Hematopoyesis, formación de células sanguíneas, en la médula osea
- 1. 1 TEJIDO HEMATOPOYÉTICO 1. ORIGEN DE LA MÉDULA ÓSEA Las células sanguíneas del adulto se forman, con la excepción de los linfocitos, exclusivamente en la médula ósea. La localización anatómica del sistema hematopoyético cambia a lo largo del desarrollo embrionario y postnatal. Hoy día se piensa que este proceso se inicia durante la embriogénesis, a partir de células mesodérmicas. Durante la vida fetal la producción celular se inicia en el saco vitelino y después en hígado y bazo. A partir del quinto mes de gestación aparece la hematopoyesis en la médula ósea, reemplazando a las células anteriores. Al momento de nacer, la hematopoyesis esplénica y hepática han desaparecido, aunque durante los primeros años de vida pueden reaparecer frente a condiciones de demanda aumentada de células sanguíneas. El tejido hematopoyético, que al nacer ocupa prácticamente todo el tejido óseo, disminuye gradualmente con el desarrollo hasta que en el adulto normal se localiza solamente en los huesos planos, como vértebras, esternón, costillas y pelvis. Se conoce como hematopoyesis al mecanismo responsable del crecimiento y diferenciación de las células hematológicas. El sistema hematopoyético permite la reposición continua de estas células, y la respuesta a situaciones de stress o aumento de demanda. Como veremos a continuación este tejido está formado por: - Células precursoras multipotentes. - Células precursoras comprometidas (en la producción de células de una linea hematológica determinada) - Células diferenciadas o maduras. La función principal de la médula ósea es la producción de células sanguíneas diferenciadas. Estas derivan de células troncales multipotenciales con capacidad de renovación, capaces de diferenciarse. Esta última capacidad lleva a la producción de células unipotenciales dan origen a las líneas celulares eritropoyética, granulopoyética y trombopoyética. Las células unipotenciales están en una etapa activa del ciclo celular, con capacidad de autorrenovarse y proliferar por tiempo prolongado. Sin embargo, estas células necesitan del estímulo humoral de ciertas sustancias con
- 2. 2 capacidad hematopoyética. La mejor conocida de estas es la eritropoyetina, que es elaborada por el riñón en respuesta a la hipoxemia y que estimula la producción de eritrocitos. También se conoce la existencia de leuco y trombopoyetinas. Las enfermedades que afectan a la médula ósea, resultando en una alteración en la producción normal de células sanguíneas, pueden deberse a una falla primaria de las células troncales, reemplazo del tejido medular por otro anormal o insuficiencia de los factores estimuladores. 2. ANATOMÍA CELULAR DE LA HEMATOPOYESIS 2.1 Células hematopoyéticas El sistema hematopoyético está compuesto por diferentes tipos celulares que derivan de la diferenciación y expansión de progenitores inmaduros. Su funcionamiento correcto asegura la producción de las células responsables del transporte de oxígeno, la coagulación sanguínea y la inmunidad. Se organiza como una jerarquía en la que las relaciones entre los diferentes tipos celulares se basan en la capacidad de proliferación y de diferenciación celular. El funcionamiento normal de la hematopoyesis resulta de la interacción entre mecanismos intracelulares y la influencia del microambiente donde se desarrollan las células hematopoyéticas. Diariamente miles de millones de células hemáticas maduras, principalmente eritrocitos y granulocitos, mueren y son eliminadas de la circulación. Un número equivalente de
- 3. 3 células jóvenes alcanza la sangre periférica (SP), de manera que se compensa la pérdida ya señalada. La hematopoyesis hace referencia a este proceso continuo de producción de células hemáticas. El sistema hematopoyético está compuesto por diferentes tipos celulares organizados jerárquicamente. Mientras su desarrollo y maduración sucede en localizaciones anatómicas concretas, los elementos maduros y, en menor medida, los inmaduros circulan juntos por la SP. En el sistema hematopoyético se reconocen diversos tipos celulares, que podemos agrupar en: Células madre, células, progenitoras y células maduras. 2.2 Fisiología de la hematopoyesis El sistema hematopoyético está compuesto por diferentes tipos celulares que derivan de la diferenciación y expansión de progenitores inmaduros. Su funcionamiento correcto asegura la producción de las células responsables del transporte de oxígeno, la coagulación sanguínea y la inmunidad. Se organiza como una jerarquía en la que las relaciones entre los diferentes tipos celulares se basan en la capacidad de proliferación y de diferenciación celular. El funcionamiento normal de la hematopoyesis resulta de la interacción entre mecanismos intracelulares y la influencia del microambiente donde se desarrollan las células hematopoyéticas. Este grupo de células es el responsable de la generación continua y de por vida de todas las demás células hemáticas. Son las células con la máxima capacidad de autorrenovación y diferenciación, características que se van perdiendo conforme las células hematopoyéticas se diferencian en elementos más maduros. Las células madre hematopoyéticas (stem cells) son las únicas capaces de regenerar el sistema hematopoyético del receptor de un trasplante. Los estadios intermedios de desarrollo celular entre las células madre y las células hematopoyéticas maduras están constituidos por células que han sufrido restricciones en la capacidad de diferenciación, pero todavía no han adquirido los cambios morfológicos típicos de las células hemáticas maduras; son los progenitores comprometidos (es decir, los progenitores comprometidos han sufrido cierta diferenciación hacia un tipo celular concreto, pero todavía no son células maduras). Las células más maduras de los diferentes linajes mieloides eritrocitos, polimorfonucleares, monocitos y megacariocitos) se reconocen fácilmente gracias a sus características morfológicas. Suponen el estadio final en el proceso de maduración hematopoyética y son las células cuya morfología y marcadores específicos se analizan en los diferentes procesos fisiopatológicos de la práctica médica. Son, además, las células diana de los diferentes mecanismos de control que afinan los cambios en su viabilidad, expansión y diferenciación, así como de la liberación final de las células maduras a la circulación sanguínea.
- 4. 4 Células de la médula ósea (MO) Tanto las células madre como los progenitores y las células maduras se encuentran en la MO, en la SP y también en la sangre del cordón umbilical del recién nacido. El proceso de diferenciación hematopoyética se describe como una jerarquía de células progenitoras, en la que cada estadio sucesivo se distingue del siguiente por un fenotipo característico, así como por el número y tipo(s) de células hijas maduras que son capaces de generar. Esta organización no se puede visualizar in vivo directamente, en parte por la movilidad de los progenitores dentro de la MO y en parte porque muchos cambios tempranos e irreversibles en la expresión génica suceden antes de que se expresen como cambios en la morfología celular. Por este motivo, todas las células hematopoyéticas inmaduras se clasifican morfológicamente de manera indiscriminada como células blásticas: células de tamaño pequeño, redondas, con núcleo grande y citoplasma escaso. Serie plaquetaria El megacarioblasto es una célula de observación infrecuente en la médula ósea. Es el elemento de menor tamaño de esta serie, de 6-24 µm. El núcleo es único, grande, ovalado o bilobulado, con cromatina laxa y numerosos nucleolos. El citoplasma es intensamente basófilo, agranular, sin vestigios de granulogénesis y puede presentar algunas prolongaciones a modo de pseudópodos muy característicos. Marcaje CD41
- 5. 5 Serie roja: eritropoyesis El eritroblasto ortocromático tiene un tamaño pequeño (7-10 µm, con núcleo intensamente picnótico y cromatina muy condensada de aspecto homogéneo. El citoplasma muy acidófilo va aumentando su contenido hemoglobínico hasta adquirir la tonalidad propia del hematíe maduro. Este eritroblasto no posee capacidad mitótica, aunque puede sintetizar proteínas y hemoglobina. El núcleo, una vez finalizada su maduración, es expulsado de la célula por un mecanismo no del todo conocido, siendo éste posteriormente fagocitado por las células del sistema mononuclear fagocítico de la médula ósea. Serie granulocítica: granulopoyesis El mieloblasto es un elemento con ausencia de granulación al microscopio óptico. Se trata de una célula de tamaño comprendido entre 15-20 µm, de forma redondeada u oval y de contorno liso. El núcleo, de gran tamaño en relación con el diámetro celular, es redondo y está provisto de una cromatina finamente reticulada, con presencia de dos o tres nucleolos bien visibles. El citoplasma, de color basófilo, aunque menos intenso que el del proeritroblasto, es escaso y está desprovisto ópticamente de granulación y vacuolas. A nivel ultraestructural puede detectarse mieloperoxidasa en el retículo endoplásmico y aparato de Golgi. Células de la médula ósea (SP) Glóbulos rojos. También llamados eritrocitos o hematíes. Son células anucleadas (sin núcleo), en forma de disco bicóncavo y de aproximadamente 7 µm de diámetro. La cantidad de glóbulos rojos es diferente en función de que se trate de un hombre o de una mujer, de esta forma un hombre tendría del orden de los 5 millones de células por mm3 y una mujer la cifra oscila en los 4,5 millones. La célula predecesora del eritrocito neutrófilosneutrófilosneutrófilosneutrófilos
- 6. 6 es como hemos visto anteriormente, el reticulocito, esta célula si tiene a diferencia del eritrocito material nuclear en concreto ARN (el cual se identifica por tinción). El contenido de un hematíe es básicamente hemoglobina, proteína encargada del transporte de oxígeno. El valor de hemoglobina es también otro factor a tener en cuenta en el diagnostico de la anemia. La hemoglobina se forma a partir de hierro, vitamina B12 y ácido fólico. La hemoglobina está formada por cuatro cadenas de polipéptidos denominados globina unidas a un grupo hemo. El grupo hemo contiene hierro que será el que se una al oxígeno. Un grupo hemo esta formado por un grupo pirrólico que será el resultado de la unión de succinil CoA y el aminoácido glicina. Los cuatro grupos pirrólicos formados darán lugar a la protoporfirina uniéndose esta al Fe2+ para formar el grupo hemo. El eritrocito presenta una coloración roja propia de la hemoglobina. La vida media de un eritrocito es de unos 120 días. Glóbulos blancos. Forman la serie blanca. Sus valores oscilan entre 4000 y 11000 mm3 . Su vida media es muy variada: desde horas a años (linfocitos T). Tienen núcleo. Dentro de los leucocitos distinguimos: Leucocitos con granulaciones en el interior de su citoplasma. Leucocitos granulados o polimorfos nucleares. No tienen forma específica. Entre estos destacamos: o Basófilos: 0%-4%. Liberan a la sangre heparina, intervienen en procesos inflamatorios y a veces en la inflamación crónica. o Neutrófilos: son más abundantes, suponen del 50% al 70% de los leucocitos. Intervienen en la inmunidad congénita. En procesos de infección aguda se dirigen a zonas de inflamación intensa. Tienen la capacidad de fagocitar y actúan como sustancias quimiotácticas (los tejidos infectados liberan sustancias químicas que atraen a los neutrofilos). o Eosinófilos: 1%-3%. Están implicados en los fenómenos de alergias produciendo sustancias “alérgenas” como la histamina. Leucocitos agranulados. No presentan gránulos intracitoplasmáticos y tienen forma esférica. o Linfocitos T: implicados en mecanismos de inmunidad celular. Dentro de los linfocitos T encontramos distintos tipos: 1. Células T4: colaboradoras, cuya función va a ser la de producir unas moléculas que reciben el nombre de citocinas que van a modular la producción de linfocitos B y monocitos. Estas células producen CD4. 2. Células T8 o supresoras: por medio de citocinas va a impedir la formación de células T4 colaboradoras e indirectamente de anticuerpos. 3. Células T citotóxicas: van a producir la lisis o rotura de células contaminadas.
- 7. 7 o Linfocitos B: implicados principalmente en la inmunidad humoral. Las sustancias que producen son inmunoglobulinas y reciben el nombre de anticuerpos. o Monocitos: (3% y 9%). Tienen la capacidad de abandonar el vaso sanguíneo por diapédesis (los monocitos se deslizan a través de los poros de los vasos sanguíneos). Tienen una gran capacidad fagocitaria. Los macrófagos tienen dos funciones principalmente: • Fagocitosis. • Actúan como células presentadoras de antígenos (Ag) Son las encargadas de ponerse en contacto con el antígeno, de introducirlo en su interior, modificar su estructura y exponerlo en su superficie para la acción de los linfocitos T, para neutralizarlo, eliminarlo… Plaquetas. Se producen en la médula ósea, y tienen una forma de células grandes que reciben el nombre de megacariocitos. Estos megacariocitos sufren unas particiones (se dividen en fragmentos) y son llevados al sistema circulatorio (sangre) y allí se llaman plaquetas. Las plaquetas son anucleares y van a tener una vida media de entre 5 a 8 días. Están implicados en procesos de coagulación sanguínea, la cual es activada con una lesión vascular. Los mecanismos de coagulación se activan por cascada enzimática. Ante una lesión vascular, las plaquetas se adhieren (adherencia plaquetaria) entre ellas y con las paredes de la lesión provocando la liberación de sustancias vasoactivas y sustancias que intervienen en la coagulación. Sustancias vasoactivas: serotonina y bradiquinina: provocan vasoconstricción regulada por mecanismos de vasodilatación. Sustancias coagulativas: tromboplastina que va a ser liberada por las plaquetas y actúa activando a la protrombina. La protrombina es la primera enzima de síntesis hepática que circula por la sangre y que cuando es estimulada produce el paso de protrombina a trombina mediante la enzima protrombinasa. A su vez la trombina facilita el paso de fibrinógeno a fibrina. La protrombina es de origen hepático. Para que el hígado elabore la protrombina se necesita la presencia de la vitamina K que se puede aportar de un origen externo (dieta) o mediante la flora bacteriana intestinal. En el paso de protrombina a trombina también se necesita Ca+ y vitamina K. La trombina activada actúa en el paso de fibrinógeno a fibrina, esta fibrina consiste en monómeros con forma filamentosa con un aspecto de hilos. Esta fibrina forma una red entorno a la lesión endotelial, y esta red de fibrina tiene la función de ligar y atrapar células sanguíneas (hematíes, plaquetas, leucocitos).
- 8. 8 2.3 Factores de crecimiento hematopoyéticos El funcionamiento normal de la hematopoyesis resulta de la interacción entre mecanismos intracelulares y la influencia del microambiente donde se desarrollan las células hematopoyéticas. El crecimiento y diferenciación de las células sanguíneas está regulado por una serie de hormonas glicoproteínas denominadas: “factores de crecimiento hematopoyéticos” (FCH) o “factores estimuladores de colonias”
- 9. 9 Citoquinas que estimulan la hematopoyesis La acción de las citoquinas presentes en el microambiente medular promoviendo o inhibiendo el crecimiento de los elementos celulares, inducen la quiescencia o la proliferación y diferenciación de los progenitores hematopoyéticos primitivos y resultan en la progresión ordenada del sistema hematopoyético. Pero no toda la regulación in vivo es local. La eritropoyetina es una molécula circulante prototipo de un mecanismo de control por retroalimentación. Cambios mensurables en los niveles circulantes de otros factores hematopoyéticos pueden ser detectados en una gran variedad de enfermedades y alteraciones del sistema hematopoyético. Asimismo, la administración de dosis farmacológicas de algunos factores de crecimiento produce efectos importantes en el número de células hemáticas circulantes y la salida desde la MO a la SP de progenitores muy inmaduros (movilización de progenitores a la SP). Este proceso resulta clínicamente útil porque permite recoger dichos progenitores mediante leucoaféresis, lo que ha permitido la realización de trasplantes hematopoyéticos 3. TÉCNICAS DE ESTUDIO Las relaciones entre progenitores y su progenie, que definen el inicio de la diferenciación irreversible de dichos progenitores hacia un linaje hematopoyético concreto, no pueden ser estudiadas por criterios morfológicos sino por otro tipo de análisis, fundamentalmente por marcadores de la membrana plasmática (inmunofenotipo) y por ensayos funcionales (cultivos in vitro): Inmunofenotipo: los elementos celulares diferentes del sistema hematopoyético presentan un perfil de expresión de marcadores de superficie que permite distinguirlos unos de otros mediante citometría de flujo (técnica que permite el análisis cuantitativo y cualitativo de las células al incidir un laser en células en suspensión, estas células se pueden marcar con anticuerpos conocidos para su identificación). Además, basándose en dichas moléculas de superficie se pueden purificar (aislar) poblaciones de progenitores hematopoyéticos para su uso en trasplantes hematopoyéticos o para ensayos funcionales. Existen muchas moléculas que determinan el inmunofenotipo de los progenitores. Un ejemplo: la expresión del receptor de interleuquina 7 (IL7R) y del receptor de trombopoyetina (TpoR) ayudan a identificar progenitores que exclusivamente generan células mieloides o células linfoides. Factor estimulador de colonias granulocito macrófago (GM-CSF) Factor estimulador de células precursoras IL 3 Factor estimulador de macrófagos (M-CSF) IL 7 Eritropoyetina (Epo).
- 10. 10 De la misma manera, la expresión o no de otras moléculas distingue a progenitores diferentes durante la maduración y diferenciación hematopoyéticas (Fig. 3). También, existen marcadores asociados clásicamente a células hemáticas maduras: CD41 en plaquetas, glicoforina en eritrocitos, CD15 en granulocitos, CD14 en monocitos, CD19 en linfocitos B, CD3 en linfocitos T o CD56 en células NK. Ensayos funcionales: normalmente se centran en dos tipos de estudios: - Potencial proliferativo (número total de células hijas) - Linajes hematopoyéticos diferentes (tipos distintos de células hijas) que puede generar un determinado tipo de progenitor. El desarrollo de las células linfoides es diferente al de las células mieloides en muchos aspectos. Por ejemplo, los cambios morfológicos no son tan pronunciados, al menos hasta el momento en el que alcanzan la capacidad de responder a estímulos antigénicos (los cultivos in vitro, además, no se suelen realizar en la línea linfoide). Mucho de lo que hoy día conocemos sobre la hematopoyesis fisiológica y sus mecanismos de regulación proviene de estudios cuantitativos de poblaciones de células madre y progenitores comprometidos, definidos por su comportamiento en ensayos in vitro e in vivo. Los ensayos funcionales parten de una población hematopoyética y detectan una actividad concreta en las células estudiadas al finalizar dicho ensayo. Requieren someter a las células a unas condiciones en las que se puedan determinar tanto el potencial de diferenciación (número de linajes hematopoyéticos representados entre las células hijas), como el potencial de proliferación (número total de células hijas producidas). Los ensayos que cumplen estos criterios y que permiten la evaluación de la actividad de células hematopoyéticas individuales, facilitan la cuantificación de la frecuencia de progenitores en una población determinada. De esta forma, se pueden estudiar también cambios cualitativos y cuantitativos en los progenitores.
- 11. 11 Las unidades formadoras de colonias hematopoyéticas (colony forming units) identifican a progenitores hematopoyéticos comprometidos con algún linaje mieloide conocido. En estos ensayos se cultiva una población de células hematopoyéticas en un medio semisólido (metilcelulosa normalmente) que contiene diferentes factores de crecimiento hematopoyéticos. La actividad hematopoyética de los progenitores se identifica por el crecimiento de colonias de células tras 2 semanas en cultivo. El tipo de colonia identifica al tipo de progenitor. Así, se identifican progenitores granulocítico-macrofágicos (CFU-GM), granulocíticos (CFU-G), eritrocíticos (BFU-E más inmaduro, y CFU-E más maduro), megacariocíticos (CFU-Meg), y mixtos (CFUGEMM). Los ensayos de colonias han servido para estudiar los tipos y concentraciones de factores de crecimiento que mantienen, estimulan, aumentan o bloquean la proliferación y diferenciación de los diferentes progenitores hematopoyéticos. 4. ENFERMEDADES HEMATOLÓGICAS La alteración de alguno de los puntos de este proceso hematopoyético da origen a insuficiencias medulares con fracaso en la formación de células normales, cuantitativa y funcionalmente, y es la causa de numerosos trastornos hematológicos como Aplasias, Síndromes Mieloproliferativos, Síndromes Mielodisplásicos y Leucemias agudas.