Una nueva molécula mapea el sistema vascular del cerebro
AGENCIA FAPESP/DICYT – Una molécula desarrollada por científicos brasileños y estadounidenses, a la que se le dio el nombre de FRW, mostró capacidad para unirse únicamente a los vasos sanguíneos del cerebro cuando se la inyectó en la circulación en pruebas con ratones. Esta técnica permitió efectuar un mapeo inédito del sistema vascular cerebral, y abre así el camino hacia la creación de nuevos estudios por imágenes para el diagnóstico de enfermedades tales como el alzhéimer y el párkinson.
Este trabajo contó con el apoyo de la FAPESP y con la coordinación de Ricardo José Giordano, docente del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP), en Brasil. Y sus resultados salieron publicados en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Tal como explicó Giordano, el principal obstáculo para el desarrollo de fármacos capaces de unirse a los vasos sanguíneos cerebrales es la llamada barrera hematoencefálica, una estructura que protege el sistema nervioso central contra la acción de sustancias potencialmente tóxicas presentes en la sangre. Sin embargo, las pruebas con ratones demostraron que la conexión de la FRW con los vasos cerebrales se produce justamente en la unión de las células de la barrera hematoencefálica.
Por ende, aparte de generar un mapa vascular completo del cerebro, esta nueva técnica podría también detectar la pérdida de la integridad de la barrera hematoencefálica, una posible causa de enfermedades neurodegenerativas tales como el alzhéimer y el párkinson.
“Teóricamente, si la FRW no se une al sistema vascular cerebral, esto constituye una señal de que la barrera ha sido perjudicada”, declaró Giordano.
Para llevar a cabo este estudio, los investigadores utilizaron una biblioteca de bacteriófagos (o fagos), una colección de virus que únicamente pueden producir infección en bacterias. Por ser inofensivos contra otros organismos, pueden emplearse como transportadores de moléculas.
“Cada uno de los fagos de la biblioteca es modificado mediante ingeniería genética, de manera tal que en su superficie posea un péptido [un fragmento de proteína] distinto al que tendría el virus original. Ese péptido transporta un marcador que es detectado cuando se une a proteínas específicas, ya sean del sistema vascular del cerebro, de tumores, de los riñones o de otras zonas del organismo”, dijo Giordano.
Esta técnica, conocida como phage display, les redituó a sus mentores –George P. Smith y Gregory P. Winter– el Premio Nobel de Química de 2018. Fue creada en 1985, y la brasileña Renata Pascualini, investigadora de la Rutgers University, en Estados Unidos, y una de las autoras del artículo publicado en PNAS, la adaptó para su aplicación en animales vivos durante la década siguiente.
Este estudio tuvo inicio en 2011, en el marco de un proyecto de iniciación a la investigación científica de Fenny Hui Fen Tang, la primera autora del artículo. Posteriormente, Hui Fen Tang siguió adelante con el mismo durante su maestría y su doctorado, concluido recientemente en el IQ-USP.
Este trabajo contó también con financiación de la FAPESP en el marco de una Ayuda a la Investigación en las modalidades de Apoyo a Jóvenes Investigadores y Regular.
Para arribar a esa molécula, los investigadores inyectaron en ratones una biblioteca entera, con alrededor de 10 mil millones de fagos distintos. Los virus modificados circularon por el torrente sanguíneo y, aunque el organismo eliminó a la mayoría, algunos se unieron a los vasos de distintos órganos y tejidos, entre éstos a la barrera hematoencefálica.
Esos fagos fueron rescatados de los cerebros de los animales y cultivados en bacterias con el fin de que se multiplicasen. Esa nueva generación de microorganismos fue inyectada en otros ratones para mejorar la selección y, al cabo de tres ciclos, aproximadamente 3.000 fagos se unieron a los vasos del cerebro.
“En este proceso, los péptidos con mayor afinidad con el sistema vascular cerebral fueron venciendo la selección y aumentando en cantidad”, explicó Giordano.
De los alrededor de 3.000 péptidos que se adhirieron a la barrera hematoencefálica, en 1.021 se hallaba presente una secuencia de tres aminoácidos: fenilalanina, arginina y triptofano.
“Observamos que este péptido es un marcador panvascular del cerebro, es decir, que reconoce a todos los vasos cerebrales. Pero no se une a vasos de otros tejidos que también están protegidos por barreras, tales como los del colon y los del intestino”, dijo el investigador.
Para sorpresa del grupo de Giordano, la FRW no se unió a los vasos de la retina, hasta entonces considerada una extensión del sistema nervioso.
“Se creía que la barrera que protege los vasos de la retina era muy similar o incluso idéntica a la barrera hematoencefálica. Y terminamos detectando una diferencia, al menos en los ratones, a causa de esta molécula”, dijo. Este hallazgo, por sí sólo, da margen para la realización de nuevos estudios sobre la llamada barrera hematorretiniana.
Una molécula sintética
Como no lograban identificar al receptor celular con el cual los fagos se unían mediante técnicas bioquímicas, los científicos del equipo del IQ-USP se asociaron con investigadores del Instituto Adolpho Lutz, en São Paulo. Éstos, expertos en la técnica de microscopía electrónica de transmisión (TEM, por sus siglas en inglés), ayudaron no sólo a visualizar a la molécula en el cerebro de los animales vivos, sino que también demostraron que la conexión con los vasos se produce en la juntura de las células de la barrera hematoencefálica.
A esta estructura se la conoce en inglés con el nombre de tight junction (“unión estrecha”, en traducción libre), precisamente por contar con un ‘pegamento’ tan fuerte que no deja que sustancias extrañas, ni siquiera el agua, atraviesen la barrera hematoencefálica.
“Ahora deberemos detallar mejor esto, pues existen varias moléculas que componen esa estructura”, dijo Giordano.
El paso siguiente consistió en sintetizar el péptido y averiguar si la versión elaborada en laboratorio tendría la misma acción que la FRW en los animales. Los investigadores creen que la versión sintética también se une a los vasos sanguíneos cerebrales, pero no fue posible visualizarla in vivo.
Otro aspecto de la investigación consistirá en explorar los demás péptidos seleccionados que no contienen FRW y seleccionar aquéllos que permanecen en algunas regiones específicas del cerebro, tales como el cerebelo, el bulbo olfativo y los hemisferios, lo cual hará posible en el futuro la realización estudios aún más específicos.
Puede leerse el artículo titulado A ligand motif enables differential vascular targeting of endothelial junctions between brain and retina (doi: 10.1073/pnas.1809483116) de Fenny H.F. Tang, Fernanda I. Staquicini, André A.R. Teixeira, Jussara S. Michaloski, Gislene M. Namiyama, Noemi N. Taniwaki, João C. Setubal, Aline M. da Silva, Richard L. Sidman, Renata Pasqualini, Wadih Arap y Ricardo J. Giordano, en el siguiente enlace: www.pnas.org/content/116/6/2300.