Investigadores de la UB y el IBEC logran cultivar neuronas maduras para estudiar enfermedades neurodegenerativas

El trabajo, publicado en la revista Cell Stem Cell, tiene como coautores principales los expertos Alberto Ortega, investigador Ramón y Cajal en la Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud de la UB y miembro del UBNeuro, y Zaida Álvarez, investigadora Ramón y Cajal en el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC).

«En este proyecto hemos desarrollado una nueva matriz sintética que imita distintos aspectos de la matriz extracelular de la médula espinal de los mamíferos, que incluye la topografía, la composición química y, sobre todo, un alto dinamismo molecular. Esta última característica no se había testado nunca debido a la alta complejidad técnica requerida para analizarla, y parece ser muy importante para regular múltiples funciones de la neuronas humanas in vitro, incluyendo la adhesión, migración, supervivencia y maduración funcional», detalla el profesor Alberto Ortega, del Departamento de Patología y Terapéutica Experimental de la UB.

«Estas matrices pueden ayudar a resolver limitaciones históricas para moldear enfermedades neurodegenerativas a partir de neuronas humanas derivadas de células madre, ya que estos sistemas presentan normalmente niveles limitados de maduración que no pasan de las fases fetal e infantile», apunta el investigador de la UB.

Zaida Álvarez indica que ésta es la primera vez « que se logra madurar neuronas derivadas de iPSC humanas con una matriz sintética». «Esta plataforma —explica la investigadora— permitirá a los laboratorios disponer de neuronas maduras humanas para estudiar múltiples enfermedades neurológicas y desarrollar nuevas terapias».

Hasta ahora, se había logrado generar neuronas a partir de células madre pluripotentes inducidas, pero estas neuronas presentaban un grado de madurez funcional insuficiente, similar al de neuronas en etapas tempranas del desarrollo. Esto limitaba su capacidad para investigar enfermedades neurodegenerativas, ya que son las neuronas adultas las que degeneran. La maduración ineficiente de las neuronas diferenciadas a partir de iPSC, se debía, en parte, a la falta de señales que se encuentran en el entorno de las neuronas, la matriz extracelular.

La matriz extracelular y las moléculas bailarinas

La matriz extracelular es esencial para el desarrollo de las células en el laboratorio, ya que proporciona soporte estructural, regula la señalización y la diferenciación celular, mantiene su integridad y proporciona un ambiente adecuado para el crecimiento celular. Para recrear la matriz extracelular y lograr una maduración y funcionalidad similar a las neuronas del sistema nervioso en condiciones fisiológicas, los investigadores utilizaron las llamadas moléculas bailarinas, una técnica revolucionaria presentada el año pasado por Zaida Álvarez y Samuel I. Stupp, profesor de la Northwestern University (Estados Unidos).

El primer paso fue diferenciar las iPSCs humanas en neuronas motoras y corticales para posteriormente colocarlas en nanofibras compuestas por moléculas bailarinas. Así, los expertos observaron que la capacidad de señalización y de ramificación de las neuronas había mejorado, lo que permitía que se generaran mejores contactos sinápticos entre sí.

Los investigadores creen que, al avanzar la edad de las neuronas en cultivos celulares, se podrán mejorar los experimentos para comprender mejor las enfermedades de aparición tardía. «Contar con neuronas maduras en el laboratorio es esencial para avanzar en la comprensión de enfermedades neurodegenerativas, como la enfermedad de Alzheimer, el párkinson o la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), y en el desarrollo de terapias eficaces y seguras», comenta Alberto Ortega.

Habilidades de baile sincronizadas

Para desarrollar las neuronas maduras, los investigadores utilizaron nanofibras compuestas por moléculas bailarinas, un material que Zaida Álvarez desarrolló en el laboratorio de Stupp como un tratamiento potencial para lesiones agudas de la médula espinal. En investigaciones anteriores publicadas en la revista Science, Zaida Álvarez descubrió cómo cambiar el movimiento de las moléculas para que puedan encontrar y conectarse de manera más eficiente a los receptores celulares que están en constante movimiento.

En el nuevo estudio, Zaida Álvarez y Alberto Ortega observaron que las nanofibras con mayor movimiento molecular dieron lugar a mejoras en los cultivos de neuronas humanas. En otras palabras, las neuronas cultivadas en estos materiales sintéticos más dinámicos mostraron una mayor madurez, con menos agregación y con una señalización más intensa.

«Creemos que esto funciona porque los receptores se mueven muy rápido en la membrana celular y las moléculas de señalización de nuestros andamios también se mueven muy rápido», explica Samuel I. Stupp, director del Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology (SQI) y profesor distinguido Severo Ochoa en el IBEC.

Como parte de la investigación, se tomaron células de piel de un paciente con ELA y las convirtieron en neuronas motoras específicas del paciente, el tipo celular afectado en esta enfermedad neurodegenerativa. Estas neuronas se cultivaron durante dos meses en los materiales sintéticos para desarrollar características propias de la enfermedad de la ELA.

«Esto no solo ha proporcionado una nueva ventana para estudiar la ELA, sino que este sistema también se podrá utilizar para estudiar y probar posibles terapias en otras enfermedades neurológicas», comenta Evangelos Kiskinis, profesor de neurología y neurociencia en la Escuela de Medicina Feinberg de la Northwestern University e investigador Robertson de la New York Stem Cell Foundation.

En busca de nuevas estrategias terapéuticas

Gracias al material sintético, estas neuronas altamente funcionales podrían trasplantarse en pacientes con pérdida de neuronas —por lesión o enfermedad—, lo que podría restaurar la cognición o las sensaciones perdidas. Como las células iniciales podrían provenir del mismo paciente, las neuronas derivadas y trasplantadas no generarían rechazo.

En el estudio también ha participado Kohei Sato, investigador en la Facultad de Ciencias de la Vida y Tecnología del Instituto Tecnológico de Tokio, y Elisabeth Engel, investigadora principal del grupo Biomateriales para terapias regenerativas del IBEC.

Artículo de referencia:

Álvarez, Z.; Ortega, J. A. et al. «Artificial extracellular matrix scaffolds of mobile molecules enhance maturation of human stem cell-derived neurons». Stem Cell Stem, enero de 2023. Doi: 10.1016/j.stem.2022.12.010