Los trastornos del espectro autista (TEA) son un grupo hereditario de trastornos del desarrollo neurológico caracterizados por alteraciones del lenguaje, dificultades en la integración social y la presencia de conductas estereotipadas y repetitivas. No existen tratamientos para los TEA y hay muy pocos objetivos para el desarrollo de fármacos. El objetivo de este proyecto CIRM es desarrollar una serie de pruebas de detección in vitro de fármacos que podrían afectar los defectos celulares subyacentes en los TEA. Dado que los TEA son exclusivamente humanos, propusimos diseñar, optimizar y realizar análisis químicos de alto rendimiento utilizando neuronas humanas derivadas de células madre pluripotentes inducidas (iPSC). Nuestro laboratorio identificó defectos celulares en neuronas derivadas de pacientes con síndrome de Timothy (TS), un trastorno sindrómico que a menudo se presenta con autismo y es causado por una rara mutación en un canal de calcio. En nuestro proyecto, propusimos desarrollar ensayos de detección in vitro para TEA basados en estos fenotipos de ST, y detectar estos ensayos para identificar medicamentos que podrían afectar los síntomas conductuales del autismo. En el primer año de este premio, realizamos exámenes preliminares y descubrimos que ciertos moduladores de los canales de calcio revierten algunos de los defectos de diferenciación que observamos en estas células. También ampliamos las observaciones que habíamos realizado en ratones y demostramos que las neuronas TS tienen defectos en la estructura y longitud de sus dendritas, características mensurables que podemos utilizar como base para pruebas de detección de drogas adicionales. Por lo tanto, hemos avanzado dentro de los objetivos del premio original. Sin embargo, durante el resto de la subvención, proponemos ampliar el alcance de este proyecto para incluir pantallas basadas en iPSC que utilizan neuronas de pacientes con formas más prevalentes de TEA. En otras investigaciones en nuestro laboratorio, hemos caracterizado fenotipos en neuronas derivadas de pacientes con otras dos enfermedades más prevalentes que el ST: el síndrome de DiGeorge (DGS) y el síndrome de Phelan-McDermid (PMDS), dos trastornos del desarrollo neurológico resultantes de deleciones en el cromosoma 22. y los pacientes presentan síntomas que a menudo incluyen autismo. Hemos demostrado que estas células tienen defectos en la longitud de sus dendritas, en la estructura y función de sus sinapsis y en su capacidad para transmitir impulsos eléctricos. Proponemos ampliar el alcance de nuestro trabajo para desarrollar pantallas para TS, DGS y PMDS. Estas pruebas servirán como base para identificar fármacos que reduzcan o reviertan los defectos celulares en estos trastornos y, por tanto, puedan conducir a tratamientos más generalizados para los TEA. Creemos que esta investigación no solo cumple pasos críticos en el desarrollo de una prueba novedosa para posibles tratamientos del TEA, sino que demuestra el poder de la tecnología iPSC para comprender los mecanismos subyacentes de los trastornos neurológicos. Ampliar el alcance de nuestro proyecto original nos ayudará a aumentar el impacto de nuestros estudios en el desarrollo terapéutico y en la comprensión de la neurobiología de los TEA.

Período de información:

Los estudiantes de Year 2

Los trastornos del espectro autista (TEA) son un grupo hereditario de trastornos del desarrollo neurológico que afectan las capacidades verbales, sociales y conductuales de los individuos afectados. No existen tratamientos farmacológicos para los TEA, en parte debido a la falta de modelos celulares y animales validados para su uso en pruebas de detección de drogas. El objetivo de este proyecto es desarrollar y validar un método de detección de alto rendimiento basado en células que utilizaremos para identificar terapias para los TEA. Nuestro laboratorio ha establecido métodos para recolectar muestras de piel de pacientes y reprogramar estas células en células madre pluripotentes inducidas (iPS), que luego diferenciamos en neuronas. Hemos caracterizado neuronas de pacientes con TEA e identificado fenotipos celulares que son susceptibles de métodos de alto rendimiento para identificar objetivos farmacológicos. Nuestros esfuerzos en el segundo año de nuestra financiación CIRM se han centrado en el síndrome de Phelan-McDermid (PMDS), un trastorno del desarrollo neurológico progresivo hereditario caracterizado por retraso en el desarrollo, habla ausente o gravemente deteriorada y un mayor riesgo de autismo. Hemos descubierto que las neuronas de pacientes con síndrome premenstrual que tienen autismo tienen defectos en la transmisión sináptica excitadora causados por la pérdida de una copia del gen Shank2. Shank3 se encuentra en la región del cromosoma 3 que se elimina en el PMDS y es importante para el desarrollo de las sinapsis. Según nuestros estudios, las neuronas PMDS se pueden distinguir de sus contrapartes de tipo salvaje por los bajos niveles de expresión de Shank22 medidos mediante PCR cuantitativa, la disminución del número de sinapsis excitadoras marcadas por inmunocitoquímica y obtenidas imágenes con un microscopio, y la reducción de las corrientes celulares excitadoras medidas electrofisiológicamente. Cada uno de estos fenotipos es susceptible de detección de alto rendimiento de compuestos terapéuticos. Probamos varias terapias candidatas y descubrimos que el tratamiento prolongado con el factor de crecimiento IGF-3 revierte parcialmente los defectos que hemos descubierto en las neuronas del síndrome premenstrual. Si bien el IGF-1 es altamente bioactivo y, por lo tanto, no es un fármaco candidato ideal, puede usarse para validar nuestro método de detección. Actualmente estamos realizando ensayos para seleccionar el mejor fenotipo y ensayo para la detección a mayor escala. Paralelamente, hemos desarrollado protocolos para cultivar una gran cantidad de neuronas derivadas de iPSC para pantallas de alto rendimiento, y estamos aumentando y almacenando reservas de trabajo de PMDS y neuronas de control. Estos experimentos nos ayudarán a identificar candidatos a fármacos para el PMDS y representarán un avance significativo en los enfoques de HTS para probar terapias de TEA utilizando sistemas basados en iPSC.

Período de información:

Los estudiantes de Year 3

Los trastornos del espectro autista (TEA) son un grupo hereditario de trastornos del desarrollo neurológico que afectan la capacidad verbal, social y conductual del individuo afectado. No existen tratamientos para el TEA, en parte porque se desconoce la base biológica de los trastornos. Además, no existen métodos para detectar fármacos que puedan ser terapéuticos. El objetivo de este proyecto era desarrollar ensayos de detección basados en células madre derivadas de personas con autismo. Utilizando muestras de piel de individuos afectados, nuestro laboratorio pudo generar células madre pluripotentes inducidas (iPSC) y utilizar estas células madre para generar neuronas. Con el apoyo de CIRM, ahora hemos generado iPSC a partir de muchos individuos, algunos de los cuales portan alteraciones genéticas que causan autismo. El trabajo en el marco de este premio se centró en dos trastornos genéticos, el síndrome de Timothy (TS) y el síndrome de Phelan-McDermid (PMDS). Ambos son síndromes hereditarios que afectan a varios sistemas del cuerpo y también aumentan considerablemente el riesgo de autismo. En cada caso, encontramos que las neuronas de los individuos afectados mostraban cambios en la forma en que se conectan y comunican. Los efectos fueron pronunciados en las neuronas PMDS, en parte debido a la pérdida del gen Shank3 que participa en la función de la sinapsis excitatoria. El trabajo del tercer año se ha centrado en identificar una alteración importante en la función neuronal que pueda utilizarse para la detección de drogas. Se descubrió uno de esos fenotipos e implica un cambio en la forma en que se utiliza el calcio cuando las neuronas se comunican generando una corriente eléctrica. Utilizando productos químicos que detectan el calcio, se desarrollaron ensayos fluorescentes que muestran una gran diferencia en la respuesta del calcio en las neuronas del PMDS en relación con las neuronas de individuos no afectados. Adaptar el ensayo del indicador de calcio fluorescente a un formato de alto rendimiento también requirió la invención de nuevos métodos de cultivo de células madre para generar neuronas que fueran más eficientes y menos costosas. Finalmente, se desarrolló una estrategia novedosa que ahora permite la producción de una gran cantidad de neuronas que pueden analizarse en pantallas de alto rendimiento. Una prueba limitada que utiliza fármacos candidatos ha confirmado la utilidad del ensayo y el trabajo futuro utilizará estos ensayos en pruebas a gran escala para fármacos que normalicen o aumenten los defectos sinápticos.

Detalles de la solicitud de subvención

Titulo de la aplicación:

Desarrollo de pantallas de moléculas pequeñas para el autismo utilizando células iPS derivadas de pacientes

Resumen público:

Los trastornos del espectro autista (TEA) son un grupo hereditario de trastornos del desarrollo neurológico caracterizados por alteraciones del lenguaje, dificultades en la integración social y la presencia de conductas estereotipadas y repetitivas. No existen tratamientos para los TEA y hay muy pocos objetivos para el desarrollo de fármacos. La evidencia reciente sugiere que algunos tipos de TEA son causados por defectos en la señalización del calcio durante el desarrollo del sistema nervioso. Hemos identificado defectos celulares en neuronas derivadas de células madre pluripotentes inducidas (iPSC) de pacientes con síndrome de Timothy (ST), causados por una rara mutación en un canal de calcio que conduce al autismo. Proponemos utilizar células que transporten este canal de calcio mutante para identificar fármacos que actúen sobre las vías de señalización del calcio implicadas en los TEA.

Nuestro proyecto de investigación tiene tres objetivos. Primero, determinaremos si los moduladores de canales conocidos revierten los defectos celulares que observamos en las células de pacientes con ST. Es posible que encontremos que los medicamentos existentes ya aprobados para su uso en humanos puedan ser eficaces para tratar este raro pero devastador trastorno.

Nuestro segundo objetivo es determinar si las pantallas que utilizan células neuronales derivadas de pacientes con TEA se pueden utilizar para identificar moduladores de la señalización del calcio. Un obstáculo para el desarrollo de terapias para los TEA ha sido la falta de modelos in vitro apropiados para estos trastornos, y nos gustaría determinar si nuestros estudios podrían servir como base para un nuevo tipo de detección en neuronas humanas.

Nuestro tercer objetivo es identificar moléculas de señalización que podrían verse afectadas en pacientes con TEA, que podrían ser objetivos para futuros descubrimientos de fármacos. Cada vez hay más pruebas de que varios tipos de TEA son causados por defectos en la actividad neuronal y la señalización del calcio. Más concretamente, el canal de calcio CaV1.2 que estamos estudiando se ha implicado en formas sindrómicas y no sindrómicas de autismo, y también en esquizofrenia y trastorno bipolar. Uno de los aspectos más interesantes de nuestra exploración de neuronas con una mutación en CaV1.2 es que nos brinda una herramienta para explorar vías de señalización mediadas por calcio que son defectuosas en los TEA. Intentaremos modificar la señalización del calcio en las neuronas de pacientes con TEA cambiando la expresión de proteínas que se sabe que afectan la señalización del calcio en otros contextos. Estos experimentos identificarán objetivos que están activos en las neuronas humanas y que afectan los fenotipos celulares defectuosos en el TEA.

En resumen, el trabajo descrito en esta propuesta constituye un paso crítico para cumplir la promesa que ofrece la reprogramación de células específicas de pacientes para el tratamiento de trastornos neuropsiquiátricos como el autismo. Nuestros estudios identificarán compuestos líderes que podrían probarse en la clínica para una forma rara de autismo y nuevos objetivos moleculares para el desarrollo terapéutico en el futuro. Es importante destacar que estos estudios proporcionarán una prueba de principio de que las células derivadas de iPSC son valiosas para el descubrimiento de fármacos para los trastornos neuropsiquiátricos.

Declaración de beneficio para California:

Los trastornos del espectro autista (TEA) afectan aproximadamente a 1 de cada 110 niños en California. Además de los efectos devastadores que los TEA tienen en las familias de las personas afectadas, tratar y educar a las personas con TEA impone una pesada carga económica al estado. En 2007, casi 35,000 personas con autismo recibían servicios de los Centros Regionales de California y se esperaba que la cifra aumentara a 50,000 el año pasado. Estimaciones recientes sugieren que el costo de por vida del cuidado de una persona con TEA puede exceder los $3 millones. A pesar de su impacto en nuestra sociedad, actualmente no existen terapias efectivas para los TEA. Nuestra falta de herramientas celulares y moleculares para estudiar estos trastornos significa que no existen buenos objetivos para la detección de fármacos, por lo que hay perspectivas muy limitadas para desarrollar tratamientos farmacológicos eficaces en un futuro próximo. Se necesitan nuevos paradigmas de descubrimiento de fármacos para ayudar a desarrollar terapias para estas afecciones neuropsiquiátricas. La investigación descrita en esta propuesta podría tener un impacto dramático en los métodos de descubrimiento de fármacos para los TEA. Primero, esperamos identificar fármacos que sean eficaces en el tratamiento del síndrome de Timothy, una forma rara de autismo causada por un defecto electrofisiológico en un canal de calcio. En segundo lugar, nuestro objetivo es desarrollar nuevas herramientas para explorar las vías de señalización mediadas por calcio que son defectuosas en los TEA. Si tiene éxito, nuestra investigación identificará una familia de dianas moleculares que serán útiles para desarrollar terapias para los TEA en el futuro.

Publicaciones

Naturaleza (2011): Conversión de fibroblastos humanos en neuronas mediada por microARN. (PubMed: 21753754)
Naturaleza (2013): SHANK3 e IGF1 restauran los déficits sinápticos en las neuronas de pacientes con síndrome de deleción 22q13. (PubMed: 24132240)
Nat Med (2011): Uso de neuronas derivadas de iPSC para descubrir fenotipos celulares asociados con el síndrome de Timothy. (PubMed: 22120178)

Desarrollo de pantallas de moléculas pequeñas para el autismo utilizando células iPS derivadas de pacientes

Detalles de la concesión de la subvención

Informe de progreso

Detalles de la solicitud de subvención

Desarrollo de pantallas de moléculas pequeñas para el autismo utilizando células iPS derivadas de pacientes

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