cultivos celulares

Cultivos celulares y su utilidad clínica

Para el estudio de determinados procesos biológicos resulta interesante poder cultivar células en el laboratorio (in vitro), en lugar de recurrir a muestras de tejido (in vivo). Esto es de especial relevancia a la hora de estudiar cómo se desarrollan ciertos agentes infecciosos, y las respuestas de las células ante estos agentes. En este artículo explicaremos las principales técnicas empleadas para los cultivos celulares en laboratorio, y algunas de sus aplicaciones.

Generalidades de los cultivos celulares

El cultivo de tejidos en laboratorio tiene su origen en el siglo XIX, cuando el médico inglés Sydney Ringer desarrolló una solución salina capaz de mantener un corazón de animal latiendo fuera del cuerpo. Los componentes de dicha solución, llamada Solución de Ringer, eran cloruro de sodio, potasio, calcio y magnesio.

La técnica mejoró con posterioridad, y a mediados del siglo XX permitió avanzar en el estudio de los virus, al poder cultivar en el laboratorio células animales para ser infectadas por estos. Así, la vacuna de la polio de Jonas Salk fue la primera en beneficiarse de esta técnica en la década de 1950.

cultivos celulares
Imagen 1. Las placas Petri son ampliamente utilizadas para cultivos celulares en superficie. Permiten el paso de aire, lo cual evita que se forme condensación en su interior.

Crecimiento de las células en cultivo

Para su crecimiento, las células son mantenidas en condiciones de temperatura y pH similares a las del cuerpo humano. También es importante la atmósfera en la que crecen las células, pues debe recrear las condiciones en las que estas se encuentran dentro del cuerpo, es decir, un 95% de oxígeno y un 5% de CO2 que debe eliminarse de forma continuada.

Tipos de cultivos celulares

Las células pueden crecer de forma aislada en un medio líquido (como las células presentes en el torrente sanguíneo) o bien sobre una superficie (lo habitual en células que forman parte de tejidos). El cultivo de células en superficie se realiza frecuentemente en placas Petri, compuestas por dos partes circulares de plástico que permiten el paso de aire. Existen otras técnicas, aunque menos extendidas, que permiten el cultivo celular en 3D, por ejemplo mediante levitación magnética.

Un problema del cultivo de células eucariotas es que estas solo se pueden dividir un número limitado de veces (conocido como límite de Hayflick), debido a restricciones en la replicación del ADN relacionadas los extremos de los cromosomas, llamados telómeros. Las células precisan de una enzima particular, la telomerasa, para evitar la degradación de los telómeros en sucesivas replicaciones.

Puesto que se desea trabajar con células de tejidos específicos, el uso de células madre (que se pueden dividir de forma continuada pero no están diferenciadas) no es habitual. En lugar de ello, se emplean células tumorales inmortales, que se encuentran diferenciadas y pueden dividirse de forma ilimitada.

Líneas celulares para cultivo y sus aplicaciones

Un grupo de células similares que pueden ser cultivadas en laboratorio de forma continuada recibe el nombre de línea celular. De todas las líneas celulares existentes a partir de células tumorales, la más usada y conocida son las células HeLa. Se trata de células derivadas de una muestra de tejido afectado por cáncer cérvico-uterino procedente de una mujer afroamericana llamada Henrietta Lacks, que falleció de esta enfermedad en 1951.

Sus células permanecen vivas y han sido usadas en infinidad de experimentos cínicos desde ese año. El nombre del linaje celular es un acrónimo del nombre de la paciente. Estas células pueden dividirse indefinidamente gracias a que poseen la enzima telomerasa

Una característica llamativa de las células HeLa es que poseen 82 cromosomas en lugar de los 46 que son habituales en células humanas. Debido a la rápida división de esta línea celular, que provoca errores durante la división celular, y al efecto de transferencia de genes del virus del papiloma humano que había provocado el cáncer a Henrietta Lacks, los cromosomas se encuentran triplicados (3n) en lugar de duplicados (2n), como es habitual en células humanas, además de poseer copias adicionales de otros cromosomas. 

Aplicaciones del cultivo celular de células HeLa

Las células HeLa han sido usadas en numerosas aplicaciones médicas. En los años 50 fueron utilizadas para probar la eficacia de la vacuna de la poliomielitis desarrollada por Jonas Salk. Las células infectadas por el virus morían, mientras que la vacuna evitaba que esto ocurriese. Sin la enorme cantidad de células HeLa que se podían producir en laboratorio, las pruebas para la obtención de la vacuna hubieran sido mucho más difíciles de realizar. En el año 1954 la vacuna estuvo lista para su uso extensivo en humanos, que permitió la erradicación de la polio en numerosos países.

Además, el estudio de las células HeLa permitió identificar el virus del papiloma humano y relacionarlo con el cáncer de cérvix, un descubrimiento que le valió a Harald zur Hausen el premio Nobel en medicina en 2008 y llevó al desarrollo de la vacuna del VPH.

Las células HeLa también permitieron, de forma casi accidental al contaminar un cultivo celular diferente, el descubrimiento de una técnica de tinción que permite observar con precisión los cromosomas. Esto llevó a la primera estimación del número de cromosomas de las células HeLa, y también a la determinación exacta del número de cromosomas de las células humanas, que hasta entonces se creía que eran 48. Esto ha tenido importantes aplicaciones en el estudio de enfermedades genéticas como el síndrome de Down, provocado por una alteración en el número de cromosomas (copia extra del cromosoma 13).

Por otra parte, estas células han sido usadas de forma extensiva para el estudio del cáncer y de diferentes tratamientos que afecten de forma específica a las células tumorales. Así, han sido empleadas para el estudio de técnicas que provocan la muerte celular programada. En 1965 se consiguió hibridar células HeLa con otras células animales, un hito en los estudios genéticos que permitió el desarrollo de técnicas de análisis genético que desembocaron en el Proyecto Genoma Humano, iniciado en 1990, que culminó con la secuenciación completa del genoma humano en 2003.

células hela con microscopio de barrido de cultivo celular
Imagen 2. Células HeLa, fotografiadas por microscopía electrónica de barrido.

Otras líneas celulares

Otras líneas celulares humanas que son empleadas en laboratorios, por citar solo algunos ejemplos, son la BT-20 (cáncer de mama), Calu-3 (adenocarcinoma pulmonar), DAOY (meduloblastoma cerebral), Jurkat (linfocitos T, leucemia) o WM39 (melanoma). También existen líneas celulares procedentes de fetos que no llegaron a desarrollarse, como la HEK293 de epitelio de riñón.

Asimismo, se emplean diversas líneas celulares procedentes de otros animales, tanto células tumorales como embrionarias. Las más comunes son las de ratón pero también existen líneas celulares establecidas de perro, hámster, pez cebra o algunos insectos. Un tipo celular ampliamente usado son las células Vero, procedentes de riñón de mono verde africano (Cercopithecus aethiops). Se trata de células inmortales con un número anómalo de cromosomas que se emplean en el estudio de diversas enfermedades.

Utilidad de los cultivos celulares en el estudio de virus

Ya que los virus precisan de células vivas para reproducirse, su investigación in vitro requiere de cultivos celulares del tejido adecuado. La presencia de virus en cultivos celulares puede determinarse mediante detección de antígenos por fluorescencia o bien por la aparición de células muertas en el cultivo celular, formando “calvas” circulares características en el medio de cultivo. Algunos virus que se pueden identificar en una muestra mediante estas técnicas son los adenovirus, enterovirus, herpes, influenza, rinovirus, varicela o paperas.

Actualmente se están desarrollando técnicas para el estudio de SARS-CoV-2 en laboratorio mediante cultivos celulares. No existe todavía un patrón estandarizado para estas técnicas, por lo que distintos ensayos clínicos han usado diferentes líneas celulares. La que más se ha usado ha sido la línea celular Vero (concretamente Vero E6), pero también otras como Caco-2 (adenocarcinoma colorrectal humano) o ATTC MK2 (epitelio renal de mono Rhesus, Macaca mulatta).

El cultivo de virus en laboratorio es indispensable para el desarrollo de cualquier vacuna, pues permite testar su eficiencia en las primeras fases de ensayos clínicos, antes de pasar a las pruebas con humanos.

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Fuentes

  1. Jefferson T, Spencer EA, Brassey J, Heneghan C (2020).  Viral cultures for COVID-19 infectivity assessment – a systematic review. medRxiv (consultado el 23/2/2020). doi: https://doi.org/10.1101/2020.08.04.20167932
  2. Lucey BP, Nelson-Rees WA, Hutchins GM (2009). Henrietta Lacks, HeLa Cells, and Cell Culture Contamination. Archives of Pathology & Laboratory Medicine Online. 133 (9): 1463–7. doi:10.1043/1543-2165-133.9.1463
  3. Tennant P, Fermin G (2018). Viruses as Targets for Biotechnology. Viruses. pp. 317–338. doi:10.1016/B978-0-12-811257-1.00013-9
  4. Hayflick L (1998). A brief history of the mortality and immortality of cultured cells. The Keio Journal of Medicine. 3. 47 (3): 174–82. doi:10.2302/kjm.47.174

Rubén Portela
Biólogo, doctorado en ecología por la Universidad de A Coruña. Apasionado por la ciencia y enamorado desde la infancia de la naturaleza y los animales, especialmente la biología marina y los insectos.