Investigadores del IUNICS demuestran el papel fundamental de la citoquinas en el proceso degenerativo de las motoneuronas en la esclerosis lateral

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1 Investigadores del IUNICS demuestran el papel fundamental de la citoquinas en el proceso degenerativo de las motoneuronas en la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) A través de un modelo que reproduce en el laboratorio y en tejidos animales la muerte de las motoneuronas que caracteriza a la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), los investigadores del Grupo de Neurobiología Celular del IUNICS han podido mostrar el papel fundamental que desempeñan las citoquinas en el proceso degenerativo. Se trata de proteínas sintetizadas por las células de la glía como respuesta a la inflamación y que, lejos de resolver la situación creada por una exceso de ácido glutámico, incrementan su acción tóxica en un círculo vicioso nefasto para el paciente PALABRAS CLAVE: motoneurona, neurodegeneración, receptores de glutamato, microglía, respuesta autoinmune, muerte celular, apoptosis, TNF-α, citoquinas KEYWORDS: motoneuron, neurodegeneracion, glutamate receptors, microglia, autoimmunity, cell death, apoptosis, TNF-α, cytokines Sección de la médula espinal de una rata. En el recuadro inferior pueden observarse las motoneuronas vistas al microscopio.

2 La esclerosis lateral amiotrófica (ELA) es una enfermedad neurodegenerativa que afecta selectivamente a las neuronas del sistema motor voluntario que controlan los músculos (motoneuronas) y que están localizadas en la corteza cerebral, el tronco del encéfalo y la médula espinal. La pérdida incesante de motoneuronas provoca en el paciente debilidad y atrofia muscular progresiva, lo que conduce a una parálisis cada vez más extensa. Otras enfermedades también provocan atrofia muscular y caquexia (muerte del músculo esquelético): cáncer, insuficiencia cardiaca crónica, sepsis, artritis reumatoide, enfermedad obstructiva pulmonar crónica (EPOC), entre otras. Cuáles son las causas de la muerte de las motoneuronas en el caso de la ELA y por qué se produce atrofia muscular en las enfermedades citadas? Estos dos interrogantes se encuentran en la base de la investigación que lleva a cabo el Grupo de Neurobiología Celular del Instituto Universitario de Investigaciones en Ciencias de la Salud (IUNICS), un instituto mixto entre la Universitat de les Illes Balears y la Conselleria de Salud y Consumo del Govern de les Illes Balears. Después de esclarecer los mecanismos moleculares implicados en la apoptosis (muerte celular) de los miotubos musculares, el grupo ha establecido, por primera vez, el papel que desempeñan algunas proteínas llamadas citoquinas en la muerte de las motoneuronas. Introducción El Grupo de Neuobiología Celular del IUNICS es dirigido por el doctor Gabriel Olmos, profesor titular del área de Biología Celular del Departamento de Biología de la UIB. En la actualidad el grupo está compuesto por cinco investigadores: la doctora Jerònia Lladó, investigadora del Programa "Ramón y Cajal", dos becarios financiados por el Fondo de Investigación Sanitaria (FIS) del Ministerio de Sanidad y Consumo, Margalida Mir y el doctor Víctor Asensio, y una becaria financiada por la Conselleria d Economia, Hisenda i Innovació del Govern de les Illes Balears, Laia Tolosa. El grupo colabora con especialistas del Servicio de Neurología del Hospital Universitario de Son Dureta de Palma y con otros grupos nacionales e Motoneuronas cultivadas in vitro a las que se ha marcado con una sustancia fluorescente para facilitar su estudio microscópico.

3 internacionales. La línea principal de investigación del grupo se centra en la actualidad en el estudio de los mecanismos celulares y moleculares que intervienen en la muerte de las motoneuronas, fenómeno que afecta a los pacientes de esclerosis lateral amiotrófica (ELA). Sin embargo, el grupo ha investigado previamente los mecanismos implicados en la muerte de células musculares, un proceso que afecta no sólo a enfermos de ELA sino también a pacientes de una amplia gama de enfermedades como el cáncer, la artritis reumatoide, el SIDA o la enfermedad obstructiva pulmonar crónica (EPOC). En los pacientes de ELA las funciones cerebrales no vinculadas a la actividad motora (inteligencia, sensibilidad) generalmente permanecen inalteradas, incluso en las etapas finales de la enfermedad. Por el contrario, son las neuronas asociadas al sistema motor voluntario, las motoneuronas, aquellas que mueren irremisiblemente. Aunque la enfermedad fue descrita en el año 1869 por Jean-Marin Charcot, las causas de la ELA siguen sin ser identificadas, extremo que dificulta la investigación y el diseño de tratamientos eficaces para detener su curso. Cabe tener presente que anualmente son diagnosticados dos casos de ELA por cada habitantes o, cuantificado de otra manera, cada año se diagnostican 15 nuevos casos entre la población de edad comprendida entre los 60 y los 69 años. transportadora del ácido glutámico por parte de las células gliales. Como consecuencia de esta merma, el medio extracelular del tejido nervioso afectado contiene niveles excesivos del neurotransmisor. De hecho, el único fármaco existente hoy día para el tratamiento de la ELA está dirigido a reducir los niveles de ácido glutámico en el tejido nervioso. El riluzol, utilizado en ensayos clínicos, actúa inhibiendo la liberación del neurotransmisor por parte de las motoneuronas. Son varios los grupos de investigación que abordan desde distintos enfoques las causas originales de la ELA. De hecho, se ha comprobado que el 20% de los casos de ELA familiar (un 10% del total de casos en el mundo) están relacionados con la mutación del gen codificador de un enzima, el Cu-Zn superóxido dismutasa. Sin embargo, no se conocen los mecanismos por los que dicha mutación origina la patología. A pesar de lo anterior, el hallazgo de esa mutación ha posibilitado que los investigadores puedan disponer de animales de experimentación con el gen mutado. Estos animales desarrollan una esclerosis lateral amiotrófica parecida a la humana. En investigaciones realizadas sobre animales con el gen mutado se ha podido comprobar una menor función del transportador EAAT2 de las células gliales. Gracias a este transportador las células de la glía Células musculares o miotubos. Qué se conoce sobre la muerte de las motoneuronas asociada a la ELA? Las neuronas utilizan unos mensajeros químicos llamados neurotransmisores para traspasar información a otras neuronas o a otras células del organismo. Uno de esos neurotransmisores es el ácido glutámico. Los niveles de ácido glutámico en el tejido nervioso están regulados por las llamadas células gliales (astrocitos, microglía). Estas células son capaces de introducir en su interior el ácido glutámico liberado por las neuronas, manteniendolo así en niveles reducidos en el medio extracelular. Desde hace dos décadas se sabe que los pacientes de ELA presentan una disminución de esta actividad

4 Miotubos: células musculares polinucleadas obtenidas en el laboratorio reproduciendo la miogénesis a partir de mioblastos. pueden introducir el ácido glutámico en su interior y provocar el descenso de los niveles extracelulares del neurotransmisor. Qué relación existe, sin embargo, entre un exceso de ácido glutámico en los pacientes de ELA y la muerte de sus motoneuronas? Aunque los investigadores han tenido en cuenta varias hipótesis, el modelo propuesto en los últimos años implicaría a un determinado tipo de proteína en todo el proceso. Según esta hipótesis, las citoquinas proinflamatorias, proteínas liberadas por la microglía (células gliales) podrían tener un efecto facilitador de los efectos tóxicos del ácido glutámico sobre las motoneuronas. Dicho de otra manera, las citoquinas proinflamatorias aumentarían la sensibilidad de las motoneuronas ante la toxicidad del ácido glutámico. Si la hipótesis estuviera en lo cierto, sería la activación de la microglía la que, al producir citoquinas proinflamatorias, desencadenaría la ELA. Su papel sería el de iniciar o propagar la enfermedad. Esta hipótesis neuroinflamatoria como desencadenante de la ELA se halla en la base de las investigaciones realizadas por el Grupo de Neurobiología Celular del IUNICS. organotípicos de médula espinal de rata y ha puesto a punto un modelo de neurotoxicidad lenta inducida por glutámico. Esto quiere decir que los investigadores añaden al cultivo de médula espinal de rata un inhibidor de la recaptación del glutámico (el THA), con lo que consiguen concentraciones del neurotransmisor que acaban afectando a las motoneuronas, las cuales acaban muriendo al cabo de 3 ó 4 semanas. Paralelamente y en el marco del proyecto "Efectos de citoquinas proinflamatorias sobre celulas muscuales y motoneuronas; implicaciones en la etiopatología de la pérdida de masa muscular", también con financiación del FIS, los investigadores han estudiado los efectos de las citoquinas sobre las motoneuronas. En concreto, el Grupo de Neurobiología Celular del IUNICS ha analizado la expresión de dos citoquinas: el factor de necrosis tumoral alfa (TNF-α ) y el interferón gamma. Los experimentos han podido demostrar que ambas citoquinas tienen un efecto sinérgico, de manera que cuando actúan conjuntamente el número de motoneuronas que mueren aumenta de manera significativa. El papel de las citoquinas Desde hace varios años y en el marco del proyecto "Mecanismos celulares y moleculares de la degeneración de motoneuronas", con financiación del Fondo de Investigación Sanitaria (FIS), el Grupo de Neurobiología Celular del IUNICS realiza cultivos El resultado es especialmente interesante por cuanto hasta hoy el papel de las citoquinas en la muerte de las motoneuronas se había centrado en el TNF-α, como único protagonista, descuidando otras citoquinas sintetizadas por las células de la glía. Los resultados obtenidos por el grupo demuestran que la sinergia de dos citoquinas tiene un efecto mucho mayor que el efecto de cada una de ellas actuando

5 separadamente. Las últimas investigaciones del grupo en esta línea de trabajo relacionan la acción sinérgica de las dos citoquinas sobre las neuronas con un enzima: el óxido nítrico sintetasa, que cataliza la síntesis del óxido nítrico. Los investigadores han comprobado como el TNF-α favorece la expresión del enzima, pero que la presencia del interferón gamma provoca un aumento en la producción. La relación entre la muerte de las motoneuronas y la elevada concentración de nitritos inducida por la acción sinérgica de las citoquinas pasa por la síntesis de radicales libres como el peróxidonitrito, que parece ser el agente destructor principal de proteinas y causante de la muerte de las neuronas. La muerte de células musculares Tal como hemos comentado más arriba, el estudio del efecto de las citoquinas sobre las motoneuronas tiene un precedente en las primeras investigaciones realizadas por el Grupo de Neurobiología Celular en un tejido diferente: el tejido muscular. Al fin y al cabo, como recuerda el doctor Olmos, "tanto la ELA, como otras enfermedades tienen en común el desarrollo de una importante atrofia muscular asociada". En este caso, los investigadores utilizaron un cultivo de mioblastos (células precursoras de las musculares) para reproducir en el laboratorio la miogénesis, es decir el proceso mediante el cual los mioblastos se convierten en células musculares polinucleadas. Reproducir la miogénesis in vitro es posible reduciendo el suero al cultivo de mioblastos. Entonces éstos se fusionan dando lugar a miotubos con multitud de núcleos. En este caso el Factor de Necrosis Tumoral Alfa (TNFα) añadido al cultivo provoca la muerte de las células musculares. A diferencia, sin embargo, de lo que ocurría en el caso de las motoneuronas, el papel del interferón gamma no es el de aumentar la acción del TNF-α, sino actuar como protector. El resultado es muy interesante en dos sentidos. Por una parte, se ha probado por primera vez el efecto de las citoquinas en la muerte de células musculares. Pero, por otra parte, el descubrimiento de que otras citoquinas pueden tener un efecto protector es capital de cara al desarrollo futuro de fármacos que puedan detener el proceso de apoptosis (muerte celular) de las células musculares asociado a diversas enfermedades. Grupo de Neurobiología Celular del IUNICS. De izquierda a derecha: doctora Jerònia Lladó, Margalida Mir, doctor Gabriel Olmos, Laia Tolosa y el doctor Víctor Asensió.

6 Proyectos financiados Título: Efectos de las citoquinas proinflamatorias sobre células musculares y motoneuronas: implicaciones en la etiopatología de la pérdida de masa muscular. Entidad financiadora: Fondo de Investigaciones Sanitarias- FIS (PI041507). Periodo: Investigador principal: doctor Gabriel Olmos Bonafé. Título: Estudio de las bases moleculares de la pérdida de masa muscular Entidad financiadora: Conselleria de Salut i Consum, Govern de les Illes Balears (15AA/2004). Periodo: Investigador principal: doctora Jerònia Lladó Vich. Título: Mecanismos celulares y moleculares de la degeneración de motoneuronas. Regulación por oxígeno. Entidad financiadora: Fondo de investigaciones Sanitarias- FIS (PI030632) Periodo: Investigador principal: doctora Jerònia Lladó Vich. Título: Estudio del efecto de fármacos opiáceos sobre la viabilidad neuronal y su relación con el desarrollo de la tolerancia al efecto antinociceptivo. Entidad financiadora: Comisión interministerial de Ciencia y Tecnología. CICYT. Plan Nacional de I+D. Proyecto SAF C Periodo: Investigador principal: doctor Gabriel Olmos Bonafé. Coordinador del Grupo de Neurobiología Celular del IUNICS Doctor Gabriel Olmos, profesor titular del área de Biología Celular del Departamento de Biología de la UIB. Coordinador del Grupo de Neurobiología Celular del Instituto Universitario de Investigaciones en Ciencias de la Salud (IUNICS). Edificio Guillem Colom Casasnovas Tel.: Otros miembros del Grupo de Neurobiología Celular del IUNICS Investigadores Dra. Jerònia Lladó Vich (Dept. de Biología/IUNICS. UIB) Dr. Víctor Asensio Landa (Dept. de Biología/IUNICS. UIB) Laia Tolosa Pardo (Dept. de Biología/IUNICS. UIB)

7 Margarita Mir Mas (Dept. de Biología/IUNICS. UIB) Francesc X. Miralles Morell. (Servicio de Neurología/IUNICS, Hospital Universitario Son Dureta). Colaboradores Félix Viana de la Iglesia, Instituto de Neurociencias de Alicante Publicaciones J. Lladó, C. Haenggeli, A. Pardo, V. Wong, L. Benson, C. Coccia, J.D. Rothstein, J.M. Shefner, N.J. Maragakis. Degeneration of respiratory motor neurons in the SOD1 G93A transgenic rat model of ALS. Neurobiology of Disease 21: (2006). L.Tolosa, M. Morlá, A. Iglesias, X. Busquets, J. Lladó, G. Olmos. IFN-gamma prevents TNF-alpha-induced apoptosis in C2C12 myotubes through down-regulation of TNF-R2 and increased NF-kappaB activity. Cellular Signalling 17(11) (2005). J. Lladó, C. Haenggeli, N.J. Maragakis, E.Y. Snyder, J.D. Rothstein. Neural stem cells protect against glutamateinduced excitotoxicity and promote survival of injured motor neurons through the secretion of neurotrophic factors. Molecular and Cellular Neuroscience 27 (3): (2004). D.A. Kerr, J. Lladó, M.J. Shamblott, N.J. Maragakis, D. Irani, T. Crawford, C. Krishnan, S. Dike D. Gearhart, J.D. Rothstein. Human embryonic germ cell derivatives facilitate motor recovery of rats with diffuse motoneuron injury. The Journal of Neuroscience 23: (2003). B.K. Kaspar, J. Lladó, N. Sherkat, J.D. Rothstein, F.H. Gage. Retrograde viral delivery of IGF-1 prolongs survival in a mouse ALS model. Science 23(12): (2003). M., Iglesias, M.F. Segura, J.X. Comella and G. Olmos. Mu-opioid receptor activation prevents apoptosis following serum withdrawal in differentiated SH-SY5Y cells and cortical neurons via phosphatidylinositol 3-kinase. Neuropharmacology 44, 482 (2003). M. Jackson, J. Lladó, J.D. Rothstein. Therapeutic developments in the treatment of amyotrophic lateral sclerosis. Expert Opinion Investigational Drugs 11: (2002). O.Tarabal, J. Calderó, J. Lladó, R.W. Oppenheim, J.E. Esquerda. Long-lasting aberrant tubulovesicular membrane inclusions accumulate in developing motoneurons after a sublethal excitotoxic insult: a possible model for neuronal pathology in neurodegenerative disease. The Journal of Neuroscience 21: (2001). Comunicaciones a congresos Tolosa, L.; Morlá, M.; Iglesias, A.; Busquets, X.; LLadó, J.; Olmos, G. Interferón gamma inhibe la apoptosis inducida por factor de necrosis tumoral alfa en miotubos C2C12. XXVII Congreso de la Sociedad Española de Bioquímica y Biología Molecular. Libro de Resúmenes. p P Lleida Tolosa, L.; V. J. Asensio, M. Mir, G. Olmos, J. Lladó. Efectos del VEGF en la degeneración excitotóxica de motoneuronas en cultivos de médula espinal. XI Congreso de la Sociedad Española de Neurociencia. Revista de Neurología, vol. 41, Supl 2, Septiembre Málaga. 2005

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