El estudio de la Universidad de California en San Diego (UCSD) utiliza tejido cerebral humano cultivado en laboratorio para identificar anomalías neuronales en el síndrome de Pitt-Hopkins y probar herramientas de terapia génica.
En un estudio publicado el 02 de mayo de 2022, en la revista Comunicaciones de la naturaleza, científicos de la Facultad de Medicina de la Universidad de California en San Diego utilizaron organoides cerebrales humanos para descubrir cómo una mutación genética asociada con una forma grave de autismo interrumpe el desarrollo neuronal. El uso de herramientas de terapia génica para recuperar la función del gen rescató con éxito la estructura y función neuronal.
Varias enfermedades neurológicas y neuropsiquiátricas, incluidos los trastornos del espectro autista (TEA) y la esquizofrenia, se han relacionado con mutaciones en el factor de transcripción 4 (TCF4), un gen esencial en el desarrollo del cerebro. Los factores de transcripción regulan cuándo se activan o desactivan otros genes, por lo que su presencia o ausencia puede tener un efecto dominó en el embrión en desarrollo. Aún así, se sabe poco sobre lo que le sucede al cerebro humano cuando TCF4 está mutado.
Para explorar esta pregunta, los investigadores se centraron en el síndrome de Pitt-Hopkins, un TEA causado específicamente por mutaciones en TCF4. Los niños con la condición genética tienen profundas discapacidades cognitivas y motoras y, por lo general, no hablan.
Síndrome de Pitt-Hopkins (PTHS) es un trastorno genético raro caracterizado por retraso en el desarrollo, epilepsia, rasgos faciales distintivos y posible hiperventilación intermitente seguida de apnea. A medida que se descubre más sobre Pitt-Hopkins, el espectro de desarrollo del trastorno se amplía para abarcar dificultades con el autismo, la ansiedad, el TDAH y los trastornos sensoriales. Está relacionado con una anomalía dentro del cromosoma 18, específicamente una expresión inadecuada del gen TCF4.
Los modelos de ratón existentes del síndrome de Pitt-Hopkins no logran imitar con precisión las características neuronales de los pacientes, por lo que el equipo de UCSD creó un modelo de investigación humano del trastorno. Usando tecnología de células madre, convirtieron las células de la piel de los pacientes en células madre, que luego se desarrollaron en organoides cerebrales tridimensionales, o «mini-cerebros».
Las observaciones iniciales de los organoides cerebrales revelaron una gran cantidad de diferencias estructurales y funcionales entre los TCF4 -Muestras mutadas y sus controles.
«Incluso sin un microscopio, se podía saber qué organoide cerebral tenía la mutación», dijo la autora principal del estudio, Alysson R. Muotri, PhD, profesora de la Facultad de Medicina de la UC San Diego, directora del Programa de Células Madre de la UC San Diego y miembro del el Consorcio de Sanford para la Medicina Regenerativa.
Él TCF4 -los organoides mutados eran sustancialmente más pequeños que los organoides normales, y muchas de las células no eran en realidad neuronas, sino progenitores neuronales. Estas células simples están destinadas a multiplicarse y luego madurar en células cerebrales especializadas, pero en los organoides mutados, parte de este proceso salió mal.
Una serie de experimentos revelaron que el TCF4 mutación condujo a la desregulación aguas abajo de medias genes y la vía Wnt, dos señales moleculares importantes que guían a las células embrionarias a multiplicarse, madurar en neuronas y migrar a la ubicación correcta en el cerebro.
Debido a esta desregulación, los progenitores neuronales no se multiplicaron de manera eficiente y, por lo tanto, se produjeron menos neuronas corticales. Las células que maduraron y se convirtieron en neuronas eran menos excitables de lo normal y, a menudo, permanecían agrupadas en lugar de organizarse en circuitos neuronales finamente sintonizados.
Esta arquitectura celular atípica interrumpió el flujo de actividad neuronal en el organoide cerebral mutado, lo que, según los autores, probablemente contribuiría al deterioro de la función cognitiva y motora en el futuro.
“Nos sorprendió ver problemas de desarrollo tan importantes en todas estas escalas diferentes, y nos dejó preguntándonos qué podíamos hacer para abordarlos”, dijo el primer autor Fabio Papes, PhD, profesor asociado de la Universidad de Campinas y académico visitante en la UC. Facultad de Medicina de San Diego, quien supervisó conjuntamente el trabajo con Muotri. Papes tiene un familiar con Síndrome de Pitt-Hopkins, lo que lo motivó a estudiar TCF4.
El equipo probó dos estrategias diferentes de terapia génica para recuperar el gen funcional en el tejido cerebral. Ambos métodos aumentaron efectivamente TCF4 y, al hacerlo, corrigió los fenotipos del síndrome de Pitt-Hopkins a escala molecular, celular y electrofisiológica.
“El hecho de que podamos corregir este gen y todo el sistema neuronal se restablezca, incluso a un nivel funcional, es asombroso”, dijo Muotri.
Muotri señala que estas intervenciones genéticas tuvieron lugar en una etapa prenatal del desarrollo del cerebro, mientras que en un entorno clínico, los niños recibirían su diagnóstico y tratamiento unos años más tarde. Por lo tanto, los ensayos clínicos primero deben confirmar si una intervención posterior sigue siendo segura y efectiva. Actualmente, el equipo está optimizando sus herramientas de terapia génica recientemente autorizadas en preparación para dicho ensayo, en el que se espera que las inyecciones espinales del vector genético recuperen la función TCF4 en el cerebro.
“Para estos niños y sus seres queridos, valdría la pena intentar cualquier mejora en la función cognitiva motora y la calidad de vida”, dijo Muotri.
“Lo que es realmente sobresaliente de este trabajo es que estos investigadores van más allá del laboratorio y trabajan arduamente para hacer que estos hallazgos sean traducibles a la clínica”, dijo Audrey Davidow, presidenta de la Fundación de Investigación Pitt Hopkins. “Esto es mucho más que un artículo académico estelar; es una verdadera medida de lo que la ciencia bien practicada puede lograr para mejorar la vida humana”.
Referencia: «La pérdida de función del factor de transcripción 4 se asocia con déficits en la proliferación de progenitores y el contenido de neuronas corticales» por Fabio Papes, Antonio P. Camargo, Janaina S. de Souza, Vinicius MA Carvalho, Ryan A. Szeto, Erin LaMontagne, José R. Teixeira, Simoni H. Avansini, Sandra M. Sánchez-Sánchez, Thiago S. Nakahara, Carolina N. Santo, Wei Wu, Hang Yao, Barbara MP Araújo, Paulo ENF Velho, Gabriel G. Haddad and Alysson R. Muotri , 2 de mayo de 2022, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-022-29942-w
Los coautores incluyen: Janaina S. de Souza, Ryan A. Szeto, Erin LaMontagne, Simoni H. Avansini, Sandra M. Sanchez-Sanchez, Wei Wu, Hang Yao y Gabriel Haddad en UC San Diego; Antonio P. Camargo, Vinicius MA Carvalho, Jose R. Teixeira, Thiago S. Nakahara, Carolina N. Santo, Barbara MP Araujo y Paulo ENF Velho en la Universidad de Campinas.
Este trabajo fue financiado, en parte, por los Institutos Nacionales de Salud (subvención R01 MH123828), la Fundación de Investigación Pitt Hopkins, la Fundación de Investigación de Sao Paulo (subvenciones 2020/11451-7, 2018/03613-7, 2018/04240-0 ) y el Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía de EE. UU. (DE-AC02-05CH11231).