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Investigadores del IUNICS demuestran el papel fundamental de la citoquinas en el proceso degenerativo de las motoneuronas en la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) PALABRAS CLAVE: motoneurona, neurodegeneración, receptores de glutamato, microglía, respuesta autoinmune, muerte celular, apoptosis, TNF-α, citoquinas KEYWORDS: motoneuron, neurodegeneracion, glutamate receptors, microglia, autoimmunity, cell death, apoptosis, TNF-α, cytokines A través de un modelo que reproduce en el laboratorio y en tejidos animales la muerte de las motoneuronas que caracteriza a la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), los investigadores del Grupo de Neurobiología Celular del IUNICS han podido mostrar el papel fundamental que desempeñan las citoquinas en el proceso degenerativo. Se trata de proteínas sintetizadas por las células de la glía como respuesta a la inflamación y que, lejos de resolver la situación creada por una exceso de ácido glutámico, incrementan su acción tóxica en un círculo vicioso nefasto para el paciente Sección de la médula espinal de una rata. En el recuadro inferior pueden observarse las motoneuronas vistas al microscopio. La esclerosis lateral amiotrófica (ELA) es una enfermedad neurodegenerativa que afecta Después de esclarecer los mecanismos moleculares selectivamente a las neuronas del sistema motor implicados en la apoptosis (muerte celular) de los voluntario que controlan los músculos (motoneuronas) miotubos musculares, el grupo ha establecido, por y que están localizadas en la corteza cerebral, el primera vez, el papel que desempeñan algunas tronco del encéfalo y la médula espinal. La pérdida proteínas llamadas citoquinas en la muerte de las incesante de motoneuronas provoca en el paciente motoneuronas. debilidad y atrofia muscular progresiva, lo que conduce a una parálisis cada vez más extensa. Otras enfermedades también provocan atrofia muscular y Introducción caquexia (muerte del músculo esquelético): cáncer, insuficiencia cardiaca crónica, sepsis, artritis El Grupo de Neuobiología Celular del IUNICS es reumatoide, enfermedad obstructiva pulmonar crónica dirigido por el doctor Gabriel Olmos, profesor titular del (EPOC), entre otras. área de Biología Celular del Departamento de Biología de la UIB. En la actualidad el grupo está compuesto Motoneuronas cultivadas in vitro a las que se ha marcado con una sustancia fluorescente para facilitar su estudio microscópico. ¿Cuáles son las causas de la muerte de las por cinco investigadores: la doctora Jerònia Lladó, motoneuronas en el caso de la ELA y por qué se investigadora del Programa "Ramón y Cajal", dos produce atrofia muscular en las enfermedades becarios financiados por el Fondo de Investigación citadas? Estos dos interrogantes se encuentran en la Sanitaria (FIS) del Ministerio de Sanidad y Consumo, base de la investigación que lleva a cabo el Grupo de Margalida Mir y el doctor Víctor Asensio, y una becaria Neurobiología Celular del Instituto Universitario de financiada por la Conselleria d’ Economia, Hisenda i Investigaciones en Ciencias de la Salud (IUNICS), un Innovació del Govern de les Illes Balears, Laia Tolosa. instituto mixto entre la Universitat de les Illes Balears y El grupo colabora con especialistas del Servicio de la Conselleria de Salud y Consumo del Govern de les Neurología del Hospital Universitario de Son Dureta de Illes Balears. Palma y con otros grupos nacionales e internacionales. transportadora del ácido glutámico por parte de las células gliales. Como consecuencia de esta merma, el La línea principal de investigación del grupo se centra medio extracelular del tejido nervioso afectado en la actualidad en el estudio de los mecanismos contiene niveles excesivos del neurotransmisor. De celulares y moleculares que intervienen en la muerte hecho, el único fármaco existente hoy día para el de las motoneuronas, fenómeno que afecta a los tratamiento de la ELA está dirigido a reducir los niveles pacientes de esclerosis lateral amiotrófica (ELA). Sin de ácido glutámico en el tejido nervioso. El riluzol, embargo, el grupo ha investigado previamente los utilizado en ensayos clínicos, actúa inhibiendo la mecanismos implicados en la muerte de células liberación del neurotransmisor por parte de las musculares, un proceso que afecta no sólo a enfermos motoneuronas. de ELA sino también a pacientes de una amplia gama de enfermedades como el cáncer, la artritis Son varios los grupos de investigación que abordan reumatoide, el SIDA o la enfermedad obstructiva desde distintos enfoques las causas originales de la pulmonar crónica (EPOC). ELA. De hecho, se ha comprobado que el 20% de los casos de ELA familiar (un 10% del total de casos en el En los pacientes de ELA las funciones cerebrales no mundo) están relacionados con la mutación del gen vinculadas a la actividad motora (inteligencia, codificador de un enzima, el Cu-Zn superóxido sensibilidad) generalmente permanecen inalteradas, dismutasa. Sin embargo, no se conocen los incluso en las etapas finales de la enfermedad. Por el mecanismos por los que dicha mutación origina la contrario, son las neuronas asociadas al sistema motor patología. A pesar de lo anterior, el hallazgo de esa voluntario, las motoneuronas, aquellas que mueren mutación ha posibilitado que los investigadores irremisiblemente. Aunque la enfermedad fue descrita puedan disponer de animales de experimentación con en el año 1869 por Jean-Marin Charcot, las causas de el gen mutado. Estos animales desarrollan una la ELA siguen sin ser identificadas, extremo que esclerosis lateral amiotrófica parecida a la humana. dificulta la investigación y el diseño de tratamientos eficaces para detener su curso. Cabe tener presente En investigaciones realizadas sobre animales con el que anualmente son diagnosticados dos casos de ELA gen mutado se ha podido comprobar una menor por cada 100.000 habitantes o, cuantificado de otra función del transportador EAAT2 de las células gliales. manera, cada año se diagnostican 15 nuevos casos Gracias a este transportador las células de la glía entre la población de edad comprendida entre los 60 y los 69 años. ¿Qué se conoce sobre la muerte de las motoneuronas asociada a la ELA? Las neuronas utilizan unos mensajeros químicos llamados neurotransmisores para traspasar información a otras neuronas o a otras células del organismo. Uno de esos neurotransmisores es el ácido glutámico. Los niveles de ácido glutámico en el tejido nervioso están regulados por las llamadas células gliales (astrocitos, microglía). Estas células son capaces de introducir en su interior el ácido glutámico liberado por las neuronas, manteniendolo así en niveles reducidos en el medio extracelular. Desde hace dos décadas se sabe que los pacientes de ELA presentan una disminución de esta actividad Células musculares o miotubos. Miotubos: células musculares polinucleadas obtenidas en el laboratorio reproduciendo la miogénesis a partir de mioblastos. pueden introducir el ácido glutámico en su interior y provocar el descenso de los niveles extracelulares del organotípicos de médula espinal de rata y ha puesto a neurotransmisor. punto un modelo de neurotoxicidad lenta inducida por glutámico. Esto quiere decir que los investigadores ¿Qué relación existe, sin embargo, entre un exceso de añaden al cultivo de médula espinal de rata un ácido glutámico en los pacientes de ELA y la muerte inhibidor de la recaptación del glutámico (el THA), con de sus motoneuronas? Aunque los investigadores han lo que consiguen concentraciones del neurotransmisor tenido en cuenta varias hipótesis, el modelo propuesto que acaban afectando a las motoneuronas, las cuales en los últimos años implicaría a un determinado tipo acaban muriendo al cabo de 3 ó 4 semanas. de proteína en todo el proceso. Según esta hipótesis, las citoquinas proinflamatorias, proteínas liberadas por Paralelamente y en el marco del proyecto "Efectos de la microglía (células gliales) podrían tener un efecto citoquinas proinflamatorias sobre celulas muscuales y facilitador de los efectos tóxicos del ácido glutámico motoneuronas; implicaciones en la etiopatología de la sobre las motoneuronas. Dicho de otra manera, las pérdida de masa muscular", también con financiación citoquinas proinflamatorias aumentarían la sensibilidad del FIS, los investigadores han estudiado los efectos de las motoneuronas ante la toxicidad del ácido de las citoquinas sobre las motoneuronas. glutámico. Si la hipótesis estuviera en lo cierto, sería la activación de la microglía la que, al producir citoquinas En concreto, el Grupo de Neurobiología Celular del proinflamatorias, desencadenaría la ELA. Su papel IUNICS ha analizado la expresión de dos citoquinas: el sería el de iniciar o propagar la enfermedad. factor de necrosis tumoral alfa (TNF-α ) y el interferón gamma. Los experimentos han podido demostrar que Esta hipótesis neuroinflamatoria como ambas citoquinas tienen un efecto sinérgico, de desencadenante de la ELA se halla en la base de las manera que cuando actúan conjuntamente el número investigaciones realizadas por el Grupo de de motoneuronas que mueren aumenta de manera Neurobiología Celular del IUNICS. significativa. El resultado es especialmente interesante por cuanto El papel de las citoquinas hasta hoy el papel de las citoquinas en la muerte de las motoneuronas se había centrado en el TNF-α, Desde hace varios años y en el marco del proyecto como único protagonista, descuidando otras "Mecanismos celulares y moleculares de la citoquinas sintetizadas por las células de la glía. Los degeneración de motoneuronas", con financiación del resultados obtenidos por el grupo demuestran que la Fondo de Investigación Sanitaria (FIS), el Grupo de sinergia de dos citoquinas tiene un efecto mucho Neurobiología Celular del IUNICS realiza cultivos mayor que el efecto de cada una de ellas actuando separadamente. En este caso, los investigadores utilizaron un cultivo Las últimas investigaciones del grupo en esta línea de de mioblastos (células precursoras de las musculares) trabajo relacionan la acción sinérgica de las dos para reproducir en el laboratorio la miogénesis, es citoquinas sobre las neuronas con un enzima: el óxido decir el proceso mediante el cual los mioblastos se nítrico sintetasa, que cataliza la síntesis del óxido convierten en células musculares polinucleadas. nítrico. Los investigadores han comprobado como el Reproducir la miogénesis in vitro es posible TNF-α favorece la expresión del enzima, pero que la reduciendo el suero al cultivo de mioblastos. Entonces presencia del interferón gamma provoca un aumento éstos se fusionan dando lugar a miotubos con multitud en la producción. La relación entre la muerte de las de núcleos. motoneuronas y la elevada concentración de nitritos inducida por la acción sinérgica de las citoquinas pasa En este caso el Factor de Necrosis Tumoral Alfa (TNF- por la síntesis de radicales libres como el peróxido- α) añadido al cultivo provoca la muerte de las células nitrito, que parece ser el agente destructor principal de musculares. A diferencia, sin embargo, de lo que proteinas y causante de la muerte de las neuronas. ocurría en el caso de las motoneuronas, el papel del interferón gamma no es el de aumentar la acción del TNF-α, sino actuar como protector. El resultado es La muerte de células musculares muy interesante en dos sentidos. Por una parte, se ha probado por primera vez el efecto de las citoquinas en Tal como hemos comentado más arriba, el estudio del la muerte de células musculares. Pero, por otra parte, efecto de las citoquinas sobre las motoneuronas tiene el descubrimiento de que otras citoquinas pueden un precedente en las primeras investigaciones tener un efecto protector es capital de cara al realizadas por el Grupo de Neurobiología Celular en desarrollo futuro de fármacos que puedan detener el un tejido diferente: el tejido muscular. Al fin y al cabo, proceso de apoptosis (muerte celular) de las células como recuerda el doctor Olmos, "tanto la ELA, como musculares asociado a diversas enfermedades. otras enfermedades tienen en común el desarrollo de una importante atrofia muscular asociada". Grupo de Neurobiología Celular del IUNICS. De izquierda a derecha: doctora Jerònia Lladó, Margalida Mir, doctor Gabriel Olmos, Laia Tolosa y el doctor Víctor Asensió. Proyectos financiados Título: Efectos de las citoquinas proinflamatorias sobre células musculares y motoneuronas: implicaciones en la etiopatología de la pérdida de masa muscular. Entidad financiadora: Fondo de Investigaciones Sanitarias- FIS (PI041507). Periodo: 2005- 2007 Investigador principal: doctor Gabriel Olmos Bonafé. Título: Estudio de las bases moleculares de la pérdida de masa muscular Entidad financiadora: Conselleria de Salut i Consum, Govern de les Illes Balears (15AA/2004). Periodo: 2004- 2006 Investigador principal: doctora Jerònia Lladó Vich. Título: Mecanismos celulares y moleculares de la degeneración de motoneuronas. Regulación por oxígeno. Entidad financiadora: Fondo de investigaciones Sanitarias- FIS (PI030632) Periodo: 2004- 2006 Investigador principal: doctora Jerònia Lladó Vich. Título: Estudio del efecto de fármacos opiáceos sobre la viabilidad neuronal y su relación con el desarrollo de la tolerancia al efecto antinociceptivo. Entidad financiadora: Comisión interministerial de Ciencia y Tecnología. CICYT. Plan Nacional de I+D. Proyecto SAF2000-0164-C02-02. Periodo: 2000- 2003 Investigador principal: doctor Gabriel Olmos Bonafé. Coordinador del Grupo de Neurobiología Celular del IUNICS Doctor Gabriel Olmos, profesor titular del área de Biología Celular del Departamento de Biología de la UIB. Coordinador del Grupo de Neurobiología Celular del Instituto Universitario de Investigaciones en Ciencias de la Salud (IUNICS). Edificio Guillem Colom Casasnovas Tel.: 971 17 24 48 Email: [email protected] Otros miembros del Grupo de Neurobiología Celular del IUNICS Investigadores Dra. Jerònia Lladó Vich (Dept. de Biología/IUNICS. UIB) Dr. Víctor Asensio Landa (Dept. de Biología/IUNICS. UIB) Laia Tolosa Pardo (Dept. de Biología/IUNICS. UIB) Margarita Mir Mas (Dept. de Biología/IUNICS. UIB) Francesc X. Miralles Morell. (Servicio de Neurología/IUNICS, Hospital Universitario Son Dureta). Colaboradores Félix Viana de la Iglesia, Instituto de Neurociencias de Alicante Publicaciones J. Lladó, C. Haenggeli, A. Pardo, V. Wong, L. Benson, C. Coccia, J.D. Rothstein, J.M. Shefner, N.J. Maragakis. Degeneration of respiratory motor neurons in the SOD1 G93A transgenic rat model of ALS. Neurobiology of Disease 21:110 -118 (2006). L.Tolosa, M. Morlá, A. Iglesias, X. Busquets, J. Lladó, G. Olmos. IFN-gamma prevents TNF-alpha-induced apoptosis in C2C12 myotubes through down-regulation of TNF-R2 and increased NF-kappaB activity. Cellular Signalling 17(11)1333 -11342 (2005). J. Lladó, C. Haenggeli, N.J. Maragakis, E.Y. Snyder, J.D. Rothstein. Neural stem cells protect against glutamateinduced excitotoxicity and promote survival of injured motor neurons through the secretion of neurotrophic factors. Molecular and Cellular Neuroscience 27 (3): 322-331(2004). D.A. Kerr, J. Lladó, M.J. Shamblott, N.J. Maragakis, D. Irani, T. Crawford, C. Krishnan, S. Dike D. Gearhart, J.D. Rothstein. Human embryonic germ cell derivatives facilitate motor recovery of rats with diffuse motoneuron injury. The Journal of Neuroscience 23:5131-5140 (2003). B.K. Kaspar, J. Lladó, N. Sherkat, J.D. Rothstein, F.H. Gage. Retrograde viral delivery of IGF-1 prolongs survival in a mouse ALS model. Science 23(12): 838-842 (2003). M., Iglesias, M.F. Segura, J.X. Comella and G. Olmos. Mu-opioid receptor activation prevents apoptosis following serum withdrawal in differentiated SH-SY5Y cells and cortical neurons via phosphatidylinositol 3-kinase. Neuropharmacology 44, 482 (2003). M. Jackson, J. Lladó, J.D. Rothstein. Therapeutic developments in the treatment of amyotrophic lateral sclerosis. Expert Opinion Investigational Drugs 11: 1343 -1364 (2002). O.Tarabal, J. Calderó, J. Lladó, R.W. Oppenheim, J.E. Esquerda. Long-lasting aberrant tubulovesicular membrane inclusions accumulate in developing motoneurons after a sublethal excitotoxic insult: a possible model for neuronal pathology in neurodegenerative disease. The Journal of Neuroscience 21: 8072 - 8081 (2001). Comunicaciones a congresos Tolosa, L.; Morlá, M.; Iglesias, A.; Busquets, X.; LLadó, J.; Olmos, G. Interferón gamma inhibe la apoptosis inducida por factor de necrosis tumoral alfa en miotubos C2C12. XXVII Congreso de la Sociedad Española de Bioquímica y Biología Molecular. Libro de Resúmenes. p. 133. P01-10. Lleida. 2004. Tolosa, L.; V. J. Asensio, M. Mir, G. Olmos, J. Lladó. Efectos del VEGF en la degeneración excitotóxica de motoneuronas en cultivos de médula espinal. XI Congreso de la Sociedad Española de Neurociencia. Revista de Neurología, vol. 41, Supl 2, Septiembre 2005. Málaga. 2005