Hematopoietic Stem Cell Expansion: Media Optimization Strategies

Expansión de células madre hematopoyéticas: estrategias de optimización de los medios de cultivo

Las células madre hematopoyéticas (CMH) poseen la capacidad única de reconstituir todo el sistema sanguíneo e inmunológico mediante la autorrenovación y la diferenciación multilinaje. Si bien el trasplante de CMH representa una terapia curativa para las neoplasias hematológicas y los trastornos genéticos de la sangre, la disponibilidad limitada de donantes y el número reducido de células limitan su aplicación clínica. La expansión ex vivo de las CSH ofrece la posibilidad de superar estas limitaciones al multiplicar las células madre funcionales a partir de un material inicial limitado. Las estrategias de optimización de los medios son fundamentales para lograr una expansión clínicamente significativa, al tiempo que se preserva el injerto de las CSH y su capacidad de reconstitución.

Puntos clave

Publicado: 2023 | Última revisión: mayo de 2026

El desafío de la expansión de las células madre hematopoyéticas

Las células madre hematopoyéticas mantienen la producción de sangre a lo largo de toda la vida mediante un delicado equilibrio entre la autorrenovación y la diferenciación. Las células madre hematopoyéticas de largo plazo (LT-HSC) poseen la mayor capacidad de autorrenovación y proporcionan un injerto duradero tras el trasplante. Sin embargo, las LT-HSC representan menos del 0,01 % de las células de la médula ósea y son notoriamente difíciles de expandir sin inducir una diferenciación que agote la reserva de células madre.

Los protocolos estándar de expansión basados en citocinas que utilizan SCF, TPO y FLT3L logran aumentos modestos (de 2 a 10 veces) en el número de HSC, pero a menudo no logran expandir las LT-HSC definidas funcionalmente. En cambio, estas condiciones expanden principalmente progenitores comprometidos que proporcionan un injerto rápido pero transitorio. El objetivo clínico de lograr tanto una recuperación hematológica rápida como una reconstitución duradera a largo plazo requiere protocolos de expansión que preserven las propiedades de las LT-HSC.

Los mecanismos moleculares que controlan las decisiones de autorrenovación frente a la diferenciación de las HSC guían las estrategias de optimización de los medios de cultivo. Las vías de señalización, como Wnt/β-catenina, Notch y el receptor de hidrocarburos arílicos (AhR), influyen en las decisiones sobre el destino de las HSC. Las moléculas pequeñas dirigidas a estas vías han logrado una expansión revolucionaria de las HSC, imposible de alcanzar solo con citocinas.

Enfoques de expansión basados en citocinas

El factor de células madre (SCF/ligando de Kit) representa la citocina fundamental para el cultivo de las HSC, ya que promueve la supervivencia y la proliferación a través de la señalización del receptor c-Kit. El SCF por sí solo mantiene la viabilidad de las HSC, pero logra una expansión limitada. La combinación con trombopoyetina (TPO), que transmite señales a través del receptor MPL, potencia la expansión al activar vías de supervivencia complementarias.

El ligando de FLT3 (FL) expande los progenitores multipotentes y los precursores linfoides tempranos cuando se combina con SCF y TPO. Esta combinación de tres citoquinas (SCF+TPO+FL) constituye un cóctel de expansión estándar que logra una expansión celular total de 5 a 10 veces en un plazo de 7 a 14 días. Sin embargo, la expansión funcional de las HSC, medida mediante ensayos de repoblación competitiva, es más modesta.

La IL-3 y la IL-6 promueven la proliferación de los progenitores, pero pueden acelerar la diferenciación y el agotamiento de las HSC. Estas citocinas se excluyen de algunos protocolos diseñados específicamente para mantener las HSC primitivas. Por el contrario, los protocolos que priorizan la rápida expansión del número de células para aplicaciones clínicas pueden incluir estos factores a fin de maximizar el rendimiento celular total.

Potenciadores de la expansión a base de moléculas pequeñas

StemRegenin 1 (SR1), un antagonista del receptor de hidrocarburos arílicos, representa un avance revolucionario en la tecnología de expansión de las HSC. El SR1, combinado con citocinas estándar, logra una expansión de 50 veces de las células CD34+, al tiempo que mantiene la función de las HSC, como lo demuestra el injerto superior en modelos de xenotransplante. Los ensayos clínicos que utilizan sangre del cordón umbilical expandida con SR1 han demostrado su seguridad y eficacia.

El UM171, un derivado de pirimidoindol identificado mediante cribado fenotípico, logra una sólida expansión de las HSC a través de un mecanismo distinto al del SR1. El UM171, combinado con el SR1, proporciona una expansión aditiva o sinérgica de las HSC que supera la de cualquiera de los compuestos por sí solo. La diana de UM171 sigue siendo objeto de investigación, pero está relacionada con la regulación epigenética de los genes de autorrenovación de las HSC.

Los inhibidores de la histona deacetilasa, incluidos el ácido valproico y la nicotinamida, potencian la expansión de las HSC al modular la accesibilidad de la cromatina en los genes de autorrenovación. Estos moduladores epigenéticos, combinados con citocinas, mantienen los fenotipos primitivos de las HSC durante el cultivo de expansión. La aplicación clínica requiere una optimización cuidadosa para equilibrar la expansión con las consideraciones de seguridad.

Desarrollo de medios definidos sin suero

La expansión de las HSC de grado clínico requiere medios definidos sin suero que eliminen la variabilidad entre lotes y los riesgos de contaminación xenogénica. Las formulaciones de medios definidos reemplazan el suero con combinaciones específicas de albúmina, lípidos, insulina, transferrina y otros factores que favorecen la supervivencia y la proliferación de las HSC. Estos medios permiten una fabricación estandarizada adecuada para la aprobación regulatoria.

La selección del medio base influye en los resultados de la expansión de las HSC. El IMDM (Medio de Dulbecco Modificado por Iscove) y el StemSpan proporcionan bases de uso común para el cultivo de HSC. La suplementación con albúmina sérica bovina (BSA) o albúmina sérica humana (HSA) aporta lípidos esenciales y mantiene la osmolaridad. Las citocinas recombinantes reemplazan a los factores de crecimiento derivados del suero.

El medio RPMI 1640 sirve como medio base para aplicaciones de cultivo de células hematopoyéticas. Existen en el mercado formulaciones especializadas optimizadas para la expansión de las HSC. El medio de congelación CM-1 permite la criopreservación de productos de HSC expandidas, mientras que los medios de criopreservación sin suero permiten el almacenamiento de grado clínico.

Publicado: 2023 | Última revisión: mayo de 2026

Optimización de biorreactores y sistemas de cultivo

Los sistemas de cultivo por lotes alimentados con reemplazo periódico del medio mantienen concentraciones óptimas de nutrientes durante toda la expansión. Los niveles de citoquinas y moléculas pequeñas disminuyen debido al consumo celular y la degradación; la alimentación por lotes repone estos factores. Este enfoque logra una expansión superior en comparación con el cultivo por lotes estático sin intercambio de medio.

Los biorreactores de perfusión suministran continuamente medio fresco al tiempo que eliminan los productos de desecho metabólicos. Este enfoque de cultivo continuo mantiene condiciones de estado estable óptimas para la autorrenovación de las HSC. Los sistemas de perfusión automatizados permiten la fabricación clínica a gran escala con una calidad de producto consistente.

El cultivo hipóxico (1-5 % de O₂) reproduce mejor el entorno del nicho de la médula ósea donde residen las HSC. Los factores inducibles por hipoxia, que se activan en condiciones de bajo nivel de oxígeno, promueven la inactividad y la autorrenovación de las HSC. Los niveles fisiológicos de oxígeno pueden mejorar el mantenimiento de las HSC durante la expansión en comparación con el cultivo atmosférico estándar.

Apoyo del cocultivo estromal

Las células estromales de la médula ósea proporcionan factores del nicho que favorecen el mantenimiento y la expansión de las HSC. El cocultivo con líneas celulares estromales inmortalizadas (OP9, MS-5) o con células estromales mesenquimales primarias mejora la expansión de las HSC en comparación con las condiciones en las que solo se utilizan citocinas. Las células estromales secretan citocinas adicionales, presentan señales unidas a la membrana y producen una matriz extracelular que apoya la función de las HSC.

Las células madre mesenquimales humanas de médula ósea proporcionan un soporte estromal humano para estudios de expansión de las HSC. Estas células pueden ser irradiadas para prevenir el crecimiento excesivo, al tiempo que mantienen su capacidad de apoyo. Fuentes alternativas de MSC, incluidas las MSC derivadas del tejido adiposo, ofrecen opciones accesibles de soporte estromal.

La expansión sin células alimentadoras, mediante medio acondicionado por el estroma o combinaciones definidas de factores de nicho, simplifica la fabricación y permite la producción de grado clínico. Los ligandos de Notch (proteínas similares a Delta), presentados en la superficie o como factores solubles, reproducen parcialmente el apoyo estromal. Estos enfoques avanzan hacia protocolos de expansión de las HSC totalmente definidos y escalables.

Evaluación funcional de las HSC expandidas

El análisis fenotípico mediante marcadores de superficie permite una evaluación rápida de la expansión de las HSC, pero puede no reflejar la actividad funcional de las células madre. Las células CD34⁺CD38⁻CD90⁺CD45RA⁻ representan una población de HSC humanas definida fenotípicamente, pero la expresión de los marcadores puede cambiar durante el cultivo sin que se produzcan cambios correspondientes en la función.

Los ensayos de unidades formadoras de colonias (UFC) cuantifican el contenido de progenitores dentro de las poblaciones expandidas. El aumento en el número de UFC confirma la expansión de células hematopoyéticas funcionales, pero no mide específicamente las HSC, ya que los progenitores comprometidos también forman colonias. Los ensayos de UFC proporcionan métricas intermedias útiles durante la optimización del protocolo.

El xenotrasplante en ratones inmunodeficientes constituye el estándar de referencia para la evaluación funcional de las HSC. El injerto de células CD45⁺ humanas entre 12 y 16 semanas después del trasplante refleja la actividad a largo plazo de las HSC en la repoblación. La repoblación competitiva, que compara células expandidas con no expandidas, cuantifica el factor de expansión de las HSC funcionales. Los trasplantes en serie confirman el mantenimiento de la capacidad de autorrenovación.

Control de calidad y consideraciones regulatorias

La autenticación de las líneas celulares y el seguimiento de los donantes garantizan la identidad del producto a lo largo de todo el proceso de fabricación. Las pruebas de micoplasmas previenen la contaminación que podría comprometer los productos clínicos. Las pruebas de esterilidad, la cuantificación de endotoxinas y la evaluación de la viabilidad constituyen criterios esenciales para la liberación del producto.

El monitoreo de la estabilidad genética garantiza que las HSC expandidas mantengan cariotipos normales sin transformación. El cultivo prolongado aumenta la posibilidad de alteraciones genéticas; los protocolos de expansión equilibran el rendimiento máximo con los riesgos de estabilidad genética. La expansión a corto plazo (7 a 14 días) minimiza esta preocupación al tiempo que logra una amplificación celular clínicamente significativa.

Conclusión

La optimización de los medios de expansión de las HSC sigue avanzando hacia una amplificación de células madre clínicamente significativa. Las combinaciones de cócteles optimizados de citocinas con potenciadores de la autorrenovación de moléculas pequeñas alcanzan niveles de expansión que permiten nuevas aplicaciones clínicas. Las formulaciones definidas de medios libres de suero y los sofisticados sistemas de biorreactores respaldan la fabricación de grado clínico. La validación funcional mediante xenotransplante garantiza que los productos expandidos mantengan la capacidad de injerto y reconstitución esencial para la eficacia terapéutica.