Estudio en ratones encuentra vínculo entre enfermedad intestinal y lesión cerebral en bebés prematuros
Fotomicrografías que demuestran el impacto de los linfocitos T (células T) asociados con la enfermedad intestinal enterocolitis necrotizante (NEC) en la mielina, un material graso que rodea y protege las células nerviosas — en organoides de cerebro de ratón cultivados en laboratorio («mini-cerebros») que modelan el cerebro de un bebé humano prematuro. La imagen de la izquierda muestra organoides cerebrales de ratones sanos con numerosas conexiones de mielina entre las neuronas (áreas brillantes). La imagen de la derecha muestra organoides cerebrales expuestos a células T de ratones con NEC que muestran una clara reducción en la cantidad de fibras de mielina que conectan las neuronas. Crédito: C. Zhou, C. Sodhi y DJ Hackam, Johns Hopkins Medicine
Los médicos saben desde hace mucho tiempo que la enterocolitis necrotizante (ECN), una afección inflamatoria potencialmente letal que destruye el revestimiento intestinal de un bebé prematuro, a menudo está relacionada con el desarrollo de lesión cerebral grave en los bebés que sobreviven. Sin embargo, los medios por los cuales el intestino enfermo «comunica» su devastación al cerebro del recién nacido se desconocen en gran medida.
Ahora, trabajando con ratones, los investigadores de Johns Hopkins Medicine y la Universidad de Lausana en Suiza han identificado ese eslabón perdido en una célula del sistema inmunitario que, dicen, viaja desde el intestino hasta el cerebro y ataca a las células en lugar de protegerlas como lo hace normalmente. .
Los hallazgos del equipo se publicaron el 6 de enero de 2021 en la revista Science Translational Medicine.
Observado en hasta el 12 % de los bebés que pesan menos de 3,5 libras al nacer, NEC es una emergencia gastrointestinal que progresa rápidamente en la que las bacterias invaden la pared del colon y causan inflamación que finalmente puede destruir el tejido sano en el sitio. Si suficientes células se vuelven necróticas (mueren) de modo que se crea un orificio en la pared intestinal, las bacterias pueden ingresar al torrente sanguíneo y causar una sepsis potencialmente mortal.
En un estudio con ratones de 2018, investigadores de Johns Hopkins Medicine and el Centro de Investigación del Cáncer Fred Hutchinson encontró que los animales con NEC producen una proteína llamada receptor 4 tipo toll (TLR4) que se une a las bacterias en el intestino y precipita la destrucción intestinal. También determinaron que TLR4 activa simultáneamente células inmunitarias en el cerebro conocidas como microglia, lo que lleva a la pérdida de materia blanca, lesiones cerebrales y disminución de la función cognitiva. Lo que no estaba claro era cómo se conectaban los dos.
Para este último estudio, los investigadores especularon que las células del sistema inmunitario de linfocitos T CD4+, también conocidas como células T colaboradoras, podrían ser el vínculo. Las células T CD4+ reciben su apodo de «ayudantes» porque ayudan a otro tipo de célula inmunitaria llamada linfocito B (o célula B) a responder a proteínas superficiales, antígenos de células infectadas por invasores extraños, como bacterias o virus. Activadas por las células T CD4+, las células B inmaduras se convierten en células plasmáticas que producen anticuerpos para marcar las células infectadas para eliminarlas del cuerpo o células de memoria que «recuerdan» la bioquímica del antígeno para una respuesta más rápida a futuras invasiones.
< Las células T CD4+ también envían mensajeros químicos que traen otro tipo de célula T, conocida como célula T asesina, al área para que las células infectadas específicas puedan eliminarse. Sin embargo, si esta actividad ocurre en el lugar equivocado o en el momento equivocado, las señales pueden inadvertidamente dirigir a las células T asesinas para que ataquen a las células sanas.
«Lo sabíamos al comparar los cerebros de bebés con NEC con los de bebés que murieron por otras causas que los primeros tenían acumulaciones de células T CD4+ y mostraban una mayor actividad microglial», dice el autor principal del estudio, David Hackam, MD, Ph.D., cirujano jefe del Johns Hopkins Children’s Center y profesor de cirugía en la Escuela de Medicina de la Universidad Johns Hopkins. «Sospechábamos que estas células T procedían de las regiones del intestino inflamadas por NEC y nos dispusimos a demostrarlo utilizando ratones recién nacidos como modelo de lo que sucede en los bebés humanos».
En el primero de un serie de experimentos, los investigadores indujeron NEC en ratones bebés y luego examinaron sus cerebros. Como era de esperar, los tejidos mostraron un aumento significativo de células T CD4+, así como niveles más altos de una proteína asociada con una mayor actividad microglial. En una prueba de seguimiento, los investigadores demostraron que los ratones con NEC tenían una barrera hematoencefálica debilitada, la pared biológica que normalmente evita que las bacterias, los virus y otros materiales peligrosos que circulan en el torrente sanguíneo lleguen al sistema nervioso central. Los investigadores supusieron que esto podría explicar cómo las células T CD4+ del intestino podrían viajar al cerebro.
Luego, los investigadores determinaron que la acumulación de células T CD4+ era la causa de la lesión cerebral observada con NEC. Hicieron esto primero bloqueando biológicamente el movimiento de las células T auxiliares hacia el cerebro y luego, en un experimento separado, neutralizando las células T uniéndolas a un anticuerpo especialmente diseñado. En ambos casos, se redujo la actividad microglial y se conservó la materia blanca del cerebro.
Para definir mejor el papel de las células T CD4+ en la lesión cerebral, los investigadores recolectaron células T del cerebro de ratones con NEC y los inyectó en los cerebros de ratones criados para carecer de linfocitos T y B. En comparación con los ratones de control que no recibieron células T, los ratones que recibieron los linfocitos tenían niveles más altos de señales químicas que atraen a las células T asesinas. Los investigadores también observaron la activación de la microglía, la inflamación del cerebro y la pérdida de materia blanca, todos marcadores de lesión cerebral.
Luego, los investigadores buscaron definir mejor cómo las células T CD4+ acumuladas estaban destruyendo la materia blanca, en realidad una grasa llamada mielina que cubre y protege las neuronas del cerebro y facilita la comunicación entre ellas. Para ello, utilizaron organoides, células de cerebro de ratón cultivadas en el laboratorio para simular todo el cerebro. Se agregaron células T CD4+ derivadas del cerebro de ratones con NEC a estos «mini-cerebros» de laboratorio y luego se examinaron durante varias semanas.
Hackam y sus colegas encontraron que una señal química específica de las células T es una citocina ( proteína inflamatoria) conocida como interferón-gamma (IFN-gamma) aumentó en los organoides a medida que disminuyó la cantidad de mielina. Esta actividad no se observó en los organoides que recibieron células T CD4+ de ratones sin NEC.
Después de agregar IFN-gamma solo a los organoides, los investigadores observaron los mismos niveles aumentados de inflamación y reducción de mielina que había visto en ratones con NEC. Cuando agregaron un anticuerpo neutralizador de IFN-gamma, la producción de citocinas se redujo significativamente, se redujo la inflamación y se restauró parcialmente la materia blanca.
Los investigadores concluyeron que el IFN-gamma dirige el proceso que conduce a la lesión cerebral relacionada con NEC . Su hallazgo se confirmó cuando un examen de tejidos cerebrales de ratones con NEC reveló niveles más altos de IFN-gamma que en tejidos de ratones sin la enfermedad.
A continuación, los investigadores investigaron si las células T CD4+ podían migrar desde el gut al cerebro de ratones con NEC. Para ello, obtuvieron células T CD4+ del intestino de ratones lactantes con y sin ECN. Ambos tipos de células se inyectaron en el cerebro de ratones bebés en dos grupos, uno que podía producir la proteína Rag1 y otro que no. Los ratones con deficiencia de Rag1 no tienen linfocitos T o B maduros.
Los ratones con deficiencia de Rag1 que recibieron células T auxiliares derivadas del intestino de ratones con NEC mostraron las mismas características de lesión cerebral observadas en los experimentos anteriores. Las células T de ratones con y sin NEC no causaron lesión cerebral en ratones con Rag1, ni las células T de ratones sin NEC en ratones deficientes en Rag1. Esto demostró que las células T auxiliares derivadas del intestino de ratones con NEC eran las únicas que podían causar daño cerebral.
En una segunda prueba, se inyectaron células T derivadas del intestino de ratones con y sin NEC en el peritoneo, la membrana que recubre la cavidad abdominal de los ratones deficientes en Rag1. Solo las células T intestinales de ratones con NEC provocaron lesiones cerebrales.
Este hallazgo se confirmó mediante la secuenciación genética de las mismas porciones de linfocitos T derivados del cerebro y del intestino de ratones con y sin NEC. Las secuencias de las células T colaboradoras de ratones con NEC, en promedio, eran un 25 % genéticamente similares, mientras que las de ratones sin NEC eran solo un 2 % similares.
En un experimento final, los investigadores bloquearon el IFN- gama sola. Hacerlo proporcionó una protección significativa contra el desarrollo de lesiones cerebrales en ratones con NEC grave. Esto sugiere, dicen los investigadores, un enfoque terapéutico que podría beneficiar a los bebés prematuros con la afección.
«Nuestra investigación sugiere fuertemente que las células T auxiliares de los intestinos inflamados por NEC pueden migrar al cerebro y causar daño». dice Hackam. «Se demostró previamente que el modelo de ratón en nuestro estudio coincide estrechamente con lo que ocurre en los humanos, por lo que creemos que este es el mecanismo probable por el cual se desarrolla una lesión cerebral relacionada con NEC en bebés prematuros».
Basándonos en estos hallazgos, Hackam dice que las medidas para prevenir este tipo de lesión cerebral, incluidas las terapias para bloquear la acción de INF-gamma, pueden ser posibles.
Explore más
Los investigadores encuentran la causa y la cura de la lesión cerebral asociada con la afección intestinal Más información: Qinjie Zhou et al. La enterocolitis necrotizante induce una lesión mediada por linfocitos T en el cerebro de mamíferos en desarrollo, Science Translational Medicine (2021). DOI: 10.1126/scitranslmed.aay6621
Diego F. Nio et al. Las deficiencias cognitivas inducidas por la enterocolitis necrosante se pueden prevenir mediante la inhibición de la activación microglial en el cerebro del ratón, Science Translational Medicine (2018). DOI: 10.1126/scitranslmed.aan0237 Información de la revista: Science Translational Medicine