Transiciones moleculares y celulares de células ES a neuronas humanas maduras y funcionales

Nuestra investigación se centra en estudiar dos enfermedades debilitantes del sistema nervioso: la enfermedad de Parkinson (EP) y la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), también conocida como enfermedad de Lou Gehrig. Si bien las causas y los síntomas de estas dos enfermedades son muy diferentes, comparten un aspecto en común: los pacientes pierden gradualmente tipos específicos de células nerviosas, concretamente las llamadas neuronas dopaminérgicas en la EP y las neuronas motoras en la ELA. Si podemos encontrar formas de proteger las neuronas para que no mueran, podríamos ralentizar o incluso detener la progresión de la enfermedad en pacientes con ELA y EP. En los últimos dos años, nuestro laboratorio ha desarrollado procedimientos sólidos para generar estas dos clases de neuronas a partir de células madre embrionarias humanas y hemos estado estudiando los cambios moleculares que gobiernan su especialización. Desde el año pasado, utilizamos neuronas para dilucidar los mecanismos moleculares que subyacen a la desaparición de estas células. La ELA es una de las enfermedades neuromusculares más comunes y afecta a más de 30,000 estadounidenses. Los pacientes pierden rápidamente sus neuronas motoras, las células nerviosas que se extienden desde el cerebro a través de la médula espinal hasta los músculos, controlando así su movimiento. Las opciones de tratamiento son extremadamente limitadas y las personas con ELA suelen sucumbir a insuficiencia respiratoria o neumonía entre tres y cinco años después de la aparición de los síntomas. La mayoría de los pacientes con ELA no tienen antecedentes familiares de ELA y no tienen defectos genéticos conocidos que puedan ayudar a explicar por qué desarrollan la enfermedad. Sin embargo, un pequeño número de pacientes con ELA tienen mutaciones en el gen de la superóxido dismutasa 1 (SOD1), que codifica una enzima que elimina los llamados radicales libres, moléculas oxidantes agresivas que son subproductos del metabolismo normal de las células. Por tanto, los investigadores creen que la acumulación de estos radicales libres puede dañar las neuronas motoras en la ELA y contribuir a su muerte. Para probar esta idea, introdujimos la forma mutada del gen SOD1 en los astrocitos (células que brindan soporte metabólico y estructural a las neuronas) y cultivamos nuestras neuronas motoras derivadas de células madre junto con estos astrocitos mutantes en SOD1. De hecho, si bien las neuronas motoras cultivadas en astrocitos "normales" eran completamente viables, observamos una muerte generalizada de neuronas motoras en cocultivos con astrocitos "mutantes", junto con niveles elevados de radicales libres. Creemos que esto se debe a que nuestros astrocitos mutantes están causando inflamación, por lo que nuestros esfuerzos futuros se centran en comprender el papel del sistema inmunológico, específicamente la función de la microglía (las células inmunes residentes del cerebro y la médula espinal) en nuestro cuerpo. -cultivos con neuronas motoras humanas. Estamos muy entusiasmados con estos resultados porque muestran que nuestros cocultivos pueden ser una herramienta muy útil para detectar fármacos que puedan contrarrestar la neurotoxicidad causada por la inflamación y los radicales libres. Ya hemos comenzado a probar varios antioxidantes conocidos y descubrimos que algunos de ellos son muy eficaces para mejorar la supervivencia de las neuronas motoras en la placa de cultivo. Estos compuestos pueden, en última instancia, mejorar la condición de los pacientes con ELA. La EP es la segunda enfermedad neurodegenerativa más común y se desarrolla cuando mueren las neuronas del cerebro y, en particular, de una parte del cerebro conocida como sustancia negra. Estas neuronas se llaman dopaminérgicas porque producen dopamina, una molécula necesaria para el movimiento corporal coordinado. Muchas neuronas dopaminérgicas ya se pierden cuando los pacientes desarrollan síntomas de EP, que incluyen temblores, rigidez y movimientos lentos. Alrededor de un millón de estadounidenses padecen actualmente EP y cada año se diagnostican 60,000 nuevos casos. Si bien existen varias opciones de tratamiento quirúrgico y farmacológico, no pueden retardar ni detener la progresión de la enfermedad y, en cambio, están dirigidas a tratar los síntomas. Se desconocen las causas exactas de la muerte neuronal en la EP, pero, entre otras cosas, la inflamación en el área del cerebro afectada puede desempeñar un papel en la progresión de la enfermedad. En un esfuerzo conjunto con los laboratorios de Christopher Glass y Michael Rosenfeld de la Universidad de California en San Diego, demostramos mediante experimentos con animales que una proteína llamada Nurr1 es crucial para el desarrollo y la supervivencia de las neuronas dopaminérgicas. Descubrimos que el gen Nurr1 se activa mediante señales inflamatorias y suprime genes que codifican factores neurotóxicos. La microglía es la principal iniciadora de la respuesta neurotóxica a los estímulos inflamatorios, que luego es amplificada por los astrocitos. Por lo tanto, nuestros hallazgos revelan un papel importante de Nurr1 en la microglía y los astrocitos para proteger a las neuronas dopaminérgicas de la producción exagerada de mediadores neurotóxicos inducidos por la inflamación. Actualmente, utilizamos neuronas dopaminérgicas derivadas de células madre embrionarias humanas, cultivadas junto con atrocitos y microglia humanos, para probar si podemos demostrar este papel positivo de Nurr1 también en una placa de cultivo.

Estamos investigando los mecanismos moleculares subyacentes a dos enfermedades neurológicas importantes: la enfermedad de Parkinson (EP) y la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), también conocida como enfermedad de Lou Gehrig. El año pasado, llevamos nuestro modelo de cultivo celular basado en células madre embrionarias humanas (hESC) previamente desarrollado para la EP y la ELA un paso más allá: hemos comenzado a construir un sistema de ensayo que eventualmente puede permitir la identificación de biomarcadores para el diagnóstico temprano. y la detección de candidatos a fármacos para la ELA y la EP. Al trasplantar neuronas derivadas de hESC en animales vivos y cortes de cerebro, también hemos logrado los primeros avances en la recapitulación de los procesos patológicos en sistemas modelo animales. Si bien las causas y los síntomas de la ELA y la EP son muy diferentes, comparten un aspecto en común: en ambos, los pacientes pierden gradualmente tipos específicos de células nerviosas, a saber, las llamadas neuronas dopaminérgicas en la EP y neuronas motoras en la ELA; Es esta muerte neuronal la que causa ambas enfermedades. Anteriormente, demostramos con nuestro sistema de cultivo celular basado en hESC que una respuesta inflamatoria en los astrocitos (las células cerebrales que brindan soporte metabólico y estructural a las neuronas) está involucrada en la pérdida de neuronas motoras. De manera similar, demostramos que la microglia (las células inmunes del cerebro) y los astrocitos juntos protegen a las neuronas dopaminérgicas de la producción exagerada de mediadores neurotóxicos inducidos por la inflamación. Esta función de los astrocitos y la microglia dependía de una proteína llamada Nurr1: descubrimos que el gen Nurr1 se activa mediante señales inflamatorias y suprime genes que codifican factores neurotóxicos. Ahora hemos comenzado a caracterizar en profundidad las moléculas de señalización específicas que comunican la señal de inflamación desde las células gliales a las neuronas. Para hacer esto, cultivamos astrocitos y microglia en la placa de Petri, indujimos inflamación y recolectamos sobrenadantes de cultivos celulares de las células normales y "inflamadas". Luego medimos los niveles de las llamadas citoquinas específicas, las moléculas de señalización inflamatorias secretadas por las células gliales. Una vez que hayamos obtenido una "firma" de citocina característica de las células gliales asociadas a enfermedades, podemos comenzar a desentrañar las vías moleculares que conducen a la inflamación. Por lo tanto, nuestra investigación puede conducir al descubrimiento de marcadores de diagnóstico temprano y permitir la detección de compuestos que supriman o prevengan estos procesos inflamatorios neurotóxicos. Nuestros ensayos de cultivos celulares han proporcionado una gran cantidad de información sobre las cascadas de señalización que eventualmente conducen a la muerte neuronal. Sin embargo, probablemente no puedan recapitular completamente la compleja interacción entre las neuronas y el entorno celular en el que residen dentro del cerebro. Por lo tanto, hemos comenzado a trasplantar neuronas derivadas de hESC al cerebro de ratones. Nuestros resultados indican que las neuronas extendieron rápidamente procesos y desarrollaron ramas dendríticas y axones que se integraron en la red neuronal existente. El próximo año, planeamos aprovechar estos resultados, utilizando nuestros modelos neuronales de EP y ELA derivados de hESC para comprender mejor los mecanismos de desregulación. Específicamente, examinaremos las alteraciones en la formación de sinapsis, la supervivencia celular y la maduración de las neuronas. También idearemos estrategias de recuperación funcional y rescate en el contexto del animal vivo.

Estamos investigando los mecanismos moleculares subyacentes a dos enfermedades neurológicas importantes: la enfermedad de Parkinson (EP) y la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), también conocida como enfermedad de Lou Gehrig. El año pasado, llevamos nuestro modelo de cultivo de células neurales basado en células madre embrionarias humanas (hESC) para la EP y la ELA un paso más allá y construimos ensayos sensibles y cuantitativos que pueden permitir la detección de candidatos a fármacos para la ELA y la EP. También hemos mejorado constantemente nuestras técnicas de trasplante y ahora podemos detectar neuronas funcionales, electrofisiológicamente activas, derivadas de hESC en animales vivos. Este experimento fue crucial para demostrar que, en nuestras condiciones de cultivo, las neuronas humanas derivadas de células madre embrionarias podían integrarse y formar conexiones significativas con otras neuronas en un entorno cerebral adulto determinado. Además, ahora estamos realizando una caracterización en profundidad de las moléculas de señalización específicas que comunican las señales de inflamación de las células gliales a las neuronas en presencia de mutaciones que causan ELA (SOD1G37R) y mutaciones que causan EP (alfa-sinucleína recombinante). En este informe hemos explorado otro ensayo funcional para medir la función glial y la respuesta inflamatoria utilizando astrocitos que expresan mutaciones que causan ELA. Además, informamos aquí que la adición de mutágenos que causan la EP a cultivos mixtos de neuronas y astrocitos humanos produce la muerte de las neuronas dopaminérgicas, el tipo de neuronas afectadas en la EP. Actualmente estamos probando nuevos compuestos que puedan disminuir la toxicidad neuronal observada. Nuestra investigación no sólo puede conducir al descubrimiento de marcadores de diagnóstico temprano, sino también permitir la detección de compuestos que supriman o prevengan estos procesos inflamatorios neurotóxicos.