Iluminación de la dinámica cerebral en tiempo real de los neuropéptidos con un biosensor fluorescente
Imagen confocal de neuronas cultivadas que expresan OxLight1 (izquierda) y modelo estructural de OxLight1 (derecha). Crédito: UZH
Los neuropéptidos juegan un papel fundamental en la modulación de las funciones celulares y de circuitos dentro del cerebro. Una de estas moléculas señalizadoras, la orexina, regula la excitación y la vigilia, y su falla puede provocar somnolencia diurna constante (narcolepsia). Investigadores de la Universidad de Zurich ahora han desarrollado un biosensor de orexina fluorescente para observar esta molécula «viva» en el cerebro de un ratón vivo.
En el cerebro, miles de millones de células neuronales actúan en conjunto para coordinar las funciones básicas y superiores del organismo. Utilizan un lenguaje especial para comunicarse entre sí: moléculas conocidas como neuropéptidos o neurotransmisores. Un ejemplo de tal sistema de moléculas de señalización es la orexina. Normalmente, regula la excitación, la vigilia, la motivación y el apetito. Los defectos en la liberación o detección de los neuropéptidos de orexina causan, tanto en humanos como en animales, una enfermedad llamada narcolepsia. Las personas afectadas sufren una abrumadora somnolencia diurna y, a menudo, presentan estados catalépticos, en los que permanecen conscientes pero no pueden controlar el movimiento del cuerpo, lo que provoca una especie de parálisis.
Arrojando luz sobre el funcionamiento interno del cerebro del ratón.
Tommaso Patriarchi del Instituto de Farmacología y Toxicología de la Universidad de Zúrich (UZH) y su equipo han desarrollado ahora un biosensor codificado genéticamente cuyas propiedades fluorescentes les permiten estudiar la acción de la orexina y los mecanismos de liberación «en vivo» y con alta resolución en el cerebro de ratones vivos. «El vínculo directo entre este sistema de neuropéptidos en particular y su dramática alteración en las funciones del cerebro humano en la narcolepsia nos llevó a estudiar la orexina con más detalle», dice Patriarchi.
El nuevo biosensor de orexina llamado «OxLight1» se basa en una proteína fluorescente verde especialmente diseñada e integrada en el receptor de orexina humano. «Marcar el receptor con una proteína fluorescente lo hace visible bajo el microscopio. Cuando el neuropéptido se une al receptor, hace que se ilumine», agrega Patriarchi. Por lo tanto, OxLight1 ofrece prácticamente una perspectiva en tiempo real sobre la liberación de orexina en animales vivos como el ratón.
Iluminando aspectos previamente invisibles de la función cerebral saludable
«Para comprender cómo actúan los sistemas de neuropéptidos como la orexina para mantener una función cerebral saludable, primero debemos ser capaces de observar los mensajes que transmiten estos neuropéptidos y luego aprender a interpretarlos», dice Patriarchi. Hasta ahora, esto ha sido prácticamente imposible debido a la falta de herramientas que puedan proporcionar una lectura con alta resolución espacial y temporal. Por lo tanto, los investigadores utilizaron su nuevo biosensor para investigar la relación entre la actividad neuronal y la liberación de neuropéptidos en animales vivos, una de las preguntas más apremiantes y buscadas durante mucho tiempo en neurofisiología que ha permanecido esquiva hasta ahora.
Mostraron que el nivel de liberación de orexina se correlaciona tanto con la frecuencia como con la duración de la activación neuronal. «La exquisita sensibilidad y velocidad de OxLight1 nos permitió rastrear la liberación endógena de orexina asociada con comportamientos naturales como la carrera espontánea o el estrés agudo», dice Patriarchi. Como resultado, pudieron demostrar en el cerebro vivo que las señales de orexina pueden ocurrir en forma de ráfagas de liberación relativamente breves o «fásicas».
Investigando los mecanismos de la enfermedad neural de la narcolepsia
Luego, el equipo investigó la dinámica de las orexinas en las transiciones de sueño/vigilia. Al combinar imágenes de fotometría de la dinámica de orexina y registros de actividad neuronal para calificar el estado de sueño de los animales, los investigadores observaron por primera vez que se produce una rápida caída en los niveles de orexina durante el sueño REM de los ratones. El trabajo posterior con colegas del Istituto Italiano di Tecnologia en Italia, expertos en microscopía de dos fotones, reveló otro proceso hasta ahora desconocido: fluctuaciones de orexina localizadas espacialmente que ocurren en la corteza somatosensorial al despertar de la anestesia. Este último trabajo colaborativo se realizó en el marco del proyecto europeo DEEPER, recientemente premiado.
“Después de descifrar la liberación de orexina y la actividad neuronal en el cerebro sano, ahora estamos usando OxLight1 para investigar los mecanismos de enfermedades cerebrales como narcolepsia y adicción», dice Tommaso Patriarchi. Esta investigación es el primer resultado de un proyecto para el que Tommaso Patriarchi recibió una subvención inicial del ERC en 2020. Los biosensores que ha desarrollado su equipo ahora se utilizan para investigar la función cerebral en laboratorios de todo el mundo. Al continuar expandiendo su caja de herramientas neurotecnológicas, los investigadores también tienen como objetivo establecer ensayos de detección de próxima generación para el desarrollo de fármacos.
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Los científicos desarrollan un compuesto novedoso que regula la vigilia Más información: Tommaso Patriarchi, Un sensor codificado genéticamente para obtener imágenes in vivo de neuropéptidos de orexina, Nature Methods (2022). DOI: 10.1038/s41592-021-01390-2. www.nature.com/articles/s41592-021-01390-2 Información de la revista: Nature Methods
Proporcionado por la Universidad de Zúrich Cita: Iluminando el cerebro en tiempo real dinámica de neuropéptidos con un biosensor fluorescente (10 de febrero de 2022) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2022-02-illuminating-real-time-brain-dynamics-neuropeptides.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.