Vías de señalización de la autofagia: dianas terapéuticas para las enfermedades neurodegenerativas

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Las enfermedades neurodegenerativas afectan a millones de personas en todo el mundo. Esto incluye una amplia gama de condiciones que resultan del daño progresivo a las células y las conexiones del sistema nervioso que son esenciales para la movilidad, la coordinación, la fuerza, la sensación y la cognición. Los agentes causales de estas y otras enfermedades similares del sistema nervioso central aún no se comprenden por completo, aunque se cree que incluyen una combinación de contribuciones genéticas y ambientales.

Un sello distintivo de muchos trastornos neurodegenerativos es la acumulación de proteínas dañadas o anormalmente plegadas. El impacto de tales acumulaciones intracelulares se exacerba cuando la vía de degradación autofágica funciona mal. Esto ha llevado a muchos investigadores que estudian posibles dianas terapéuticas y moléculas en enfermedades neurodegenerativas a centrarse en las proteínas y vías de autofagia.

Dianas terapéuticas y desarrollo de fármacos

La investigación de estas vías requiere que los investigadores cambien continuamente de estudios genómicos a estudios funcionales para identificar, priorizar y evaluar objetivos potenciales. Por ejemplo, los estudios de asociación del genoma completo (GWAS) y los estudios de aleatorización mendeliana (MR) de objetivos potenciales se están utilizando para reconocer miles de objetivos potenciales. Sin embargo, el volumen de datos generados y, a menudo, la gran cantidad de objetivos que se investigan, requieren enfoques ortogonales para seleccionar los objetivos terapéuticos más prometedores.

Los investigadores ahora están combinando diferentes enfoques para obtener información multidimensional de sus análisis genómicos y funcionales. Por ejemplo, los datos de secuenciación genómica se pueden combinar con la manipulación genética en ensayos genómicos funcionales utilizando tecnologías de alto rendimiento, como pantallas CRISPR y siRNA, e imágenes de alto contenido.

Investigación actual: restauración de la mitofagia

El Dr. Robin Ketteler es profesor e investigador en el Laboratorio de Biología Celular Molecular (LMCB) del University College London. El equipo del Dr. Ketteler se centra en la regulación molecular de la autofagia, incluida la enfermedad de Parkinson (EP) y la neurodegeneración asociada a la hélice beta (BPAN), que es un trastorno infantil con características similares a las del Parkinson. En particular, están buscando formas potenciales de mejorar la mitofagia en el cerebro neurodegenerativo. Tres estrategias terapéuticas potenciales bajo investigación son:

  1. Mejorar la captura de mitocondrias dañadas en el extremo frontal de la vía autofágica
  2. Mejorar el flujo autofágico, es decir, aumentar la velocidad a la que se entregan los materiales al lisosoma.
  3. Mejora de la función de los lisosomas a través de una mayor acidificación

Un objetivo terapéutico potencial es la familia de enzimas DUB que ayuda a regular la homeostasis mitocondrial al disminuir las tasas de mitofagia. Una de las investigaciones recientes del equipo analizó la mejora de la mitofagia mediante el uso de inhibidores de la desubiquitinación (DUB). Las enzimas PINK1 (ubiquitina quinasa) y Parkin (E3-ubiquitina ligasa) juegan un papel importante en el control de calidad mitocondrial a través de la mitofagia de las mitocondrias dañadas. Las mutaciones en PINK1 y Parkin pueden provocar disfunción mitocondrial, alteración de la mitofagia y EP.

El equipo del Dr. Ketteler demostró que la desactivación y la inhibición de la enzima DUB USP30 dieron como resultado mayores tasas de mitofagia en modelos de células neuronales, así como en fibroblastos derivados de pacientes que portan las mutaciones de Parkin. Los investigadores aprovecharon las imágenes de alto contenido para optimizar la identificación de estructuras y procesos de mitofagia dentro de las células experimentales.

Investigación actual: EP mendeliana e idiopática

La Dra. Hélène Plun-Favreau es profesora e investigadora en el Instituto de Neurología del University College London. La investigación del Dr. Plun-Favreau se centra en las vías de señalización asociadas con la EP, especialmente la mitofagia y otras disfunciones mitocondriales en las formas familiar e idiopática de la EP.

La forma familiar o “mendeliana” de PD es causada por mutaciones autosómicas heredadas. Solo alrededor del 10% de los casos de EP son de forma mendeliana. Se desconoce la causa inicial de la forma idiopática o “esporádica”, pero a menudo resulta en mutaciones genéticas que afectan varias vías celulares. La gran mayoría de los casos de EP (90% o más) son de forma idiopática.

La disfunción mitocondrial es una característica patológica prominente de la EP esporádica y familiar. El trabajo del Dr. Plun-Favreau se enfoca en obtener una comprensión más profunda del proceso y la patología de la mitofagia al:

  • Identificación de los principales actores moleculares en la mitofagia inducida por PINK1
  • Desentrañar las vías aguas arriba que regulan el proceso de mitofagia
  • Evaluación de la mitofagia y otras disfunciones mitocondriales en neuronas de pacientes con EP y otras enfermedades neurodegenerativas.

Algunas de las investigaciones recientes del Dr. Plun-Favreau utilizaron la edición de genes CRISPR y la detección de alto contenido para revelar lo siguiente:

  • La detección de alto contenido de mitofagia es una estrategia útil para la priorización de estudios GWAS, así como para la evaluación de posibles dianas terapéuticas y fármacos.
  • Los candidatos objetivo de GWAS KANSL1 y KAT8 son nuevos reguladores de la mitofagia inducida por PINK1 en la enfermedad de Parkinson idiopática.
  • La mitofagia inducida por PINK1 está implicada como un mecanismo potencial en la EP idiopática.
  • El deterioro de la mitofagia inducido por PINK1 parece estar asociado en gran medida con la reducción de los niveles de proteína PINK1, que es causado, al menos en parte, por la expresión reducida del gen PINK1.

El objetivo final del Dr. Plun-Favreau es ayudar a identificar estrategias terapéuticas y moléculas que puedan modular la mitofagia para prevenir la fisiopatología mitocondrial y la muerte neuronal.

Recursos adicionales:

Seminario web: Autofagia y mitofagia en la neurodegeneración: una inmersión profunda

Tsefou et al. 2021. Investigación de la inhibición de USP30 para mejorar la mitofagia mediada por Parkin: herramientas y enfoques . Revista de bioquímica, 478(23): 4099–4118, 10 de diciembre.

Laboratorio de Biología Celular Molecular de University College London

Laboratorio Plun-Favreau de University College London : mitofagia y neurodegeneración

Este microambiente tumoral (TME) comprende una amplia variedad de tipos de células que incluyen células inmunitarias, células del estroma, vasos sanguíneos y matriz extracelular (ECM). Las células tumorales intercambian información continuamente con el TME para apoyar su crecimiento, progresión y metástasis. Esta diafonía celular también puede alterar la susceptibilidad de las células tumorales a las terapias contra el cáncer, lo que podría inducir resistencia al tratamiento.

Para comprender completamente la progresión del tumor, la metástasis y la resistencia a los medicamentos, los científicos deben reconstituir el tumor y su entorno fisiológico. Tradicionalmente, esto se ha logrado mediante el uso de cultivos monocapa 2D; sin embargo, dichos modelos no recapitulan completamente la estructura 3D de los tumores originales ni retienen los perfiles mutacionales de sus tumores parentales.

Más recientemente, el uso de modelos celulares en 3D ha ganado popularidad; debido en parte a los avances en instrumentación y reactivos que permiten el crecimiento y análisis de tales modelos a escala. Por ejemplo, los tumoroides derivados del paciente (PDT), que son cultivos 3D de células tumorales derivadas de pacientes con cáncer individuales, brindan una plataforma fisiológicamente más relevante para investigar el crecimiento y la progresión del cáncer, así como comprender la respuesta específica del paciente al tratamiento, que 2D. Culturas celulares.

Modelos de tumoroides 3D vascularizados

A medida que evoluciona el campo de los cultivos celulares en 3D  , los científicos buscan cada vez más afinar estos modelos mediante la inclusión de factores microambientales para reflejar mejor la patología de los tumores in vivo . Por ejemplo, un grupo de investigadores estableció recientemente un modelo PDT vascularizado de cáncer de pulmón de células no pequeñas (NSCLC) que imita la red vascular del tumor in vivo y su microambiente. 1

Al hablar sobre la importancia de su trabajo en la revista Biomedicines, Joseph Seitlinger y sus colegas dijeron: «Además de la farmacocinética y la farmacodinámica del fármaco, el transporte de moléculas terapéuticas a los tumores sólidos depende no solo de la red de microvasos establecida dentro del tumor, sino también sobre las propiedades del componente de tejido extravascular. Por lo tanto, desarrollar una red microvascular funcional alrededor y dentro del tumor es fundamental para un tratamiento eficaz”.

Para el estudio, el equipo primero agregó células de fibroblastos de pulmón humano a células tumorales de pacientes con NSCLC para formar PDT complejas. A continuación, las PDT se vascularizaron con células endoteliales humanas primarias y, después de tres días de cultivo separado, se combinaron con una matriz prevascularizada para imitar el entorno real in vivo . Comentando sus hallazgos, Seitlinger et al. dijo: «Hemos demostrado con éxito que los vasos neovascularizados en la matriz podrían estar conectados con los neovascularizados en las PDT».

El equipo concluyó que este modelo podría usarse para probar terapias convencionales como la radioterapia, la quimioterapia, la inmunoterapia o la viroterapia para la medicina personalizada, o podría implementarse más en un dispositivo de microfluidos para realizar la detección de fármacos para la medicina personalizada.

Mantenimiento de un microambiente inmune tumoral intacto en las TFD

Otro equipo de investigadores utilizó una combinación de análisis de imágenes de alto contenido, citometría de flujo y análisis de citocinas para comparar el microambiente inmunitario tumoral en las TFD con células disociadas 2D coincidentes de los tumores de los mismos pacientes. 2

Los ensayos multiplex de liberación de citocinas revelaron que la eliminación de la MEC por parte de las enzimas digestivas afectó significativamente al microambiente inmunitario del tumor. Cuando los modelos tumorales se trataron con dos fármacos inmunooncológicos, pembrolizumab (Keytruda®) y atezolizumab (Tecentriq®), el análisis de citometría de flujo demostró una activación diferencial de células T y células NK entre los modelos de suspensión de células disociadas y tumoroides 3D no propagados. Finalmente, los estudios de imágenes de alto contenido combinados con el análisis de muerte por flujo indicaron que la matriz extracelular tumoral desempeña un papel importante en la eliminación de células tumorales por parte de los fármacos inmunooncológicos.

“Nuestros datos muestran la importancia de mantener la estequiometría y las interacciones célula a célula del microambiente tumoral”, concluyeron los investigadores. «Estos datos [también] demuestran que la MEC intacta del tumor dentro de los tumoroides 3D no propagados es fundamental para una evaluación más precisa de los cambios mediados por la terapia en el microambiente inmunitario del tumor».

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Referencias

  1. Seitlinger, J., Nounsi, A., Idoux-Gillet, Y., Santos Pujol, E., Lê, H., Grandgirard, E., Olland, A., Lindner, V., Zaupa, C., Balloul, J., Quemeneur, E., Massard, G., Falcoz, P., Hua, G. y Benkirane-Jessel, N., 2022. Vascularización de tumoroides derivados de pacientes de cáncer de pulmón de células no pequeñas y su microentorno. Biomedicina , 10(5), p.1103.
  2. Agrawal, V., Mediavilla-Varela, M., Page, M., Kreahling, J. y Altiok, S., 2019. Resumen 42: La importancia del microambiente inmunitario tumoral intacto en tumoroides de pacientes frescos 3D no propagados en fármacos inmunooncológicos pruebas de muerte de células tumorales inmunogénicas y activación de células T. Investigación del cáncer , 79 (13_Suplemento), págs. 42-42.
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