Investigadores dirigidos por la Universidad Northwestern han creado las primeras neuronas altamente maduras a partir de células madre pluripotentes inducidas por humanos (iPSC), una hazaña que abre nuevas oportunidades para la investigación médica y posibles terapias de trasplante para enfermedades neurodegenerativas y lesiones traumáticas.

Aunque los investigadores anteriores han diferenciado las células madre para convertirlas en neuronas, esas neuronas eran funcionalmente inmaduras, parecidas a las neuronas de las etapas embrionarias o posnatales tempranas. La limitada maduración obtenida con las técnicas actuales de cultivo de células madre disminuye su potencial para estudios de neurodegeneración.

El estudio se publicará el 12 de enero en la revista Cell Stem Cell.

Para crear las neuronas maduras, el equipo utilizó « moléculas danzantes », una técnica innovadora introducida el año pasado por el profesor de Northwestern, Samuel I. Stupp. El equipo primero diferenció las iPSC humanas en neuronas motoras y corticales y luego las colocó en recubrimientos de nanofibras sintéticas que contenían moléculas danzantes que se movían rápidamente.

Las neuronas enriquecidas no solo eran más maduras, sino que también demostraron capacidades de señalización mejoradas y una mayor capacidad de ramificación, que se requiere para que las neuronas establezcan contacto sináptico entre sí. Y, a diferencia de las típicas neuronas derivadas de células madre que tienden a agruparse, estas neuronas no se agregaron, lo que las hace menos difíciles de mantener.

Con un mayor desarrollo, los investigadores creen que estas neuronas maduras podrían trasplantarse a pacientes como una terapia prometedora para lesiones de la médula espinal y enfermedades neurodegenerativas, incluida la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer o la esclerosis múltiple.

Las neuronas maduras también presentan nuevas oportunidades para estudiar enfermedades neurodegenerativas como la ELA y otras enfermedades relacionadas con la edad en modelos in vitro basados ​​en placas de cultivo. Al avanzar en la edad de las neuronas en cultivos celulares, los investigadores podrían mejorar los experimentos para comprender mejor las enfermedades de aparición tardía.

« Esta es la primera vez que hemos podido desencadenar la maduración funcional avanzada de las neuronas derivadas de iPSC humanas colocándolas en una matriz sintética », dijo Evangelos Kiskinis de Northwestern, coautor del estudio. « Es importante porque hay muchas aplicaciones que requieren que los investigadores usen poblaciones purificadas de neuronas. La mayoría de los laboratorios basados ​​en células madre usan neuronas de ratón o rata cocultivadas con neuronas derivadas de células madre humanas. Pero eso no permite a los científicos investigar qué sucede. en neuronas humanas porque terminas trabajando con una mezcla de células humanas y de ratón ».

« Cuando tienes un iPSC que logras convertir en una neurona, será una neurona joven », dijo Stupp, coautor del estudio. “Pero, para que sea útil en un sentido terapéutico, se necesita una neurona madura. De lo contrario, es como pedirle a un bebé que realice una función que requiere un ser humano adulto. Hemos comprobado que las neuronas recubiertas con nuestras nanofibras logran más madurez que otros métodos, y las neuronas maduras son más capaces de establecer las conexiones sinápticas que son fundamentales para la función neuronal ».

Kiskinis es profesor asistente de neurología y neurociencia en la Facultad de Medicina Feinberg de la Universidad de Northwestern, investigador de la Fundación de Células Madre de Nueva York-Robertson y miembro principal de la facultad del Centro Les Turner ALS. Stupp es profesor de la Junta de Síndicos de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Química, Medicina e Ingeniería Biomédica en Northwestern, donde es director fundador del Instituto Simpson Querrey de BioNanotecnología (SQI) y su centro de investigación afiliado, el Centro de Nanomedicina Regenerativa. Stupp tiene nombramientos en la Escuela de Ingeniería McCormick, la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg y la Escuela de Medicina Feinberg.

Habilidades sincronizadas de ‘baile’

Para desarrollar las neuronas maduras, los investigadores utilizaron nanofibras compuestas de « moléculas danzantes », un material que el laboratorio de Stupp desarrolló como un tratamiento potencial para las lesiones agudas de la médula espinal. En investigaciones previas publicadas en la revista Science, Stupp descubrió cómo ajustar el movimiento de las moléculas, para que puedan encontrar e interactuar adecuadamente con los receptores celulares en constante movimiento. Al imitar el movimiento de las moléculas biológicas, los materiales sintéticos pueden comunicarse con las células.

Una innovación clave de la investigación de Stupp fue descubrir cómo controlar el movimiento colectivo de más de 100 000 moléculas dentro de las nanofibras. Debido a que los receptores celulares en el cuerpo humano pueden moverse a velocidades rápidas, a veces en escalas de tiempo de milisegundos, se convierten en objetivos móviles difíciles de alcanzar.

« Imagínese dividir un segundo en 1.000 períodos de tiempo », dijo Stupp. « Así de rápido podrían moverse los receptores. Estas escalas de tiempo son tan rápidas que son difíciles de comprender ».

En el nuevo estudio, Stupp y Kiskinis descubrieron que las nanofibras ajustadas para contener moléculas con el mayor movimiento condujeron a las neuronas más mejoradas. En otras palabras, las neuronas cultivadas en recubrimientos más dinámicos, esencialmente andamios compuestos de muchas nanofibras, también fueron las neuronas que se convirtieron en las más maduras, con menos probabilidades de agregarse y con capacidades de señalización más intensas.

« La razón por la que pensamos que esto funciona es porque los receptores se mueven muy rápido en la membrana celular y las moléculas de señalización de nuestros andamios también se mueven muy rápido », dijo Stupp. « Es más probable que estén sincronizados. Si dos bailarines no están sincronizados, entonces el emparejamiento no funciona. Los receptores se activan con las señales a través de encuentros espaciales muy específicos. También es posible que nuestras moléculas de movimiento rápido mejoren el receptor ». movimiento, que a su vez ayuda a agruparlos para beneficiar la señalización ».

Las neuronas con la firma ALS brindan una nueva ventana a la enfermedad

Stupp y Kiskinis creen que sus neuronas maduras brindarán información sobre las enfermedades relacionadas con el envejecimiento y se convertirán en mejores candidatos para probar diversas terapias farmacológicas en cultivos celulares. Usando las moléculas danzantes, los investigadores pudieron hacer avanzar las neuronas humanas a edades mucho más antiguas de lo que era posible anteriormente, lo que permitió a los científicos estudiar la aparición de enfermedades neurodegenerativas.

Como parte de la investigación, Kiskinis y su equipo tomaron células de la piel de un paciente con ELA y las convirtieron en iPSC específicas para el paciente. Luego, diferenciaron esas células madre en neuronas motoras, que es el tipo de célula afectado en esta enfermedad neurodegenerativa. Finalmente, los investigadores cultivaron neuronas en los nuevos materiales de recubrimiento sintéticos para desarrollar aún más las firmas de ALS. Esto no solo le dio a Kiskinis una nueva ventana a la ELA, sino que estas « neuronas de ELA » también podrían usarse para probar terapias potenciales.

« Por primera vez, hemos podido ver la agregación de proteínas neurológicas de inicio en adultos en las neuronas motoras de pacientes con ELA derivadas de células madre. Esto representa un gran avance para nosotros », dijo Kiskinis. « No está claro cómo la agregación desencadena la enfermedad. Es lo que esperamos descubrir por primera vez ».

Esperanzas de tratamiento futuro para lesiones de la médula espinal, enfermedades neurodegenerativas

Más adelante, las neuronas mejoradas y maduras derivadas de iPSC también podrían trasplantarse a pacientes con lesiones de la médula espinal o enfermedades neurodegenerativas. Por ejemplo, los médicos podrían tomar células de la piel de un paciente con ELA o enfermedad de Parkinson, convertirlas en iPSC y luego cultivar esas células en el recubrimiento para crear neuronas sanas y altamente funcionales.

El trasplante de neuronas sanas en un paciente podría reemplazar las neuronas dañadas o perdidas, lo que podría restaurar la cognición o las sensaciones perdidas. Y, debido a que las células iniciales provinieron del paciente, las nuevas neuronas derivadas de iPSC coincidirían genéticamente con el paciente, eliminando la posibilidad de rechazo.

« La terapia de reemplazo celular puede ser muy desafiante para una enfermedad como la ELA, ya que las neuronas motoras trasplantadas en la médula espinal necesitarán proyectar sus axones largos a los sitios musculares apropiados en la periferia, pero podría ser más sencillo para la enfermedad de Parkinson », dijo Kiskinis. « De cualquier manera, esta tecnología será transformadora ».

« Es posible tomar células de un paciente, transformarlas en células madre y luego diferenciarlas en diferentes tipos de células », dijo Stupp. « Pero el rendimiento de esas células tiende a ser bajo, y lograr la maduración adecuada es un gran problema. Podríamos integrar nuestro recubrimiento en la fabricación a gran escala de neuronas derivadas de pacientes para terapias de trasplante de células sin rechazo inmunológico ».

El estudio, « Los andamios de matriz extracelular artificial de moléculas móviles mejoran la maduración de las neuronas derivadas de células madre humanas », fue apoyado por el Centro de Nanomedicina Regenerativa del Instituto Simpson Querrey de BioNanotecnología, los Institutos Nacionales de Salud (NIH) Instituto Nacional de Neurología y accidentes cerebrovasculares, NIH National Institute on Aging (premio número R01NS104219), NIH National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineers (premio número 5R01EB003806), NIH National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases (premio número R01AR0727), Les Turner ALS Foundation, la Fundación de Células Madre de Nueva York, el Departamento de Energía de EE. UU. (número de premio SC0001329) y la Fundación de Investigación de Veteranos Americanos Paralizados (número de premio PVA17RF0008).