la utilidad e importancia de las líneas como herramientas confiables para la investigación de la restauración de enfermedades neurológicas en forma natural (Steinbach, 2004; Shu, 1998). En contraste, ahora se considera que los llamados polimorfismos metabólicos, es decir, las diferencias en la forma en que las personas metabolizan los carcinógenos químicos, pueden explicar las diferencias de la sensibilidad de los individuos al cáncer, y que estos polimorfismos son controlados a nivel celular por mutaciones en genes específicos. 2.2.1. Díagnostico tumores cerebrales Se utilizan pruebas que examinan el cerebro y la médula espinal para detectar un tumor cerebral. Se pueden utilizar las pruebas y los procedimientos siguientes: • Exploración por TAC (Tomografía Axial Computarizada): procedimiento en el cual se toma una serie de imágenes detalladas de áreas internas del cuerpo, desde ángulos diferentes. Las imágenes son creadas por una computadora conectada a una máquina de rayos X. Se inyecta un tinte en una vena o se ingiere a fin de que los órganos o los tejidos se destaquen más claramente (OMS). • IRM (Imaginología por Resonancia Magnética): procedimiento que usa un imán, ondas de radio y una computadora para crear imágenes detalladas del cerebro y la médula espinal. Se inyecta una sustancia llamada gadolinio en una vena del paciente. El gadolinio se acumula alrededor de 18 las células cancerosas a fin de que estas se muestren más claramente en la imagen (OMS). El tumor cerebral en el adulto se díagnostica y se extirpa medíante cirugía. 2.2.2. Grado de los tumores - Malignidad El grado de un tumor se refiere a cuán anormales parezcan las células cancerosas bajo un microscopio y cuál es la probabilidad de que el tumor crezca y se disemine. La siguiente clasificación es la clasificación según la Organización Mundíal de la Salud: Grado I El tumor crece lentamente, tiene células de apariencia similar a las células normales y pocas veces se disemina hasta los tejidos cercanos. Es posible que se pueda extirpar todo el tumor medíante cirugía. Grado II El tumor crece lentamente, pero puede haberse diseminado a los tejidos cercanos y puede convertirse en un tumor de grado más alto. Grado III El tumor crece rápidamente, es probable que se disemine hasta el tejido vecino y el aspecto de las células tumorales es muy diferente del de las células normales. Grado IV El tumor crece en forma muy dinámica, tiene células con aspecto muy diferente al de las células normales y es difícil tratarlo con éxito. La probabilidad de recuperación (pronóstico) y selección de tratamiento dependerán del tipo, grado y ubicación del tumor, y si quedan células cancerosas después de la cirugía o se han diseminado hasta otras partes del cerebro. 19 2.2.3. Clases de Tumores Para el tratamiento, los tumores cerebrales se clasifican por el tipo de célula en la que comenzó el tumor, la ubicación del tumor en el sistema nervioso central y el grado del tumor. Existen diferentes tipos de tumores cerebrales, tales como: Gliomas del tronco encefálico, Tumor astrocítico pinea, Astrocitoma pilocítico (grado I), Astrocitoma difuso (grado II), Astrocitoma anaplásico (grado III), Glioblastoma (grado IV), Tumores oligodendrogliales: Oligodendroglioma (grado II), Oligodendroglioma anaplásico (grado III), Gliomas mixtos: Oligoastrocitoma (grado II), Oligoastrocitoma anaplásico (grado III); Meduloblastoma (grado IV), Tumores parenquimales pineales: Pineocitomas (grado II), Pineoblastomas (grado IV), Tumores meníngeos: Meningioma de grado I, Meningiomas de grado II y III y hemangiopericitomas (Instituto Nacional del Cancer, 2007). El tipo de tumor que se trabaja en este trabajo son los Tumores ependimales. Los tumores ependimales generalmente empiezan en las células que revisten los espacios del cerebro y alrededor de la médula espinal. Estos espacios contienen líquido cefalorraquídeo, un líquido que amortigua y protege el cerebro y la médula espinal. Los grados de los tumores ependimales son los siguientes (Instituto Nacional del Cancer, 2007). • Ependimomas de grado I y grado II: estos ependimomas son de crecimiento lento y tienen células de aspecto muy parecido al de las células normales. Generalmente, pueden ser extirpados completamente medíante cirugía. Ependimoma anaplásico (de grado II): Presenta gran indiferenciacion y crecimiento rápido o lento. 20 2.3. Utilidad de cultivos y líneas celulares derivadas de sistema nervioso en biotecnología. El crecimiento de las células en un cultivo celular depende de la supervivencia de éstas a las diferentes técnicas de disgregación y a la capacidad de adherirse al sustrato o de sobrevivir en suspensión. Las células capaces de proliferar podrían aumentar, otros tipos de células podrían sobrevivir pero no aumentar y otras podrían ser capaces de sobrevivir en condiciones especiales. Además el crecimiento celular va ligado al espacio del cultivo, ya que unas células detienen su crecimiento, mientras que otras lo incrementan (Freshney, 1995). Los cultivos de células y tejidos puedenser altamente sensibles a las sustancias químicas y permitir a los investigadores estudiar partes del cuerpo específicas. Se han utilizado cultivos de células en investigaciones para el cáncer, Parkinson, SIDA, desarrollo de medicamentos, toxicidad y Alzheimer. Son el producto de la colección de células vegetales o animales de diferentes órganos, colocadas en condiciones especiales propicias para su sobrevivencia y multiplicación, manteniendo para esto todas sus funciones metabólicas de una manera semejante a las que tenía en el huésped. Los cultivos de células animales se han clasificado de acuerdo a su capacidad de anclaje (adherencia), y sí han sido aisladas recientemente de un órgano determinado o si provienen de células que han sufrido modificación. De acuerdo a su capacidad de adherencia o no a una superficie determinada pueden crecer formando monocapa o en suspensión respectivamente, lo que está muy asociado con el tipo de célula de la cual derivan: por lo general las células provenientes de órganos, crecen en monocapa. Igualmente, existen células que pueden crecer indistintamente tanto en monocapa como en suspensión, ejemplo son las células HeLa que son células transformadas derivadas de cultivos en monocapa (Freshney, 1995). Cuando el cultivo proviene de células que han sido disgregadas de un tejido original tomado de un órgano de un animal recién sacrificado, reciben el nombre 21 de: cultivo primario. Cuando éste cultivo primario es sometido a procesos de transformación que le confiere capacidad ilimitada de multiplicación, reciben el nombre de: líneas celulares. Cuando en el cultivo coexisten dos tipos de células de linajes diferentes que se pueden separar recibe el nombre de: cocultivo o hibridomas (Freshney, 1995). 2.3.1. Modalidades de cultivo celular Existen dos modalidades de cultivo según la morfología de las células, estas modalidades son: cultivo en monocapa (células adherentes) o cultivo en suspensión (células sencillas o en agregados) 2.3.1.1. Cultivos en Monocapa (células adherentes) Las células crecen formando una monocapa que cubre la superficie de crecimiento (confluencia), lo que hace que su multiplicación sea inhibida cuando establecen contacto entre sí (quiescencia). Los recipientes para el cultivo de células estacionarias son generalmente cajas de Petri o frascos para el cultivo de tejido (Roux), que pueden ser de plástico o de vidrio previamente tratado y su desprendimiento para transferirlas a superficies mayores se realizan con agentes proteolíticos como la tripsina (Freshney, 1995). Los cultivos celulares adherentes se clasifican como: neuronales, fibroblastos endoteliales y epiteliales. Existen de cada tipo celular líneas reconocidas, utilizadas para investigación. En las neuronales es conocida la línea celular SH – SY5Y, la cual es derivada de neuroblastoma humano. En los fibroblastos la línea MRC-5 al igual que la línea Vero, derivadas de pulmón embrionario humano y riñón de mono verde africano respectivamente. En las Endoteliales existe la línea celular BAE-1, derivadas de bazo canceroso y finalmente de las células adherentes clasificadas como epiteliales, existen las líneas celulares reconocidas como CHO (Ovario de Hamster Chino) y HeLa (derivada de células cancerigenas de cerviz humano). 22 2.3.1.2. Cultivos en Suspensión Los cultivos celulares que provienen de cultivos primarios con requerimiento de anclaje a superficies, tienen la propiedad de crecer de manera estacionaria o en suspensión después de un período de adaptación. El proceso de cultivo continuo ofrece factores económicos decisivos (utilización de mejores equipos, reducida manipulación) cuando se trata de producir cultivos a una mayor escala de operación. Los cultivos celulares en suspensión puedes ser libres o en agregados. Los libres son cultivos en los cuales el crecimiento es individual, sin ningún tipo de unión entre ellas, lo contrario de las células que crecen en agregados, formando grupos celulares. De la modalidad de cultivos en suspensión libre es reconocida la línea Nawalwa derivada de linfocitos B de un linfoma de Burkitt y de la línea celular WEHI-231 derivada de linfoma de células B inmaduras. Cuando es necesaria la adaptación de células adherentes a cultivos en suspensión, después de tener un stock de células y de seleccionar la modalidad de cultivo, se sigue a la posterior adaptación en donde existen diferentes sistemas de cultivo, con algunas modificaciones, multiplatos, inmovilizadas, spinner y columnas, para llegar al mismo objetivo. De estos sistemas de cultivo el spinner es un mecanismo sencillo en donde solo se tiene la variación de la velocidad en la agitación mecánica. En estos cultivos es necesario tener en cuenta los aspectos metabólicos de las células animales cultivadas in vitro para posterior producción de biofarmaceuticos. Tales como conocer y entender el metabolismo celular para así desarrollar los procesos adecuados. Se debe formular un medio de cultivo según los requerimientos nutricionales, seleccionar la modalidad del cultivo, el mejoramiento global del proceso y la aplicación de ingeniería metabólica correspondiente, la cual no es necesaria cuando las células liberan al medio 23 enzimas que permiten la autosostenibilidad del cultivo, es decir enzimas que utilicen los desechos metabólicos celulares. Cuando se habla de mejoramiento global del proceso de cultivo, uno de los puntos para tener en cuenta es la concentración de suero fetal bovino que se agrega, para así simplificar la formulación del medio de cultivo; además porque actúa como inhibidor de las proteasas, protege contra daño mecánico, aunque al mismo tiempo incrementa la carga proteica aumentando el riesgo de contaminación. Los cultivos sin suero son de mayor facilidad para la purificación de proteínas. La composición de este es definida, ayudadando así a tener mayor regulación y seguridad, aunque el crecimiento es menor, es necesaria la formulación del medio de cultivo caso por caso y una menor estabilidad del producto de interés. 2.3.2. Cultivo de células animales en suspensión El diseño y el uso de un sistema que permite a la proliferación activa de células de mamíferos, como unidades individuales, en el estado sumergido, parecerían ser de valor a individuos interesados en investigaciones que se relacionan con la cinética total de la interacción de virus de anfitrión/célula y a estudios que requieren las altas concentraciones de células de tejido uniformes o virus. En 1957 se presentaron datos que establecen la viabilidad de obtener la proliferación uniforme de células de mamíferos en suspensión en volúmenes hasta de 3 Litros. Varios tipos de sistemas inestables han sido sugeridos para permitir el crecimiento de células de tejido en el estado de suspensión, como son la coctelera rotatoria de Earle et al., (1954), el tubo de caída de Owens et al., (1953), el tubo de rodillo de Graham y Siminovitch (1955), el agitador suspendido en los frascos Erlenmeyer de Cereza y Casco (1956), el tubo de rodillo hexagonal de Powell (1954), y la coctelera de muñeca de Hardy Marrón (1957), así como el agitador de cristal de Danés (1957). Así, en sistemas de frasco de agitacion hay una tendencia marcada hacia la formación de gránulos grandes. Además, precipitados proteícos se forman con frecuencia (McLimans, 1957). 24 Varios autores hay ensayado y utilizado los cultivos en suspensión para realizar investigaciones que requieren gran cantidad de células, adaptando diferentes tipos de células en cultivos en spinner y observando gran crecimiento en un periodo relativamente corto de tiempo. En 2006 se realizaron estudios sobre los efectos hidrodinamicos de la formación de agregados celulares de células HEK 293 en cultivos en spinner,utilizando 250mL de solución con agitación de 25, 50, 75 y 100r/min. Observaron la distribución de conjuntos de célula, la densidad de células viables, la viabilidad, la tasa de consumo específica de glucosa, de producción específica de lactato y lactato transformado, así como también el contenido de proteínas y de DNA del cultivo, observando el crecimiento y el metabolismo de células HEK293 en cultivos en suspensión en spinner. En este estudio se encontró que la agitación juega un papel importante en la formación de conjuntos de célula HEK293 y en la distribución. La viabilidad celular se mantuvo en el rango de 80 a 90% con los índices metabólicos, al igual que se mantuvo constante la producción de glucosa, lactato y lactato transformado (lac/glc). Estos resultados mostraron la transferencia proporcionada suficiente de masas para apoyar el crecimiento normal y el metabolismo de células HEK293 en cultivos en suspensión, así como también el contenido de proteínas y de DNA del cultivo, concluyendo el importante papel que desempeña la agitación en la agregación celular. (Liu, 2006). En 2001 se desarrollo investigación en células de la línea celular CHO (Chinese Hamster Ovary) utilizando 10% de SFB + medio DMEM en cultivos en spinner, evaluando los efectos de diversos antioxidantes en los niveles de apoptosis celular. En este estudio se compararon los efectos antioxidativos en cultivos en suspensión libres de suero, bajos en suero y con 10%, observando que los porcentajes apoptóticos de las células cultivadas en medio libre de suero fue mayor que en células con contenido de suero en el medio. Las concentraciones de célula viables en el cultivo celular sin SFB con GSH y en el cultivo bajo en suero 25 con GSH y VCP fueron de de 0.57, 1.04 y 1.69 x 10 (5) cells/ml, respectivamente, mientras aquellos donde no se utilizó suero y cultivos bajos en suero sin los antioxidantes eran sólo 2.33 y 1.17 x 10 (3) cells/ml, respectivamente. Los porcentajes de células apoptóticas en el cultivo sin suero y bajo en suero con VCP fue de (73.2, el 44.6 %) y GSH (76.9, el 38.6 %). El porcentaje de células que tienen un alto potencial en la membrana mitocondrial entre las células viables en los cultivos con antioxidantes fueron claramente más altas que los cultivos sin los antioxidantes. La producción de tPA en el cultivo sin suero y bajo en suero con VCP (0.282, 2.92 mg/l) o GSH (1.01, 1.61 mg/l) era notablemente más alta que en los cultivos sin antioxidantes (0.275, 0.689 mg/l). Por consiguiente, la supresión de apoptosis por el mantenimiento del potencial de la membrana mitocondrial por VCP O GSH causo un aumento marcado de la producción tPA por células CHO en el cultivo sin suero y bajo en suero. (Yun, 2001). En 2003 se presentaron resultados del estudio realizado en células hematopoyeticas cultivadas en biorreactor y en spinner, comparando la estabilidad y homogeneidad de la evolución del cultivo en los dos sistemas de cultivo a gran escala. (Chi, 2003). En 2004 se utilizaron spinners para cultivar células del septo nasal (condrocitos) observando la alta producción (en dos semanas se incrementó la población 14 veces con respecto a la inicial) de este tipo de células al utilizar cultivos en suspensión por medio de spinner para así poder evaluar las aplicaciones en reconstrucción craneomaxilofacial y prácticas de ortopedía (Shikani, 2004). En 2005 se realizaron cultivos en suspensión de células de mamífero utilizando spinner para la aplicación de biotecnología a gran escala, para así aumentar la productividad y densidad celular. En este estudio se utilizaron células HEK 293 y CHO que producían 7 x 106 cel/mL y 5 x 105 cel/mL respectivamente, en cultivos realizados en spinner (Muller, 2005). 26 En 2003 se presento un trabajo basado en el mejoramiento de cultivos en suspensión de células de insecto utilizando spinner. Experimentaron las características de crecimiento de Spodoptera frugiperda, utilizando células estándar de esta especie, (Sf9). Utilizaron también varios modelos y formas de spinner, observando la igualdad de condiciones en la producción de las células pero al modificar las formas geométricas del agitador se evidenció que el crecimiento disminuía notablemente. Al igual que se notó que los cambios en el cultivo se deben a contaminación en el medio (Annathur, 2003). En 1983 se realizaron experimentos en los que se utilizaron células de adenocarcinoma humano de colon LS174T cultivándolas en monocapa, spinner y cultivos tripsinizados; el estudio mostró que la producción de células cultivas en spinner fue mayor que en las células cultivadas en monocapa, lo cual permitía la producción de liposomas y actinomicin D (Tom, 1983). En 1983 se presentó un estudio encaminado a la producción del factor de crecimiento neural (NGF) en células PC12 derivadas de feocromocitoma en cultivos en suspensión los cuales no producen neuritas en este cultivo pero si forman pequeñas extensiones comparables con las producidas en células de este tipo cultivadas en monocapa. Estas extensiones son importantes en la locomoción y transporte del citoesqueleto, componentes de membrana y neurotransmisores. (Tischelr, 1983). Se presentó un trabajo en 1980, titulado «Crecimiento de líneas celulares de mamíferos en cultivos en spinner» demostrando que células derivadas de embriones, de adultos normales o de tejidos malignos pueden ser adaptadas a crecimiento de larga duración con medio apropiado y en agitación permanente. Al igual, se demostró que la adaptación de diferentes tipos celulares que naturalmente crecen en monocapa adheridas a superficies pueden ser adaptados a suspensión en un tiempo relativamente corto (de una a tres semanas). Igualmente en ese trabajo se describen detalladamente las características para mantener cultivos de células animales cultivas en spinner (Hlubinova, 1980). 27 En 1973 se realizó un estudio sobre el crecimiento de fibroblastos de hámster en cultivos en monocapa y en cultivos en suspensión utilizando spinner. Este estudio se realizó para observar la diferencia en cuanto a producción de la síntesis del glicolípido de Forssman (GL-5) en células de dos clones de hamsters. Sin embargo, este caso es el único en mostrar fallas en los cultivos realizados en spinner en cuanto a la respuesta densidad-dependiente (Sakiyama, 1973). En 2006 se realizó un estudio utilizando células derivadas de embriones del insecto lepidóptero Anticarsia gemmatalis, para constituir un sustrato celular adecuado para la producción in vitro del virus de la poliedrosis nuclear múltiple de Anticarsia gemmatalis (AgMNPV), un baculovirus extensamente utilizado como insecticida biológico para controlar la oruga de las leguminosas, una plaga principal de los cultivos de soya. Las células UFL-AG-286 fueron adaptadas al cultivo en suspensión agitada. Los cultivos adaptados crecieron con un tiempo de duplicación de 28,9 horas, y alcanzaron una densidad celular máxima de 3,70 x 106 células/mL (Gioria, 2006). En 1999 se realizó un estudio sobre la eliminación de suero en los medio para cultivos celulares. Observaron que el crecimiento de líneas células utilizadas en biofarmacéutica en ausencia del suero animal, ha sido intentado por muchos investigadores para mejorar el proceso y la calidad del producto, previniendo la exposición a agentes adventicios, y reduciendo gastos. Revisiones en la literatura sugieren que estudios académicos sobre el medio sin suero han sido buscados durante décadas, con variación en los niveles de éxito para tipos diferentes de células y líneas celulares en términos de alcanzar el crecimiento, conservando la función. El trabajo reciente con células CHO y con algúnos hibridomas ha sido acertado para propagar células en mayor escala en cultivosen suspensión en ausencia total de suero, conservando la capacidad de producción. En algunos casos, esto puede ser alcanzado no sólo sin el suero, sino también sin el empleo de otras proteínas extraídas de animales (Lubiniecki, 1999). 28 En 1991 se estudió la tecnología básica para las condiciones de cultivo de células para la producción de sustancias útiles como citoquinas. Varias clases de citoquinas pueden ser presentadas y expresadas en células Namalwa KJM-1. Algunos de estos fueron producidos en grandes cantidades por el empleo de un método de amplificación génico con genes dhfr, aun cuando las células Namalwa KJM-1 contuvieran genes endógenos dhfr. Para la producción estable de la proteína objetivo, las células Namalwa KJM-1 fueron útiles para esta producción, debido a que no tienen ninguna actividad eficaz endógena de proteasas en el medio condicionado. Usando cultivos en suspensión y un sistema de diálisis, la productividad específica de las proteínas objetivo no disminuyó en una alta densidad de células (Hosoi, 1991). En 1991 se realizó un estudio que llevo a observar que los Hibridomas se presta particularmente bien a técnicas de cultivo a gran escala ya que ellos crecen como células individuales en la suspensión sin requerir suero en el medio a una densidad similar a la adquirida en cultivos con suero animal, produciendo anticuerpos en igual cantidad. Esta revisión se concentró principalmente en el cultivo de hibridomas en medio libre de sueros con el objetivo de producir anticuerpos monoclonales (Merten, 1991). En el 2007 se examinó el gran potencial de las células del tallo cerebral humano embrionario (hES), células que ofrecen la oportunidad de estudíar procesos básicos del desarrollo in vitro así como para la producción de medicamentos, siendo estos usados como modelos de enfermedades, o la futura terapia celular. El requisito mas importante para la generación de progenies de células nerviosas humanas representa el requisito previo más importante. En este estudio se usaron seis líneas celulares hES para evaluar condiciones definidas para la diferenciación de los nervios en cultivos en suspensión y adherentes sin utilizar suero fetal, células alimentadoras o acido retinoico en ninguna parte del proceso. Supervisando la neurogénesis de cada una de las líneas usadas, en su morfología mediante ensayos inmunocitoquímicos y ensayos de RT-PCR (Nat, 2007). 29 En 2006 investigadores trabajaron en el aislamiento y el cultivo de tumores cerebrales humanos obtenidos en operación quirúrgica y estudíaron sus características biológicas. Los gliomas fueron totalmente cortados, tripsinizados, y filtrados para preparar suspensiones de células individuales. Las células fueron cultivadas en medio sin suero, purificadas y cultivadas continuamente in vitro para obtener esferas de células de tumor. Indujeron a las células tumorales del 5° pase a crecer con 10 % de FBS, y la expresión de marcadores de diferenciación de células como Nestin, MAP2, GFAP fue evaluada con técnicas immunocitoquimicas. Estas células mantuvieron un estado de crecimiento parecido a una esfera in vitro (3 meses, 14 pasos), al igual que autorenovarse, proliferar y condicionalmente diferenciarse en MAP2 (+) Y GFAP (+) células. Sin embargo, las células no tuvieron estas propiedades (Huang, 2006). En 2006 se realizó cultivo y subcultivo para células de glioma e investigaron el potencial de diferenciación de estas. Las células de glioma humano fueron disociadas mecánicamente y luego cultivadas en medio N2 o el B27 con el factor de crecimiento básico de fibroblasto (bFGF) y el factor de crecimiento epidérmico (EGF), identificados inmunocitoquímicamente. Los gliomas humanos fueron cultivados satisfactoriamente con crecimiento celular individual de células en suspensión, las cuales pueden ser cultivadas y pasadas a cultivos en monocapa. La mayoría de las células expresaron vimentin y nestin, que son los marcadores para células de tallo de los nervios. Igualmente se diferenciaron en neuronas y astrocitos, y expresaron proteína ácida fibrilar de la glia (GAFP) y beta III- tubulina respectivamente (Yang, 2006). 2.3.3. Líneas celulares derivadas de sistema nervioso Una de las herramientas más eficientes para el estudio del desarrollo neural y la restauración de enfermedades neurológicas, es el sistema modelo que ofrecen las líneas celulares inmortalizadas; de igual manera las líneas y cultivos primarios son de vital importancia en estudios oncogénicos para el establecimiento de 30 características y funciones de las células precursoras de tumores. Recientemente se han obtenido líneas celulares de neuroblastomas y gliomas, partiendo de células tumorales únicas, brindando una oportunidad para la investigación de diferencias fundamentales entre glia y neuronas. Algunas de estas líneas celulares han sido producidas con ayuda de técnicas en ingeniería genética básicamente con inserción de genes en células inmortales ya existentes o por inmortalización de cultivos celulares primarios. Este método mencionado ofrece grandes ventajas para producir poblaciones numerosas de un mismo tipo de célula por medio de clonación, las cuales pueden ser manipuladas medíante cultivos con condiciones controladas (Hülsen, 2004; Geller, 1991). Las líneas celulares ofrecen características ventajosas en comparación a los cultivos primarios. Ejemplo de esto es la fácil manipulación y el crecimiento continuo de un mayor número de células. Claro está, con la desventaja de perder propiedades con relación a la muestra tumoral inicial (Gil – Salu, 2002; Westphal, 1998). Existen aspectos relevantes al momento de iniciar o trabajar con una línea celular; la línea celular surge de un cultivo primario, es por esto que se hace necesaria la caracterización de las células por su origen gliar (determinante al momento de conocer el linaje) (Westphal, 1998). Como primera medida es necesario entender que los tumores gliales representan el más común de los tumores intracraneanos, debido a sus características sobresalientes de malignidad, resistencia a terapias tales como quimioterapia e irradíación antes de la cirugía, así como también de la rápida evolución de los mismos (Escobar, 2002; Kleihues, 2000). Como antes ya se había mencionado, en las líneas celulares se encuentran múltiples clones celulares neuronales. Ejemplo de esto son las líneas celulares C1300 de células neuronales, C6 y CHB de astrocitomas (McMorris, 1973) y las líneas de células de Schwann RN-2 (Pfeiffer, 1972). A continuación se expondrá brevemente la importancia de cada una de estas líneas celulares de orígenes cerebrales diversos. 31 La línea C1300 induce el incremento de producción de AMP cíclico (cAMP), como también el aumento de la actividad de Tirosin hidroxilasa y dopamina β- hidroxilasa (Waymire, 1978). Es importante resaltar que el AMP cíclico estimula el crecimiento de neuritas en neuroblastomas cultivados (Rindler, 1978). La línea C6 y CHB resaltan otra importante función de las líneas celulares, la cual se basa en la producción de proteínas en altos niveles, lo cual es de gran importancia en la industria farmacéutica. Esta línea presenta niveles altos de la proteína S-100, molécula característica del cerebro de vertebrados, debido a su papel en el desarrollo y fisiología del cerebro (Phillips, 1993) y por el control que ejerce sobre la actividad de la trombina, involucrada en mitogénesis y diferenciación (Dinhanich, 1991) y encontrada en tumores cerebrales de humanos y animales (McMorris, 1973; Benda, 1968; Phillips, 1993). La línea de células de Schwann RN-2 tiene como característica importante la capacidad relativa de responder al factor de crecimiento S-100, sugiriendo así que las células de Schwann de rata, porel estímulo crónico mitogénico pueden proporcionar un modelo experimental de animal para schwannomas humano y neurofibromas. Es conocida la posibilidad de cultivar células tumorales malignas in vitro para posterior estudio y así obtener líneas celulares de tumores tomados por biopsias de pacientes (Ridder, 1987; Bjerkvig, 1990). Estas líneas pueden mantenerse durante varios meses congeladas, revivirlas y transferirlas a cultivos en monocapa o en suspensión. Al mismo tiempo, se pueden reimplantar en modelos animales para usarse como una medida para la migración de la célula tumoral bajo condiciones reguladas (Bjerkvig, 1986) o para la caracterización del genotipo y fenotipo de las células invasivas (Bigner, 1987; Bjerkvig, 1989). En estudios histológicos de tumores malignos del cerebro de ratas y humanos, los tumores se han propagado a astrocitomas, oligodendrogliomas, glioblastomas, schwannomas y meduloblastomas malignos (Bjerkvig, 1990). Es interesante que algunos explantes de tumores sólidos retienen 32 sus características histológicas in vitro como por ejemplo los glioblastomas o schwannomas. Sin embargo, en muestras pequeñas de tejido tumoral, la caracterización biológica es más fiable que la histológica (Hülser, 2004). Con esta gran cantidad de métodos de cultivo, dirigido al estudio de las poblaciones de células nerviosas, esta disponible una potente herramienta para el estudio de invasiones en el tejido de cerebro in vivo. Como puede apreciarse, los conocimientos básicos sobre el metabolismo de estas células tumorales las haría más manipulables para producir proteínas y metabolitos que podrían explotarse a nivel industrial utilizando ingeniería metabólica. 2.4. Ependimocitos en el epitelio y Ependimoma Las células ependimales son células que recubren los ventrículos en la parte central del cerebro y la médula espinal y proveen la vía a través de la cual circula el líquido cefalorraquídeo. Las células gliales normales crecen y se dividen muy lentamente. La mayoría de los tumores del cerebro y de la médula espinal se originan a partir de las células gliales (Gatta, 2002). El epitelio ependimario está formado por células gliales de origen neuroectodérmico que revisten las cavidades que derivan del tubo nervioso: el epéndimo y los ventrículos cerebrales. Durante el desarrollo, el epitelio que tapiza las cavidades del SNC forma la "zona ventricular" y su proliferación da lugar a los neuroblastos y glioblastos que se diferenciarán para formar las neuronas y las células gliales del SNC. Cuando las células de la zona ventricular dejan de dividirse se diferencian para formar el epitelio ependimario (Moynihan, 2003). El epitelio ependimario es un epitelio simple cúbico-cilíndrico ciliado en el que se pueden distinguir dos tipos diferentes de células ependimarias: los ependimocitos propiamente dichos y los tanicitos. En algunas zonas de la luz ependimaria o ventricular existen unas células aisladas sobre la superficie de los ependimocitos: células supraependimarias. Estas células supraependimarias tienen expansiones 33 citoplasmáticas y parece que pueden penetrar en el tejido nervioso y convertirse en macrófagos. En la superficie del epitelio ependimario también pueden encontrarse terminaciones sensoriales (Moynihan, 2003) • La superficie apical está cubierta de abundantes cilios y de algunas microvellosidades (Akimoto, 1993). • Las superficies laterales de células adyacentes están unidas por zónulas adherentes y uniones tipo "gap", pero no hay uniones ocluyentes (Akimoto, 1993). • La superficie basal está apoyada directamente (sin membrana basal) sobre una capa subependimaria formada por astrocitos y células microgliales, y sus prolongaciones (Akimoto, 1993). • El citoplasma contiene fascículos de filamentos intermedios y un cúmulo de mitocondrias en el polo apical, además de los cuerpos basales donde se originan los cilios (Akimoto, 1993). • El núcleo es ovalado o redondo y su superficie es regular (Brisson, 2002). 2.4.1. Funciones del epitelio ependimario Las principales funciones del epitelio ependimario son: • Movilizar el líquido cefalorraquídeo (LCR) que rellena las cavidades ventriculares y ependimaria • Capturar residuos del LCR (gracias a una lectina con propiedades adhesivas que hay en la superficie de las células ependimarias) • Soporte mecánico (por las prolongaciones de los tanicitos) • Recepción sensorial (por las terminaciones sensoriales supraependimarias) 34 • Intercambio de sustancias: el epitelio ependimario juega un papel importante en el intercambio de sustancias que tiene lugar entre el líquido cefalorraquídeo (que ocupa la cavidad ependimaria y los ventrículos) y el tejido nervioso. Los productos que se encuentran el LCR pueden alcanzar el espacio intercelular del tejido nervioso puesto que no existen uniones ocluyentes entre los ependimocitos. Cuando se dividen aumentan la progenie neuronal y glial. Se ha propuesto, además, que se dividen asimétricamente para formar células hijas las cuales permanecen indiferenciadas en la capa ependimaria mientras otras células se mueven hacia la capa baja subventricular, para ser una fuente precursora de neuronas y glia que migran hacia sus destinos finales. En experimentos con ratas a las que se les produjo una lesión en su médula espinal se encontró, que la división de las células vástago se incrementaba dramáticamente, para generar astrocitos migratorios dentro del área lesionada, evento aún desconocido en seres humanos (Hutchins, 1998). 2.4.2. Ependimoma Los tumores primarios del sistema nervioso central (SNC) se encuentran en alrededor del 1% de las autopsias de hospitales generales, sin considerar las metástasis, que del total de los tumores del SNC representan alrededor del 30%. Los ependimomas son tumores del SNC que provienen de la pared del sistema ventricular a lo largo del eje entero craneoespinal (Kleihues, 2002). Aunque ependimomas de regiones diferentes del SNC son histológicamente similares, ellos son clínica (Moynihan, 2003) y genéticamente (Ebert, 1999; Taylor, 2005) distintos, sugiriendo que representan una colección de enfermedades diferentes. Los ependimomas son tumores que surgen en todos los lugares del SNC. Poco se conoce en cuanto a los procesos celulares y moleculares que generan estos tumores (menos del 5% de los estudios de investigación de tumores cerebrales en 35 los últimos 5 años han sido sobre ependimomas). Esta carencia de conocimiento ha obstaculizado esfuerzos para reducir la mortalidad significativa asociada con ependimoma (Poppleton, 2007). A pesar que en la parte clínica los casos de ependimoma son mas del 6%, muy pocos datos nuevos se han recolectado sobre la biología y el tratamiento del ependimoma durante los últimos 20 años (Gatta, 2002). Los tumores neuroepiteliales, salvo casos muy excepcionales, no dan metástasis fuera del SNC. Para explicar este hecho se han argumentado, entre otras razones, la ausencia de vasos linfáticos en el sistema nervioso central y entre éste y los demás órganos, y la rareza de invasión vascular sanguínea por parte de un tumor neuroepitelial. Ciertos tumores neuroepiteliales pueden dar metástasis intraorgánicas a través del líquido cefalorraquídeo, tales como el meduloblastoma, el ependimoma, el oligodendroglioma y el glioblastoma multiforme (Poppleton, 2007). Los ependimomas presentan una frecuencia relativa de alrededor del 5% de los tumores primarios, la mayor parte de los ependimomas intracraneanos ocurre en la primera década; en cambio, la mayoría de los de la médula espinal se presenta en adultos, estos tumores no tiene predilección por sexo aunque presentan un leve predominio en los hombres; siempre tienen relación de continuidad con alguna zona del epéndimo. Pororden de frecuencia se presentan en hemisferios cerebrales, piso del cuarto ventrículo y médula espinal. Algunos de estos últimos se originan en el filum terminale; son los ependimomas de la cauda equina (Chuaqui, 1996). Macroscopícamente el tejido tumoral es grisáceo, granuloso, frecuentemente con transformación quística, y a veces con calcificaciones. Mientras que microscópicamente presentan un parénquima tumoral hecho de células de medíano tamaño, núcleos circulares u ovalados, citoplasma en regular cuantía, eosinófilo pálido. La celularidad y carga cromática de los núcleos es variable. Este tipo de tumores tiene una microarquitectura frecuente de corona radíada y menos frecuente en rosetas y túbulos. Los de la cauda equina tienen característicamente 36 degeneración mixoide, lo que hace que las coronas radíadas aparezcan como pseudopapilas; se los llama ependimomas mixopapilares (Chuaqui, 1996). 2.4.3. Metabolismo de los ependimocitos Glutamina sintetasa La glutamina sintetasa (GS), es una proteína que cataliza la conversión de amoníaco y glutamato a glutamina. En el sistema nervioso de los vertebrados la glutamina sintetasa está presente en todas partes del cerebro jugando un papel central en la desintoxicación de amoníaco cerebral y en la regulación metabólica del neurotransmisor glutamato. La GS esta localizada principalmente en astrocitos, tanto in vivo como in vitro. Además, la GS ha sido descrita en células radíales de la glial y en algunas células ependimales en vertebrados inferiores. Y tambien se ha reportado que se encuentra en oligodendrocitos (Niño, 2005). La glutamina sintetasa esta implicada en la destoxificación del amonio en el cerebro. Esta enzima se encuentra exclusivamente en los astrocitos y, en estos, específicamente en el citosol. La actividad de la enzima aumenta hasta las dos primeras semanas de vida postnatal. Los niveles de la actividad de la GS están relacionados con la maduración de los astrocitos por lo que se ha propuesto que la GS puede ser utilizada como una enzima marcadora de la maduración de los astrocitos. Sin embargo, no hay un apreciable incremento de la actividad de esta enzima en cultivos primarios de astrocitos, indicando que la diferenciación de estas células está seriamente limitada en cultivo. No obstante, la magnitud de este efecto se disminuye en cocultivos con neuronas, que inducen la actividad de la GS en los astrocitos. Estos resultados sugieren que, durante el desarrollo, las neuronas juegan un papel importante en la diferenciación de los astrocitos. Por otro lado, experimentos de resonancia magnética nuclear (NMR) con (1-13C)-glucosa, han puesto de manifiesto que los astrocitos en cultivo liberan glutamato al medio, lo que indica que in vitro existe actividad de la GS (Niño, 2005). Uno de los papeles más importantes de los astrocitos en el cerebro es proteger las neuronas contra la excitocisidad debido a la captura de el exceso de amoníaco y glutamato y convirtiéndolo en glutamina vía GS. La Glutamina liberada al 37 espacio extracelular por la accion de la GS, puede ser usada por neuronas como un precursor de glutamato. El glutamato liberado por neuronas entonces puede ser capturado por astrocitos y convertido de nuevo en glutamina (Hertz et al., 1978). Los niveles normales de amoníaco en el cerebro aparecen cuando los astrocitos convierten glutamato a glutamina, manteniendo el glutamato intracelular en un nivel muy bajo. La GS glial también puede estar implicado en estados patológicos cerebrales por el aumento o disminución de los niveles de la enzima, aunque la respuesta especifica responde específicamente de la lesión. Por ejemplo, la actividad de la GS disminuye en la corteza cerebral en la enfermedad de Alzheimer, en particular en los alrededores de placas seniles. GS también se disminuye en las condiciones de privación de glucosa. Sin embargo, GS aumenta después de isquemias al igual que en casos de hiperamonemia en astrocitos que normalmente no muestra GS- inmunoreactividad (Niño, 2005). La expresión de la enzima glutamina sintetasa (GS) fue estudíada en varios tumores humanos cerebrales y comparado con resultados obtenidos de la expresión de la proteína acida fibrilar de la glia (GFAP) utilizando immunoperoxidasa indirecto y métodos peroxidase-anti-peroxidase. Los Astrocitomas dieron positivo para GS, los ependimomas fueron débilmente positivo, aunque mostro una reacción densa GFAP fuera descubierta alrededor de vasos sanguíneos; posiblemente debido a la presencia de procesos del pie astrocitico. Oligodendrocitomas y meningiomas fueron generalmente negativos (Pilkington, 1982). La presencia de esta enzima fue reportada en 1984 en una investigación sobre la heterogeneidad celular en cultivos primarios de células cerebrales haciendo pruebas inmunocitoquímicas para ver la localizacion de la glutamina sintetasa, proteína acida fibrilar de la glia, galactocerebrosidos y fibronectina, localizadas por inmunofluorescencia. Encontrando que aproximadamente la mitad de la proteína acida fibrilar de la glia la contienen los astroblastos. En los cultivos celulares que reportaban presencia de glutamina sintetasa, no se reportó presencia 38 de fibronectina. Esto sugiere la presencia de dos poblaciones diferentes de células en los cultivos (Hallermayer, 1984) En 1986 se reportó de nuevo la expresión de proteína acida fibrilar de la glia, proteína S100 y glutamina sintetasa en ependimocitos. La expresión de estas tres proteínas en células ependimales de raton fueron estudíada por el empleo de la técnica immunocitoquímica peroxidasa-antiperoxidase en cultivos celulares in vitro. (Didier, 1986). En 1998, se reportó la presencia en ependimocitos de la enzima glutamina sintetasa en una revision sobre la expresión de glutamina sintetasa, ademas de la morfología de estas celulas y cuales son los efectos del galactosil-ceramida en la expresión de la GS. Igualmente dan nuevas ideas sobre resultados relatados en otras publicaciones sobre el cultivo in vitro de células ependimales y las expresiones neuropeptidicas y neurosecretoras reguladas por la activación serotoninergica (Gabrion, 1998). En 1993, se realizó el análisis inmunohistoquímico de Glutamina sintetasa en tejido de tumor normal cerebral, usando el anticuerpo anti-GS. La GS no estaba presente en absoluto en las células ependimales pero si fue visto en astrocitos. De otra manera, GS fue expresado sólo en las células de tumor metastaticas cerebrales. La expresión de GS en el cerebro normal reflejó la función innata por su presencia pronunciada en el astrocitos, donde la transmisión de ácido glutamico era abundante. Este encuentro junto con la expresión histological relacionada con la malignidad de GS en el astrocitomas y ependimomas sugiere que esto pudiera ser no sólo un marcador útil para el díagnóstico de tumor pathologico, sino también útil para evaluar cataplasia funcional de células que componen tumor o su potencial de proliferación (Akimoto, 1993). En el año 2002, se establecieron condiciones para el cultivo a largo plazo de ependimocitos humanos tumorales. Histológica e inmunológicamente, mostraron que los rasgos de estas células cultivadas eran similares a los del tumor in vivo. Y advierten que este modelo de cultivo puede representar un nuevo instrumento 39 poderoso para estudiar nuevas estrategias de entrega terapéuticas en células tumorales (Brisson, 2002). 3. Formulación del problema y justificación 3.1. Formulación del problema El cultivo de células animales ha adquirido gran importancia en los últimos años en vista de que este tipo de células pueden ser utilizadas para la producción de proteínas recombinantes de uso farmacéutico, ya que en ellas se pueden efectuar glicosilaciones que no son posibles ni en levaduras ni en bacterias.Los ependimomas son tumores primarios del sistema nervioso, que afectan a niños y adultos. La incidencia poblacional estimada en nuestro medio de los ependimomas malignos es de aproximadamente 4 casos por 100.000 habitantes/año. Si bien la incidencia poblacional de los gliomas no es muy alta en términos relativos, la falta de un tratamiento eficaz supone un problema médico de gran importancia. Además, los ependimomas representan el 3 - 9% de los tumores neuroepiteliales de pacientes de edades inferiores a 9 años. 3.2. Pregunta de investigación ¿Existe diferencia en el crecimiento y productividad de cultivos de células derivadas de ependimoma adaptadas a suspensión utilizando diferentes concentraciones de Suero Fetal Bovino? 3.3. Justificación de la investigación La productividad de las células adherentes es relativamente baja y es necesario contar con un mecanismo que produzca una gran concentración de células para alcanzar un mejor rendimiento, este mecanismo es el cultivo de las mismas células animales pero en suspensión. A pesar de que existen células que solamente crecen en suspensión, la mayor parte de las células que se mantienen en cultivo proceden de disgregación tisular o de tumores que necesitan adherirse al sustrato para mantenerse. El cultivo de células en suspensión tiene algunas ventajas de interés 40 industrial: mayor facilidad de manipulación y pase de un cultivo al siguiente (replaqueo) pues no requieren separación del sustrato medíante tripsinización; posibilidad de escalamiento a mayor escala incrementando la biomasa. Sin embargo también tiene algunas desventajas: son cultivos homogéneos en los que se pierden interacciones celulares y existe gran dificultad en la purificación de los productos principalmente proteínas por la utilización de suero. En este trabajo se buscará la adaptación de células adherentes, de origen nervioso, a cultivos en suspensión buscando aumentar la productividad medida como biomasa y disminuyendo al máximo la cantidad de suero necesario para mantener su crecimiento. 4. Objetivos 4.1. Objetivo General • Obtener una línea celular primaria de un ependimoma humano y adaptar las células adherentes derivadas del tumor a cultivos en suspensión (spinner). 4.2. Objetivos específicos • Determinar las características inmunohistoquímicas del ependimoma. • Mantener in vitro y determinar las características inmunocitoquímicas de las células derivadas de ependimoma. • Criopreservar la línea celular obtenida. • Adaptar la línea de células derivadas del ependimoma a suspensión utilizando Spinner y evaluar su crecimiento y productividad de un cultivo. 5. Materiales y Métodos 5.1. Materiales Biopsia de ependimoma; cajas de 12 pozos estériles; tubos Falcón (15 ml); celdas para espectrofotómetro; tubos Eppendorf; azul de tripano; PBS; tubos de ensayo; tripsina; agua desionizada; frascos Roux; botellas estériles (Shott®); suero fetal 41 bovino (BFS); pipetas; micropipetas; gasa; algodón; filtro; medio Eagle modificado por Dulbecco (DMEM); azul de Comassie, cristal violeta. Las muestras fueron obtenidas de biopsias de pacientes díagnosticados con ependimoma, a partir de neurocirugía en el Hospital San Ignacio. La muestra se dividio en dos partes una fue fijada en formol (Laboratorio de Neuropatología) y la otra fue enfriada asépticamente y trasladada al laboratorio de Neurobioquímica, para hacer el proceso de disgregación e iniciación del cultivo en monocapa (Ver anexo 1). 5.2. Equipos Centrifuga; sonicador; incubadora; agitador magnético; cámara de Neubauer; cabina de flujo laminar; bomba de vació; microscopio invertido; spinner; espectrofotómetro. 5.3. Métodos 5.3.1. Seguimiento citomorfológico de las células cultivadas en monocapa. Se identificaron las diversas variaciones morfológicas con prolongaciones celulares, cuerpos celulares de forma plana y alargada de forma que coincidiera con lo descrito por otros autores. Al final del cultivo se formó una monocapa homogénea de células. Se observó un crecimiento logarítmico de la población de células desde el primer momento del cultivo hasta que llegaron a la confluencia. 5.3.2. Preparación del cultivo de células en placa Para la realización de los cultivos, una fracción de tejido del tumor cerebral se sometió a un proceso de disociación mecánica en el laboratorio de Neurobioquímica. (Tovar, 1995). Se sembraron explantes del tumor en 5mL de medio DMEM más 10% de SFB en frascos Roux y incubaron a 37°C con un 5% de CO2. Se hizó seguimiento en el microscopio para ver si aumentaba la cantidad de células. Cuando las cajas tenían 42 un 90% de confluencia se realizó un replaqueo de células, el cual consistió, en succionar el medio (se debe estar seguro que las células estan adheridas a la placa) por medio de una bomba de vacio bajo cámara de flujo laminar. Posteriormente las cajas se lavaron con 3 mL de PBS, se succionó el PBS y se adicionaron 3mL de Tripsina-EDTA al 10%; y se llevó la caja a incubadora por 5 minutos. Posterior a esto se retiró de la incubadora y se golpeó la base; se miró al microscopio para asegurarse que las células se despegaron de esta. Se adicionaron 3 mL de DMEM + SFB y se recogió en un tubo Falcom. Posteriormente se centrifugó a 1800 rpm por 5 min; se succionó el sobrenadante y se resuspendieron las células en 1 mL de DMEM + SFB. Se hizó conteo de células en la camara de Neubauer y se siembra en cajas Roux según el número de células existentes (900000/mL). Este proceso se lleva a cabo tres veces, llevando el cultivo al tercer pase, en donde se siembran en pozos y se hizo la curva de crecimiento. En los cultivos adherentes en pozos, se trabajaron 3 por día (cada tres días) para determinar número de células, cantidad de proteína, contenido de DNA. Para la determinación del número de células se utilizó la solución de azul de tripano (5%) para células viables. La determinación de proteína se realizó por la técnica de Bradford y UV (Stoscheck, 1990; Copeland, 1994). La cuantificación de la cantidad de DNA se llevó a cabo por la técnica espectrofotometrica; las muestras se llevaron a una celda de cuarzo para su lectura a 260, 280nm de absorbancia en un espectrofotómetro de luz ultravioleta (Current, 1989) (ver anexo 5). 5.3.3. Caracterización inmunohistoquímica del ependimoma Una fracción del tumor fue fijado en formol al 10 % en buffer fosfato pH 7.2, deshidratado e incluido en parafina en láminas con HISTOGRIP para evitar el desprendimiento del tejido. Posteriormente se lavó con TRIS, se secó y colocó en solución bloqueadora para evitar marcaje de sitios inespecíficos; posteriormente se escurrió y se colocaron los anticuerpos: proteína ácida fibrilar de la glía (GFAP), Sinaptofisina, proteína Ki-67 y proteína S-100 en cámara húmeda. Se 43 lavó con TRIS y se secó cada lámina manualmente. Se agregó avidina-biotina, se lavó con TRIS y se reveló con díaminobenzidina (DAB). Se hizo contraste con hematoxilina de 30 a 45 seg, se enjuagó, deshidrató y montó. Esta caracterización se llevó a cabo en el laboratorio de Neuropatología (Gil-Salu, 2002) (ver anexo 3). 5.3.4. Almacenamiento y reconstitución de los cultivos celulares. 5.3.4.1. Congelamiento Protocolo 1. Resuspender la monocapa empleando cell scraper. 2. Centrifugar a 500g por 5 minutos. 3. Retirar el sobrenadante. 4. Resuspender suavemente el botón celular y adicional 1 mL de medio de congelamiento (Medio de congelamiento: 10% de dimetil sulfoxido (DMS) en FBS). 5. Tomar la suspensión y depositarla en un criovial. 6. Congelar a -70°C durante 24 horas y luego llevar a nitrógeno líquido. 5.3.4.2. Descongelamiento Protocolo 1. Preparar un tubo para centrifuga con 9 ml de medio sin suero fetal bovino. 2. Tomar el criovial y llevarlo a 37°C en baño de
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