El nuevo método permite un modelo 3D realista de la unión neuromuscular
Unión aneuromuscular. Crédito: Wikimedia Commons, licencia internacional Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0
La unión neuromuscular donde se unen los nervios y las fibras musculares es una sinapsis esencial para la contracción y el movimiento muscular . El funcionamiento inadecuado de estas uniones puede conducir al desarrollo de enfermedades neuromusculares progresivas, algunas de las cuales no tienen tratamiento efectivo (como la enfermedad de Lou Gehrig). Ahora, los investigadores financiados por NIBIB han encontrado una manera de modelar la unión neuromuscular humana mediante el crecimiento de estas sinapsis en un laboratorio, lo que podría acelerar nuevos tratamientos para enfermedades neuromusculares.
«Tradicionalmente, los estudios de la unión neuromuscular se basan en modelos de animales pequeños, pero la sinapsis humana tiene diferencias clave que, en última instancia, limitan la utilidad de los estudios en animales», dijo David Rampulla, Ph.D., director de la división de Discovery Science. & Tecnología en NIBIB. «Aquí, los autores del estudio han desarrollado un método para evaluar la unión neuromuscular utilizando modelos de tejidos humanos en 3D, lo que permite una representación más precisa de la enfermedad humana».
La unión neuromuscular se compone esencialmente de dos tipos diferentes de celulares: células del músculo esquelético y un tipo de célula nerviosa llamada neuronas motoras. Las neuronas motoras están cubiertas de canales iónicos, que se abren en respuesta a las señales eléctricas del cerebro. Una vez que estos canales iónicos están abiertos, una serie de reacciones en cascada permite que la señal llegue a las células del músculo esquelético, lo que finalmente da como resultado la contracción muscular. Por lo tanto, para generar un modelo 3D de la unión neuromuscular humana, los investigadores tuvieron que adquirir y cultivar estos dos tipos de células. Lo lograron usando una biopsia de músculo de un donante, de la cual se aislaron células musculares y se derivaron genéticamente células neuronales, o usando células madre humanas que fueron modificadas genéticamente para producir ambos tipos de células.
Arriba: Células musculares crecen en una cámara con dos pilares flexibles, mientras que las neuronas motoras crecen en una cámara separada pero conectada arriba (no se muestra). Después de aproximadamente dos semanas, el tejido muscular se inerva (contiene axones). Cuando las neuronas motoras se exponen a pulsos de luz azul (destellos en la esquina superior izquierda), el tejido muscular se contrae. Abajo: Las contracciones del tejido muscular se miden en respuesta a los pulsos de luz. Si el pulso de luz provoca una contracción, se indica en verde; si el pulso de luz no desencadena una contracción, se indica en rojo. Crédito: Laboratorio Vunjak-Novakovic en la Universidad de Columbia
Una vez que adquirieron las células necesarias y cultivaron sus modelos, los investigadores necesitaban encontrar una manera de medir cómo la unión neuromuscular estaba funcionando. Para ello, modificaron genéticamente las neuronas motoras para expresar canales iónicos que se abren cuando se exponen a la luz azul. Este enfoque, llamado optogenética, permite a los investigadores estimular con precisión las neuronas motoras con luz y luego analizar las contracciones musculares resultantes. De esta manera, los investigadores pueden controlar directamente la unión neuromuscular y cuantificar los cambios en su función.
Para controlar y monitorear completamente estos modelos fotosensibles, los investigadores cultivaron las neuronas motoras y las células musculares en cámaras separadas pero adyacentes. permitiendo que los axones (los filamentos delgados que transportan los impulsos nerviosos) «broten» de las neuronas y viajen hacia las células musculares. Luego, los investigadores diseñaron una plataforma optoelectrónica personalizada para estimular y filmar sus modelos. Luego, pudieron analizar qué tan bien se estaban contrayendo los tejidos musculares en respuesta a la estimulación (de la luz azul).
«Más allá de estudiar la unión neuromuscular sana, nuestro método también se puede adaptar para modelos específicos de pacientes, para ya sea para diagnosticar enfermedades o, eventualmente, para evaluar nuevas modalidades de tratamiento para afecciones neuromusculares difíciles de tratar», explicó la autora principal del estudio, Gordana Vunjak-Novakovic, Ph.D., profesora universitaria y profesora de ingeniería biomédica de la Fundación Mikati en la Universidad de Columbia en Nueva York. .
Un modelo de unión neuromuscular humana, donde las neuronas motoras (verde) inervan un tejido muscular esquelético (rojo). Crédito: Laboratorio Vunjak-Novakovic en la Universidad de Columbia
De hecho, en su estudio, los investigadores expusieron sus modelos a suero tomado de pacientes con miastenia gravis, una enfermedad autoinmune que ataca la unión neuromuscular y causa debilidad muscular. Los investigadores descubrieron que la exposición a este suero perjudicó drásticamente la función de sus modelos humanos, lo que demuestra que su sistema se puede utilizar para modelar enfermedades humanas.
«Nuestra plataforma demuestra que podemos cuantificar la función de personas sanas y modelos enfermos de la unión neuromuscular humana de manera imparcial y reproducible», señaló Vunjak-Novakovic.
«Se necesitan urgentemente nuevos enfoques para el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas, ya que décadas de investigación han resultado en avances terapéuticos limitados ”, dijo la primera autora del estudio, Olaia F. Vila, Ph.D., quien ahora es científica en Amgen en San Francisco. «Esperamos que nuestros modelos de la unión neuromuscular humana puedan usarse en un futuro próximo para ayudar al descubrimiento de fármacos y nuevos tratamientos para algunas de estas enfermedades».
Este estudio se publicó en Biomaterials.
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El músculo esquelético cultivado en una placa ofrece información sobre las enfermedades neuromusculares Más información: Olaia F. Vila et al, Modelo optogenético bioingeniería de la unión neuromuscular humana, Biomateriales (2021). DOI: 10.1016/j.biomaterials.2021.121033 Información de la revista: Biomaterials
Proporcionado por los Institutos Nacionales de Salud Cita: Nuevo método permite un modelo 3D realista del sistema neuromuscular junction (6 de enero de 2022) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2022-01-method-realistic-3d-neuromuscular-junction.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.