Inmunología del destino y función de las células madre neurales.

El cerebro y la médula espinal de un adulto no se regeneran después de una lesión o enfermedad importante, pero hay células madre presentes en el cerebro que son capaces de generar nuevos tejidos cerebrales. En algunas regiones del cerebro, estas células madre específicas del cerebro producen continuamente nuevas células nerviosas o “neuronas”, el tipo de célula que forma los circuitos internos del cerebro. El proceso de generar nuevas neuronas se llama neurogénesis y nuestro objetivo en esta subvención es aprender cómo se mantiene y controla naturalmente la neurogénesis. Utilizando la información que obtenemos, nuestro objetivo final es estimular la neurogénesis y la reparación en otras áreas del cerebro, ya sea activando las células madre residentes o mejorando la eficacia de los trasplantes de células madre. Una región del cerebro donde ocurre naturalmente la neurogénesis se llama hipocampo. Esta pequeña estructura cerebral es importante para el aprendizaje y la memoria a corto plazo. Es una de las regiones del cerebro afectadas en la enfermedad de Alzheimer. Nuestro laboratorio fue uno de los primeros grupos en demostrar que la inflamación del tejido cerebral que acompaña a una lesión o enfermedad inhibe fuertemente la neurogénesis en esta área. Hemos demostrado que la producción de neuronas mediante trasplantes de células madre también se ve fuertemente inhibida por la inflamación del tejido. La inflamación de los tejidos es causada por la activación natural del sistema inmunológico cuando las células o tejidos se dañan. Uno de los objetivos de nuestra investigación en esta subvención es identificar factores producidos por el sistema inmunológico que inhiben la neurogénesis y determinar si el bloqueo de estos factores mejorará la neurogénesis endógena o la neurogénesis a partir de trasplantes de células madre. Los conceptos se resumen en una publicación reciente de nuestro grupo (Carpentier y Palmer, Neuron 2009). También estamos utilizando ratones genéticamente mutantes para determinar si la ausencia de moléculas inflamatorias específicas puede promover la neurogénesis y hemos descubierto que la ausencia de una molécula inmune de hecho lo hace. mejorar la neurogénesis. Existen medicamentos experimentales que bloquean la actividad de esta molécula y esperamos probar estos medicamentos el próximo año para determinar su capacidad para promover la neurogénesis. Un segundo objetivo de este proyecto es identificar señales que promuevan la neurogénesis. Las células madre del hipocampo proporcionan varias pistas intrigantes. Nuestra investigación ha descubierto dos importantes señales promotoras de la neurogénesis presentes en el hipocampo. La primera es una matriz especializada de proteínas que se producen en el hipocampo. Esta matriz actúa como un "guardián" para definir dónde las células madre deben (o no) generar nuevas neuronas. También se sabe que las células madre en una placa de Petri generarán más neuronas si se las trata con medicamentos que imiten la actividad del circuito cerebral. Sin embargo, nadie lo había confirmado directamente en animales. Para probar esto, hemos producido un ratón genéticamente modificado en el que podemos controlar la actividad en los circuitos neuronales del hipocampo (Haditsch et al Molecular and Cellular Neuroscience 2009). Utilizando este ratón, nuestra investigación en curso ha identificado proteínas liberadas por neuronas activas que promueven la neurogénesis. Una vez más, hemos encontrado fármacos experimentales utilizados para otros fines que parecen imitar los aspectos de la actividad del circuito que promueven la neurogénesis y nuestra esperanza es que puedan usarse para promover la neurogénesis con fines terapéuticos. Por supuesto, el objetivo final de nuestro trabajo es traducir nuestros hallazgos en tratamientos para lesiones o enfermedades cerebrales y el objetivo final de nuestro proyecto es utilizar estas observaciones combinadas para determinar si los trasplantes de células madre pueden aprovecharse eficazmente para la reparación. El primer paso para las estrategias de trasplante es determinar si los trasplantes derivados de células madre pueden funcionar para producir nuevos circuitos. Acabamos de completar estudios que muestran que los métodos utilizados para preparar células madre embrionarias para trasplantes tienen un gran efecto sobre la capacidad de las células trasplantadas para formar neuronas que establezcan conexiones correctas dentro del cerebro. Las células madre deben programarse correctamente antes del trasplante para que funcionen como se desea. También estamos realizando experimentos para comprender la inmunología del propio trasplante de células madre. En la actualidad, las células madre que se utilizan en ensayos clínicos provienen de células madre embrionarias humanas aisladas de un blastocisto humano o de células madre neurales aisladas del cerebro fetal humano. Ninguna de estas fuentes se adaptaría perfectamente al receptor, pero descubrimientos recientes han demostrado que se pueden generar células madre a partir de los fibroblastos de la piel de un paciente. Estas “células madre pluripotentes inducidas” o iPSC son perfectamente compatibles, pero la tecnología y las aplicaciones clínicas están muy rezagadas. Aunque las células madre fetales o embrionarias están entrando a ensayos clínicos, el impacto de la compatibilidad del trasplante y la inmunología sigue siendo una pregunta sin respuesta y nuestro trabajo en curso puede descubrir métodos que puedan mejorar el resultado del trasplante incluso si las células no son compatibles con el receptor.

El cerebro y la médula espinal de un adulto no se regeneran después de una lesión o enfermedad importante, pero hay células madre presentes en el cerebro que son capaces de reparar las redes neuronales dañadas. Una región del cerebro donde se producen continuamente nuevas neuronas se llama hipocampo. Señales únicas dentro del hipocampo promueven la neurogénesis (es decir, la producción de nuevas células nerviosas) y nuestra esperanza es identificar y utilizar estas señales para promover la neurogénesis después de una lesión o enfermedad. Además, nuestro laboratorio también ha demostrado que la inflamación del tejido que acompaña a una lesión o enfermedad inhibe fuertemente la neurogénesis y nuestra investigación en curso tiene dos objetivos: primero, identificar factores que promueven naturalmente la neurogénesis y aplicar estos factores para mejorar la reparación natural y/o mejorar el tallo. resultado del trasplante de células. En segundo lugar, esperamos identificar factores inhibidores producidos por el sistema inmunológico durante la inflamación del tejido y desarrollar mejores intervenciones para bloquear estas señales y promover la reparación del circuito neuronal cuando hay una lesión o un proceso patológico. Las actividades del tercer año se han centrado principalmente en identificar los mecanismos inmunitarios que perjudican la neurogénesis cuando los trasplantes de células madre no se adaptan perfectamente al receptor. En circunstancias normales, el sistema inmunológico rechaza los trasplantes de tejido si no son muy compatibles con el receptor. Esto limita el uso clínico de órganos de donantes como el corazón, el hígado y los pulmones. Sin embargo, los trasplantes de células al cerebro no se rechazan, incluso si no son compatibles. Sin embargo, hemos descubierto que la señalización inmunitaria no está ausente en el cerebro, sino que simplemente es diferente a la de otras áreas del cuerpo. Si bien no se produce rechazo del injerto, la neurogénesis se inhibe fuertemente. Hemos descubierto que hay dos procesos inmunitarios que son relevantes para la neurogénesis: 3) la activación/inflamación inmunitaria que estimula la producción de moléculas de señalización inmunitaria perjudica la neurogénesis y 1) la eliminación de células trasplantadas que "no son exactamente como yo" mediante un asesino natural. Las células pueden eliminar selectivamente las neuronas recién formadas. En el año 2 exploramos las interacciones de los NPC con una variedad de tipos de células inmunes, incluidas las células T y las células NK. Hemos descubierto que ambos tipos de células reconocen las NPC y ahora estamos explorando métodos para atenuar los efectos de la respuesta de las células inmunitarias después del trasplante de células madre en modelos de trasplante de células. Estos incluyen estudios para restaurar la función de las células madre neurales después de la terapia para el cáncer de cerebro, estudios para mejorar la regeneración y reparación después de una lesión en la columna y estudios para mejorar la terapia con células madre para la enfermedad de Parkinson.

La investigación respaldada por esta subvención CIRM se centró en comprender la señalización inmunitaria que influye en las células madre neurales del cerebro y la médula espinal. Las células madre son importantes para el reemplazo natural de las células cerebrales que pueden perderse debido a la edad, enfermedades o lesiones. Las células madre también pueden ser útiles para reparar el cerebro. Nuestra investigación ha demostrado que la señalización inmune y la inflamación del tejido que acompaña a una lesión o enfermedad inhibe fuertemente la "neurogénesis" o la producción de nuevas neuronas a partir de células madre. Nuestros objetivos en este trabajo son identificar factores que promueven naturalmente la neurogénesis y aplicar estos factores para mejorar la reparación natural y/o mejorar la utilidad de los trasplantes de células madre para la terapia. Una de nuestras estrategias es identificar factores inhibidores producidos por el sistema inmunológico durante la inflamación del tejido y desarrollar mejores intervenciones para bloquear estas señales y promover la reparación del circuito neuronal cuando hay una lesión o un proceso patológico. Como resultado de la investigación respaldada por CIRM, hemos identificado tres usos novedosos para medicamentos que ya se han utilizado en entornos clínicos. Estos medicamentos aumentan la cantidad de nuevas neuronas producidas por las células madre en el cerebro, ya sea bloqueando las señales inmunes negativas o estimulando directamente la neurogénesis. Los experimentos iniciados en el último año de esta subvención continuarán ahora en estudios de trasplantes de células madre que no se adaptan perfectamente al receptor. Muchas terapias de trasplante de células para enfermedades o lesiones neurológicas han utilizado células de otro individuo en lugar de las del propio paciente. Los trasplantes de tejido normalmente son rechazados por el sistema inmunológico si no coinciden estrechamente con el receptor y hemos descubierto que los métodos clásicos para proteger las células injertadas pueden no funcionar tan bien como se esperaba. Utilizando los medicamentos identificados en nuestra investigación financiada por CIRM, a continuación probaremos si controlar los efectos del sistema inmunológico puede mejorar aún más la eficacia de las terapias con células madre que han sido diseñadas para tratar accidentes cerebrovasculares, lesiones de la columna o la enfermedad de Parkinson.

Un objetivo central en la terapia con células madre para enfermedades o lesiones neurológicas es comprender cómo optimizar la supervivencia y la integración funcional de las neuronas derivadas de células madre. Las neuronas son las células del sistema nervioso que forman las redes interconectadas que controlan la cognición y el comportamiento. Las neuronas también son el tipo de célula más sensible del cerebro y la pérdida de función que acompaña a la enfermedad o lesión se debe, en gran parte, a la incapacidad del cerebro para reemplazar las neuronas que mueren. Hemos descubierto que la inflamación que acompaña al daño tisular afecta selectivamente la supervivencia de las neuronas recién generadas y la investigación respaldada por esta subvención CIRM se centró en comprender por qué la señalización inmunitaria tiene un efecto tan perjudicial en el cerebro y la médula espinal. El proceso de generación de nuevas neuronas se denomina neurogénesis. La neurogénesis está mediada por células madre específicas de tejido o “células madre neuronales”. Las células madre neurales median en la formación del cerebro y la médula espinal durante el desarrollo. Las células madre neuronales también son importantes para el reemplazo natural de muchos tipos de células cerebrales que pueden perderse debido a la edad, enfermedades o lesiones. Las células madre neurales también generan continuamente nuevas neuronas en regiones seleccionadas del cerebro adulto y nuestro enfoque de investigación ha sido comprender este proceso natural para mejorar la supervivencia y el beneficio funcional de las nuevas neuronas que se trasplantan al sistema nervioso dañado. La investigación respaldada por esta subvención integral CIRM ha demostrado que la señalización inmune y la inflamación del tejido que acompaña a una lesión o enfermedad inhibe fuertemente la neurogénesis y nuestros objetivos en este trabajo son identificar factores que promueven naturalmente la neurogénesis y aplicar estos factores para mejorar la reparación natural y/o mejorar la utilidad de los trasplantes de células madre para la terapia. Una de nuestras estrategias es identificar factores inhibidores producidos por el sistema inmunológico durante la inflamación del tejido y desarrollar mejores intervenciones para bloquear estas señales y promover la reparación del circuito neuronal cuando hay una lesión o un proceso patológico. Nuestros estudios anteriores han conducido a varias predicciones específicas sobre las células y/o señales moleculares que inhiben la supervivencia de las neuronas jóvenes en el cerebro dañado. Los experimentos que continuaron durante una extensión de 6 meses de esta investigación probaron si la eliminación genética del tipo de célula inmunitaria o de la molécula de señalización implicada mejora el resultado del trasplante. También se identificaron varios fármacos por su capacidad para proteger las neuronas recién generadas y mejorar su supervivencia e integración. Utilizando herramientas genéticas, hemos confirmado que un tipo específico de célula inmunitaria se dirige selectivamente a neuronas jóvenes trasplantadas. Los estudios futuros probarán medicamentos que se dirijan selectivamente a este tipo de células con la esperanza de mejorar las terapias basadas en células madre. También hemos confirmado que dos fármacos clínicamente aprobados que modulan la inflamación de los tejidos son beneficiosos en dos modelos de trasplante. El primero implica un modelo de lesión cerebral infantil causada por tratamientos contra el cáncer. El cerebro joven es particularmente sensible a la radiación y la quimioterapia. Los jóvenes supervivientes de cáncer suelen tener problemas neurológicos permanentes. Los injertos de células madre pueden ser útiles para reemplazar las células madre neurales que han sido destruidas por el tratamiento contra el cáncer. También estamos probando trasplantes de neuronas derivadas de células madre en un modelo de enfermedad de Parkinson. En ambos sistemas modelo, las intervenciones basadas en medicamentos protegieron las células trasplantadas y estudios futuros probarán estas intervenciones en varios modelos adicionales de terapia con células madre, incluidos accidentes cerebrovasculares y lesiones de la médula espinal.