La nicotina puede dañar a los embriones humanos a nivel de una sola célula

La nicotina induce efectos adversos generalizados en el desarrollo embrionario humano a nivel de células individuales, según informan investigadores este jueves en la revista 'Stem Cell Reports'. La secuenciación de ARN unicelular de cuerpos embrionarios derivados de células madre embrionarias humanas (hESC) reveló que tres semanas de exposición a la nicotina interrumpe la comunicación célula a célula, disminuye la supervivencia celular y altera la expresión de genes que regulan funciones críticas como las contracciones de las células del músculo cardiaco.

Los autores dicen que este modelo de células madre ofrece nuevos conocimientos sobre los efectos de la nicotina en órganos y células individuales dentro del feto en desarrollo y se puede utilizar para optimizar el examen de toxicidad de los fármacos y el medio ambiente.

"Estos resultados son especialmente importantes porque proporcionan una base científica para educar al público, especialmente a las mujeres jóvenes, para que eviten fumar cuando están embarazadas o están considerando tener hijos", dice el autor principal Joseph C. Wu, de la Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos. "La nicotina que se encuentra en productos como el tabaco, los cigarrillos electrónicos y los chicles de nicotina puede tener efectos nocivos de gran alcance en diferentes órganos de un embrión en desarrollo durante el embarazo", añade.

El tabaquismo materno durante el embarazo es un factor de riesgo establecido para defectos de nacimiento como aborto espontáneo, restricción del crecimiento y parto prematuro. Se asocia estrechamente con resultados neuroconductuales, cardiovasculares, respiratorios, endocrinos y metabólicos adversos a largo plazo en la descendencia. La nicotina, el principal componente químico del consumo de tabaco, es el principal responsable del riesgo elevado. Desafortunadamente, la introducción y propagación de nuevos productos de tabaco que contienen nicotina, como los cigarrillos electrónicos, está invirtiendo el progreso reciente hacia la reducción del consumo de tabaco.

Un gran cuerpo de investigación ha dilucidado los efectos negativos de la nicotina en animales, principalmente en modelos de roedores. Los estudios en animales han demostrado que la exposición a la nicotina durante el embarazo tiene efectos perjudiciales sobre el desarrollo fetal. Pero debido a las diferencias entre especies, sigue siendo cuestionable si esta investigación se puede traducir a los seres humanos.

Aunque otros estudios han examinado la toxicidad de la nicotina utilizando células humanas a través del análisis de secuenciación de ARN en masa, estos estudios convencionales no permitieron a los investigadores evaluar los efectos a nivel de una sola célula. Como resultado, se conocen poco los efectos de la nicotina en el desarrollo embrionario humano y los mecanismos moleculares subyacentes.

LA NICOTINA AFECTA AL DESARROLLO DEL EMBRIÓN DESDE LA PREIMPLANTACIÓN

Para abordar estas limitaciones, Wu y sus colaboradores utilizaron la secuenciación de ARN de una sola célula para analizar los efectos de 21 días de exposición a la nicotina en los transcriptomas de un total de 12.500 células generadas a partir de cuerpos embrioides derivados de hESC, que son agregados 3D de diferentes tipos de células pluripotentes que dan origen al cerebro, el corazón, el hígado, los vasos sanguíneos, losmúsculos y otros órganos. Encontraron que la supervivencia celular disminuyó, lo que sugiere que la nicotina puede afectar el desarrollo del embrión tan pronto como en la etapa de preimplantación.

La exposición a la nicotina también disminuyó el tamaño de los cuerpos embrioides, aumentó el nivel de moléculas dañinas llamadas especies reactivas de oxígeno y dio lugar a la formación y diferenciación anormales de los cuerpos embrioides. Además, la exposición a la nicotina alteró el ciclo celular en una amplia gama de células progenitoras diferenciadas de las hESC y causó una desregulación en la comunicación de célula a célula, otro efecto adverso que no se ha estudiado bien.

"Esto es importante porque sabemos que se ha demostrado que fumar y la nicotina aumentan el riesgo patológico en sistemas endocrinos, reproductivos, respiratorios, cardiovasculares y neurológicos que dependen de interacciones intrincadas y dinámicas entre múltiples tipos de células para la homeostasis y la función", dice Wu.

Los investigadores también detectaron que la exposición a la nicotina conduce a la alteración de la expresión de los genes implicados en la toxicidad por metales y la función mitocondrial, las malformaciones cerebrales y la discapacidad intelectual, el desarrollo y la enfermedad muscular, la enfermedad pulmonar y las arritmias asociadas a Ca2 + que afectan a la contractilidad de las células musculares del corazón.

"Una de las principales implicaciones de nuestro estudio es que ahora hemos validado un nuevo método para evaluar el efecto de los fármacos y la toxicidad ambiental en el desarrollo embrionario humano --dice Wu--. Pero una limitación importante es que no podemos recapitular la fisiología de todo el cuerpo de una mujer embarazada que usa la diferenciación de hESCs en cuerpos embrioides. Por ejemplo, la influencia del ejercicio, el estrés, los alimentos o los cambios hormonales no se reflejan en este modelo".

En el futuro, los científicos planean investigar más a fondo los mecanismos de los defectos de nacimiento fetales inducidos por la nicotina. "Esperamos que esto conduzca al descubrimiento de biomarcadores novedosos que puedan ayudar a los médicos a prevenir, diagnosticar y tratar mejor estas enfermedades --dice Wu--. Además, planeamos utilizar nuestro modelo de cuerpo embrioide derivado de hESC y tecnología de secuenciación unicelular para investigar los efectos más amplios de otras condiciones dañinas como la contaminación del aire en el desarrollo embrionario humano".