Biología Molecular y Celular en Ortopedia

Presentación del tema: "Biología Molecular y Celular en Ortopedia"— Transcripción de la presentación:

1 Biología Molecular y Celular en Ortopedia
Asesor: Dr. Carlos acosta RII Javier Alejandro Guerra garza

2 Las investigaciones sobre la función del ADN y el ARN con tecnología moderna han revolucionado las ciencias biológicas y la biomédica. El entendimiento sobre la estructura y la función de los genes ha contribuido a la identificación de múltiples causas de enfermedades El uso de DNA Recombinante ha llevado al diagnostico de muchas enfermedades, así como nuevos acercamientos terapéuticos además ha abierto el camino para ingeniería de tejidos, tejidos alterados genéticamente y terapias genéticas.

3 Cromosomas En los humanos existen 46 cromosomas, divididos en 23 pares -22 pares son autosomas -1 par es sexual Se encuentran en el núcleo de la célula Contienen ambos: Acido desoxirribonucleico (ADN) y Acido ribonucleico (ARN)

4 ADN Regula la función celular a través de la síntesis de las proteínas
Se ha descrito clásicamente como una doble hélice que contiene una molécula de azúcar respectivamente, cada una de las cuales posee una base nitrogenada (adenina, guanina, citosina, timina) la cual se une con las base nitrogenada de la otra hélice a través de puentes de hidrogeno, lo que conforma el nucleótido. En el ADN las bases nitrogenadas tienen una unión predetermina: Adenina – Timina Citosina – Guanina

5 Factores de Transcripción
Existen múltiples formas de regular el nivel de expresión de un determinado gen El fenotipo es determinado por el espectro de proteínas expresadas y la cantidad de su síntesis Se considera que tan solo 5,000 genes de los mas de 80,000 genes que compone el genoma humano son activamente expresados debido a esto el control de expresión es un determinante importante de la función biológica.

6 Los genes están organizados en regiones codificantes o exones, los cuales contienen la secuencia de mRNA; los intrones por otro lado son secuencias no codificantes. La creación de mRNA requiere el corte y empalme de los exones durante la transcripción en el núcleo. Algunos tipos de intrones contienen ribosomas con actividad catalítica y son separados durante la transcripción, otros intrones requieren de una actividad catalítica externa.

7 ´5 ´3 La unión de los intrones/exones es definida por secuencias. Los intrones inician en la secuencia GT ´5 y termina en la secuencia AG ´3, el cual define la dirección del corte y empalme. Los snRNA son los encargados de realizar este proceso Muchos genes pasan por modificaciones alternativas (corte y empalmes) de exones los cuales permiten crear diferentes proteínas de un mismo gen. La inclusión y exclusión de diferentes exones, además de la forma de empalmarse determinaran la forma final de la proteína.

8 Factores de Crecimiento
Proteínas secretadas por muchos tipos de células que se unen a receptores específicos y mediante eventos de señalización modulan la proliferación y diferenciación celular. Esencialmente todo tejido musculo esquelético produce y responde a los factores de crecimiento los cuales participan durante las enfermedades, lesiones así como procesos de reparación y crecimiento normal. Recientemente se han empezado a utilizar con aplicaciones terapéuticas al descubrirse que mutaciones en estos factores de crecimiento se asocian con degeneración de crecimiento celular así como ciertos canceres y/o malformaciones esqueléticas.

9 Factores de Crecimiento
Factor de crecimiento transformante Proteínas morfogenéticas de hueso Factor de crecimiento parecido a la insulina Factor de crecimiento fibroblastico Factor de crecimiento vascular endotelial Proteínas WNT Proteína relacionada a hormona paratiroidea

10 Factor de crecimiento transformante
Proteínas morfogenéticas de hueso Factor de crecimiento parecido a la insulina Factor de crecimiento fibroblastico Factor de crecimiento vascular endotelial Proteínas WNT Proteína relacionada a hormona paratiroidea

11 Factor de crecimiento transformante
El TGF-b es una familia de factores de crecimiento dimericos compuesta de cinco formas primarias. En general estimula la proliferación de células de origen mesénquimal. Son secretadas como propéptidos latentes los cuales requieren una unión enzimática para su activación o un ambiente pH acido. Se han identificado tres receptores en cartílago(tipo I, II, III) siendo el tipo II el cual inhibe la proliferación y de condrocitos pero llevándolos a su maduración.

12 La cascada de señalizaciones en respuesta al TGF-b todavía no están completamente entendibles. Lo que se conoce es que estimulan la síntesis de proteoglicanos y tienen efectos reversos sobre ciertas citosinas que estimulan la degradación de matriz extracelular confirmando así que este es necesario para el funcionamiento normal de un condrocito articular.

13 Factor de crecimiento transformante
Proteínas morfogenéticas de hueso Factor de crecimiento parecido a la insulina Factor de crecimiento fibroblastico Factor de crecimiento vascular endotelial Proteínas WNT Proteína relacionada a hormona paratiroidea

14 Proteínas morfogenéticas de hueso (BMPs)
Las BMPs son una subfamilia de TGF-b que están envueltos en la regulación de crecimiento y desarrollo a diferencia del TGF-b no requiere de una proteólisis para su activación. La gran mayoría de los BMPs comparten la capacidad de inducir la diferenciación de cartílago y hueso a través de la calcificación endocondrial. Los BMPs en particular el BMP-2 y el BMP-7 son usados en experimentos clínicos para inducir la regeneración de hueso. Se ha demostrado en modelos animales su eficacia en la estimulación de defectos críticos y no uniones.

15 Factor de crecimiento transformante
Proteínas morfogenéticas de hueso Factor de crecimiento parecido a la insulina Factor de crecimiento fibroblastico Factor de crecimiento vascular endotelial Proteínas WNT Proteína relacionada a hormona paratiroidea

16 Factor de crecimiento parecido a la insulina
IGF-1 también conocida como somatomedina C, es producida en el hígado como en el esqueleto en respuesta a la hormona de crecimiento. Esta estimula la proliferación de condrocitos y contribuye significativamente al crecimiento de los huesos largos. Otra de sus funciones es la estimulación en la síntesis de proteoglicanos así como la proliferación celular La IGF-2 es expresada por hueso y esta estimula la proliferación y síntesis de matriz extracelular por osteoblastos.

17 Factor de crecimiento transformante
Proteínas morfogenéticas de hueso Factor de crecimiento parecido a la insulina Factor de crecimiento fibroblastico Factor de crecimiento vascular endotelial Proteínas WNT Proteína relacionada a hormona paratiroidea

18 Factor de crecimiento fibroblastico
Los FGFs son una familia de once factores de crecimiento siendo los mas abundantes los FGF-1 y FGF-2. estos son encontrados en la matriz de cartílago y de hueso además de que estimulan la proliferación de ambos tipos celulares. Mutaciones en el receptor de FGF se han visto implicados en múltiples condrodisplasias humanas. Los FGFs tienen función angiogenica, se ha usado FGF-2 experimentalmente en pacientes con áreas infartadas de miocardio teniendo un buen resultado. Los FGFs se han usado en estudios para estimulación de la reparación de tendón, ligamento y cartílago.

19 Factor de crecimiento transformante
Proteínas morfogenéticas de hueso Factor de crecimiento parecido a la insulina Factor de crecimiento fibroblastico Factor de crecimiento vascular endotelial Proteínas WNT Proteína relacionada a hormona paratiroidea

20 Factor de crecimiento vascular endotelial
Como su nombre lo indica es un factor de crecimiento que estimula la proliferación de células endoteliales formando nueva vasculatura. El VEGF esta envuelto en la angiogénesis para la reparación de hueso así como tumores malignos. Este se ha utilizado en pruebas medicas mejorando la isquemia en extremidades inferiores así como en la revascularización del miocardio.

21 Factor de crecimiento transformante
Proteínas morfogenéticas de hueso Factor de crecimiento parecido a la insulina Factor de crecimiento fibroblastico Factor de crecimiento vascular endotelial Proteínas WNT Proteína relacionada a hormona paratiroidea

22 Proteínas Wnt Las proteínas Wnt consisten en un numero pequeño de glicoproteínas ricas en cisteína envueltas en la regulación de la actividad celular y desarrollo temprano.

23 Factor de crecimiento transformante
Proteínas morfogenéticas de hueso Factor de crecimiento parecido a la insulina Factor de crecimiento fibroblastico Factor de crecimiento vascular endotelial Proteínas WNT Proteína relacionada a la hormona paratiroidea

24 Proteína relacionada a la hormona paratiroidea y Indian Hedgehog
La PTHrP es un factor local mas que una hormona sistémica a diferencia de la PTH. Fue inicialmente identificada en tumores malignos que producían hipercalcemia. El efecto de la PTHrp en condrocitos es estimular su proliferación y suprimir los genes asociados con su maduración.

25 CARACTERISTICAS Factor de crecimiento transformante
Estimula la proliferación de células de origen mesénquimal Estimula la síntesis de proteoglicanos Estimula la reparación de cartílago, así como la reparación de hueso Proteínas morfogenéticas de hueso Induce la diferenciación de cartílago y hueso a través de la de osificación endocondral Induce la diferenciación condrogenica de células mesénquimales Promueve la maduración de cartílago e induce la regeneración de hueso Factor de crecimiento parecido a la insulina Estimula la producción de condrocitos además de el crecimiento de huesos largos IGF-1 en cartílago, estimula la síntesis de proteoglicanos así como la proliferación celular IGF-II en hueso, estimula la proliferación y síntesis de matriz extracelular por osteoblastos Factor de crecimiento fibroblastico Estimula la producción de hueso y cartílago Estimula el crecimiento de la vasculatura (angiogenica) Se usa en combinación con IGF y TGF para la estimulación en la reparación de ligamentos, tendones y cartílago Factor de crecimiento vascular endotelial Estimula la proliferación de células endoteliales (formación de nueva vasculatura) Proteínas WNT Juegan un papel importante durante el desarrollo temprano Proteína relacionada a hormona paratiroidea Esta relacionada con el desarrollo de cartílago de crecimiento Estimula la proliferación de condrocitos y suprime su maduración

26 Expresión de fenotipo celular
El genotipo de un organismo o una célula se refiere a los genes presentes en su genoma, pero en cualquier célula somática solo una fracción de los genes son expresados y este perfil de expresión es usualmente regulado por interacciones especificas. En pocas palabras el fenotipo de una célula es definido por el conjunto de genes que son expresados y el relativo nivel de expresión. Cuando el fenotipo de una célula es caracterizado el centro de importancia tiende a estar en los genes expresados que son únicos a ese tipo celular.

27 La diferenciación celular se refiere a la adquisición de un perfil especifico en expresión de genes que separan esta célula de otro tipo celular. La proliferación celular esta inversamente regulada por la diferenciación celular. La proliferación de células normales es prevenida por contacto celula-celula.

28 Cuando se encuentra un numero disminuido de células inicia una proliferación, durante esta la expresión especifica de proteínas del tejido disminuye. Cuando estas llegan a cierta cantidad se disminuye su proliferación, retomando otra vez la expresión de proteínas. Las células del tejido musculoesqueletico (musculo, tendón, ligamento, hueso, cartílago y tejido conectivo) derivan de las células multipotenciales llamadas células madre mesénquimales. Estas disminuyen con la edad así como su respuesta a los factores de crecimiento

29 Fenotipo Osteoblastico
Producen y secretan proteínas estructurales (colágena) y reguladores (factores de crecimiento). La matriz extracelular producida recibe el nombre de ostioide, que al ser mineralizada con hidroxiapatita cristalina se convierte en hueso.

30 La proteína mas abundante (90%) de esta matriz es la colágena tipo I
La proteína mas abundante (90%) de esta matriz es la colágena tipo I. las fibrillas de colágeno se establecen paralelo a la superficie del osteoblasto, espontáneamente nucleando cristales de hidroxiapatita lo cual sucede en la “zonas de agujero”. Al pasar el tiempo estas fibrillas cambian de orientación 90° en referencia a la anterior capa resultando en una estructura encapa como madera contrachapada la cual maximiza la fuerza tensil.

31 Durante la diferenciación de los osteoblastos suceden los siguientes cambios:
-Cambio de la producción de colágena III y I a predominantemente tipo I -Aumenta la producción de fosfatasa alcalina -Aumenta la expresión de osteonectina, osteocalcina, osteopontina y sialoproteinas -Presentan un gran numero de procesos celulares que se extienden atraves de la matriz celular para comunicarse con otros osteocitos llamados canaliculi.

32 Fenotipo Condrocitico
Los condrocitos se caracterizan por la producción de una abundante matriz extracelular. Estos pueden ir por dos caminos: 1 Maduración, hipertrofia y calcificación de la matriz extracelular (Calcificación endocondral) 2 Relativamente inactivas, realizando funciones de soporte de carga y estructurales La proteína predominante de la matriz extracelular es la colágena II Los proteoglicanos (agrecan) confieren muchas de las características mecánicas únicas del cartílago incluido la habilidad para absorber la compresión repetitiva de carga mecánica sin daño.

33 Fenotipo Osteoclastico
Son los encargados de llevar la reabsorción de hueso. Son células altamente especializadas. Están unidos a la superficie del hueso a través de una proteína llamada integrina. A través de una serie de invaginaciones plasmáticas de los osteoclastos están en contacto con la matriz extracelular; (aumentando la área de superficie)

34 Una bomba de protones acidifica la superficie disolviendo la hidroxiapatita de la fase mineral de hueso. Además de que los lisosomas sueltan su contenido (enzimas catalíticas) a la superficie los cuales degradan la colágena Su vida es corta con un estimado de 10 a 14 días, después sufren apoptosis

35 Fenotipo Fibroblastico
Una de las características principales es la síntesis de colágeno I y III Estas pueden especializarse en células de tendón y ligamento, los cuales están compuestos principalmente por colágena I y XII Las células parecidas a fibroblastos de tendón y ligamentos responden a estrés mecánico, los cuales controlan la reorganización de matriz extracelular disminuyendo la colágena III para aumentar la de la colágena I y permitiendo la alineación de las fibrillas. La fuerza y velocidad de remodelación durante la reparación de tendones y/o ligamentos es aumentada con la aplicación de fuerzas tensiles.

36 Fenotipos Características Osteoblastico Producen y secretan proteínas estructurales y reguladores Colágena Tipo I Fosfatasa alcalina Osteonectina, Osteocalcina, Osteopontina Condrocitico Producción abundante de matriz extracelular Colágena tipo II Agrecan Osteoclastico Reabsorción de hueso, degradación de matriz extracelular Fibroblastico Produccion de proteínas estructurales, diferenciarse en células de tendón o ligamentos Colagena I y III fibronectina

37 Neoplasia Los genes los cuales al perder su función estos permiten la transformación maligna de las células reciben el nombre de “Oncogenes” Protoncogenes son encargados de la proliferación celular, que al sufrir mutaciones desencadenan una perdida en el control de crecimiento erbB1, c-myc, brca-1, brca-2, l-myc, ras Antioncogenes son encargados de la supresión de tumores previniendo la proliferación de células RB, APC, p53, NF, WT

38 Muchas células poseen mecanismos de desintoxicación bombeando activamente las moléculas afuera de la célula. Es por eso que muchos agentes quimioterapéuticos son extraídos de las células explicando así la falta de sensibilidad de ciertos canceres para la quimioterapia

39 Metástasis La característica principal que caracteriza la malignización de un tumor es la capacidad de migrar a otros órganos Es un proceso extremadamente complejo: 1 Motilidad celular 2 Invasión de tejidos normales 3 Transgresión de endotelio (Intravasación) 4 Unión al endotelio en un lugar distante 5 Transgresión del endotelio (Extravasación) 6 Invasión local del órgano 7 Establece la colonización y proliferación 8 Inducir la angiogénesis local 9 Posiblemente repetir el ciclo de metástasis

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41 Existe una selectividad de ciertos tipos de canceres a ciertos tipos de órganos.
Los patrones clínicos de metástasis son específicos para diferentes tipos de tumores teniendo predilección para localizaciones especificas

42 Citosinas Son un grupo diverso de péptidos solubles para la señalización de moléculas; se han identificado mas de cien moléculas. Aunque las citosinas son bien conocidas por su rol en la inflamación tienen otros efectos como en la reparación y hemostasia de tejidos. Son producidas típicamente de forma local para actuar de una forma paracina o autocrina; además tienen efectos sistémicos que van desde fiebre hasta caquexia. Estas moléculas tienen la función de mejorar y amplificar la respuesta inflamatoria así como su regulación.

43 Inmunobiología El sistema inmune provee la defensa contra patógenos extraños. En la cúspide del sistema inmune se encuentra la célula presentadora de antígenos, la cual fagocita el antígeno para su después presentación a los linfocitos T CD4 con la ayuda del Complejo Mayor de Histocompatibilidad (CMH II) Los linfocitos CD4 determinan si el antígeno es “propio” (en cuyo caso no hay activación del sistema inmune) o “no propio” atraves del complejo receptor CD3.

44 Al activarse el sistema inmune resulta en una expansión y estimulación de CD4 y CD8.
Aunque los linfocitos B tienen la capacidad para responder a antígenos exógenos directamente también pueden diferenciarse en células plasmáticas y producir inmunoglobulinas Una respuesta inflamatoria puede desarrollarse en ausencia de activación inmunológica. (aflojamiento aséptico de implante) La fagocitosis de ciertas partículas del material resulta en la secreción de citosinas (TNF-a, IL-1, IL-6) con el subsecuente desarrollo de fibrosis sin evidencia de respuesta inmunológica