Los investigadores restauran las conexiones neuronales en el pez cebra
Neuronas en el pez cebra, en el que los investigadores de Harvard probaron su enfoque para el crecimiento directo del axón. Crédito: Laboratorio Arlotta/Universidad de Harvard
Investigadores de la Universidad de Harvard han desarrollado una técnica de ingeniería para controlar con precisión la dirección en la que las neuronas hacen crecer sus axones, estructuras similares a cables que permiten que las células nerviosas se conecten entre sí. En un modelo de pez cebra, los investigadores utilizaron el enfoque para corregir conexiones neuronales defectuosas y restaurar la capacidad de la neurona para provocar contracciones musculares.
Los hallazgos, publicados en la revista Developmental Cell, representan un paso clave para reparar el daño del sistema nervioso en los pacientes. También pueden permitir a los científicos crear modelos más precisos del cerebro en una placa de laboratorio, instruyendo la formación de conexiones neuronales precisas que se asemejan a las del cerebro real.
«El proceso de establecer conexiones entre neuronas ocurre principalmente durante el desarrollo embrionario, especialmente en mamíferos como nosotros. Después de ese punto, si estas conexiones se cortan en situaciones como una lesión de la médula espinal, las neuronas normalmente no vuelven a crecer sus conexiones, perdiendo funcionalidad. Sería un gran logro poder superar estas dificultades», dijo Paola Arlotta, profesora de biología regenerativa y de células madre de la familia Golub. «Este estudio es una prueba de principio que muestra el potencial de una estrategia no invasiva para dirigir el crecimiento de las neuronas».
Formando conexiones
El axón de una neurona es una proyección que emana del cuerpo celular y se conecta a otras celdas, a menudo ubicadas a gran distancia. En el embrión en desarrollo, un conjunto complejo de señales guía una estructura especializada en la punta del axón, llamada cono de crecimiento, a su objetivo preciso para conectar el sistema nervioso.
«La naturaleza ha ideado esto hermosa sinfonía de señalización molecular que permite que un tejido tan increíblemente complejo como el cerebro se conecte adecuadamente. Estamos aprendiendo más y más sobre cómo sucede esto, pero aún no tenemos la capacidad de dirigir todos estos procesos intrincados», dijo James. Harris, estudiante de posgrado en el laboratorio de Arlotta y autora principal del estudio. «En su lugar, creamos una herramienta extremadamente precisa que nos permite anular las señales moleculares dentro del cuerpo y guiar el crecimiento axonal, de acuerdo con nuestros propios diseños».
Al controlar el crecimiento axonal directamente, esta estrategia evita la interrupción crítica moléculas de señalización biológica o la introducción de productos químicos que podrían alterar el delicado entorno de desarrollo, lo que podría causar consecuencias no deseadas en las células vecinas. Para asegurarse de que la herramienta fuera muy específica, los investigadores adoptaron un enfoque de ingeniería para resolver el problema.
Un enfoque de ingeniería no invasivo
Para controlar el crecimiento del axón, los investigadores introdujeron una proteína de fusión en neuronas que combinaban la funcionalidad de dos proteínas diferentes. La primera proteína se expresa normalmente en los axones en desarrollo y controla la maquinaria responsable del crecimiento axonal. La segunda proteína se encuentra originalmente en las plantas y les ayuda a sentir la luz.
Un axón que crece en un pez cebra, guiado por la luz, brilló en el círculo azul. Crédito: Laboratorio Arlotta, Universidad de Harvard
«Al igual que las plantas crecen hacia el sol, diseñamos los axones para que crezcan hacia nuestra iluminación objetivo», dijo Harris.
Cuando los investigadores dirigieron un tipo específico de luz cerca de las neuronas, los axones crecieron hacia el estímulo no invasivo.
Los investigadores probaron el enfoque en un modelo de pez cebra, en colaboración con el laboratorio Leonard Zon. Pudieron no solo hacer que las neuronas crecieran en una dirección específica elegida, sino también hacer que las neuronas crecieran a través de barreras de desarrollo repulsivas que normalmente restringen los axones a una ubicación corporal muy estrecha.
«Hay moléculas específicas que se expresan en estas barreras de desarrollo que ayudan a guiar correctamente los axones durante el desarrollo normal. Curiosamente, muchas de estas moléculas también están presentes en el tejido dañado y actúan como barreras para la regeneración axonal en los mamíferos», dijo Harris. «En este contexto particular de un embrión de pez cebra en desarrollo, nuestro enfoque tenía el poder de superar estas moléculas inhibidoras de señalización».
Los investigadores también estudiaron un modelo de pez cebra con mutaciones genéticas que impedían que los axones crecieran correctamente. Su enfoque de iluminación rescató con éxito este defecto al guiar los axones a sus objetivos. Los axones guiados pudieron provocar contracciones musculares en el pez cebra, lo que demuestra que las conexiones reparadas eran funcionales.
Aplicación de la tecnología
Aunque la aplicación de esta tecnología para reparar conexiones lesionadas en pacientes requerirá trabajo adicional sustancial, este estudio es un paso prometedor en esta importante dirección. Más inmediatamente, la nueva técnica puede ayudar a los científicos a crear modelos más precisos del cerebro.
«Estamos realmente interesados en usar esta tecnología para conectar conexiones más específicas dentro de los organoides del cerebro humano», dijo Arlotta.
Hechos a partir de células madre humanas, los organoides replican características importantes del sistema nervioso en desarrollo en una placa de laboratorio.
«Los organoides cerebrales pueden producir de manera reproducible una gran cantidad de tipos de células que normalmente pueblan el cerebro endógeno. Aunque estas neuronas pueden extender los axones y conectarse dentro de los circuitos, por el momento, su conectividad no está organizada como la del cerebro real», dijo Arlotta. «Al guiar los axones de neuronas específicas hacia objetivos predefinidos, tendríamos la oportunidad de diseñar una nueva conectividad, exactamente como está presente en el organismo intacto. Esto es importante por muchas razones, entre ellas la posibilidad de comprender cómo las enfermedades afectan a neuronas específicas. y sus redes para informar el progreso terapéutico».
Explore más
Científicos regeneran neuronas en ratones con lesión de la médula espinal y daño del nervio óptico Más información: James M. Harris et al. El control optogenético de largo alcance de la guía del axón supera los límites y defectos del desarrollo, Developmental Cell (2020). DOI: 10.1016/j.devcel.2020.05.009 Información del diario: Developmental Cell
Proporcionado por la Universidad de Harvard
Esta historia se publica por cortesía de Harvard Gazette, el periódico oficial de la Universidad de Harvard. Para noticias universitarias adicionales, visite Harvard.edu.
Cita: Los investigadores restauran las conexiones neuronales en el pez cebra (2020, 9 de junio) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-06-neural-zebra-fish .html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.