Regenerar la médula espinal

IIBCE lidera un proyecto nuevo con una importante financiación internacional

Nuestro Instituto acaba de recibir financiación internacional de  la prestigiosa fundación Wings for Life Spinal Cord Research Foundation (WFL), para profundizar su investigación sobre la capacidad de autoreparación de la médula espinal.

La fundación WFL ha financiado más de 170 proyectos de investigación de punta a nivel internacional (la mayoría en Estados Unidos y Europa) para promover el conocimiento en distintos aspectos que promuevan el ambicioso objetivo de curar las lesiones espinales. El Instituto de Investigaciones Biológicas Clemente Estable ha sido el primero en América Latina en recibir su reconocimiento, a través del financiamiento del proyecto Entendiendo la biología de las células madre endógenas para mejorar la auto-reparación de la médula espinal”.

Mapamundi de los países que han recibido financiación de WFL

Mapamundi de los países que han recibido financiación de WFL

Liderado por el Dr. Raúl Russo del Departamento de Neurofisiología Celular y Molecular de nuestro Instituto y destacado recientemente en el portal de la fundación, el proyecto contará con una financiación importante por 3 años. Es un orgullo para nosotros contarles un poco más sobre esta investigación llevada a cabo en un 100% por investigadores uruguayos.

Esquema general del proyecto de investigación sobre el potencial de auto-reparación de la médula espinal.La primera descripción de una lesión de la médula espinal, se encuentra en el papiro de Smith y se atribuye al médico egipcio Imothep en el siglo  XXVI aC. Imothep describió  diversos signos y síntomas de la lesión espinal concluyendo que es “una condición médica que no puede ser curada”. A pesar de los enormes avances de la medicina en muchos campos, la dura sentencia de Imothep sigue siendo válida en nuestros días. La lesión traumática de la médula espinal afecta a alrededor de 2,5 millones de personas en todo el mundo.  Es una lesión que limita en forma dramática la calidad de vida, pues provoca la pérdida de movilidad por debajo de la lesión (cuadriplejía o paraplejía) y el control de las funciones autonómicas.

Uno de los retos de la investigación biomédica es cambiar este panorama. Aunque la médula espinal de los mamíferos carece de la capacidad de autoreparación que poseen otros tejidos como el hígado o la piel, algunas células con características de células madre neurales, salen de su letargo en respuesta a una lesión traumática. Son células que se encuentran en una estructura de la médula espinal llamada canal central o epéndimo. Frente a una lesión en la médula espinal, estos progenitores se dividen generando nuevas células que migran hacia la lesión.

Las células derivadas del epéndimo parecen ser beneficiosas, pues producen factores de crecimiento que ayudan a las neuronas y sus prolongaciones alrededor de la lesión, a sobrevivir. Por lo tanto, optimizar la reacción del epéndimo frente a una lesión, es una estrategia prometedora para alcanzar una reparación endógena, es decir, generada por el propio organismo, para recuperar las funciones perdidas.

Esquema general del proyecto de investigación sobre el potencial de auto-reparación de la médula espinal.

Para alcanzar este objetivo, es vital comprender los mecanismos que regulan el comportamiento de las células madre progenitoras en el canal central. Es posible que la lesión reactive alguno de los programas genéticos vinculados al ensamblaje de la médula espinal durante el desarrollo embrionario. A su vez, la reacción de las células ependimarias y el destino de su progenie, estarían regulados por propiedades intrínsecas específicas y el “entorno químico” producido por el daño del tejido. En este sentido, el ATP, una molécula que además de almacenar energía funciona como transmisor de información en el sistema nervioso, se libera masivamente después de la lesión y es posible que sea un factor clave en la reactivación de las células madre  espinales.

El grupo de investigación que lleva adelante este proyecto en el IIBCE, aplica una aproximación multitécnica y utiliza modelos animales que permiten realizar el seguimiento de las células ependimarias y su descendencia después de una lesión. Combina el uso de la electrofisiología, la transcriptómica (en colaboración con el Dr. F. Álvarez de la Facultad de Ciencias, UdelaR), la inmunohistoquímica y la microscopía electrónica.

El objetivo a largo plazo es revelar pistas que sean útiles para manipular los progenitores espinales y así lograr una reacción más adaptativa a la lesión, que promueva la recuperación de las funciones perdidas.

Compartimos con Uds. también un video que ilustra parte de los conocimientos que llevaron a plantear este proyecto

El video muestra una célula progenitora que posee un proceso con un pie en contacto con la luz del canal central de la médula espinal (esquina inferior izquierda).
La célula está llena con Fluo4, un compuesto que aumenta su fluorescencia cuando aumenta la concentración de calcio intracelular. La secuencia comienza con una imagen que refleja la concentración de calcio en condiciones normales. Cuando se aplica BzATP -un compuesto químico que activa en forma selectiva los receptores para el ATP tipo P2X7-
cerca de la luz del canal, se genera una onda de calcio que se propaga hacia la parte distal del progenitor, invadiendo el cuerpo celular (el momento de la aplicación está indicado por la aparición de la leyenda “puff BzATP”). Esta señalización de calcio intracelular inducida por la activación de receptores P2X7 podría modificar la expresión de genes o estructuras sub-celulares que “activen” a los progenitores iniciando la reacción para reparar la médula espinal. En la escala de pseudocolor, el azul indica una concentración baja de calcio en tanto el amarillo-blanco indica una concentración alta.
Datos obtenidos por Nicolás Marichal.

 

Sobre Wings for Life– Spinal Cord Research Foundation

Fue fundada por el dos veces campeón del mundo de motocross Heinz Kinigadner y el fundador de Red Bull, Dietrich Mateschitz. En 2003, Hannes Kinigadner -hijo de Heinz- tuvo un accidente trágico que le dejó tetraplégico (sin movilidad en los cuatro miembros). Movidos por la terrible lesión de Hannes, Kinigadner y Mateschitz invitaron a científicos de todo el mundo a reunirse en Salzburgo para discutir el problema. A partir de esta reunión se hizo evidente que, contrariamente a la opinión común, hay razones legítimas para creer que la lesión traumática de la médula espinal se pueda curar en un futuro no tan lejano. Los descubrimientos innovadores realizados por el Prof. Dr. Sam David en 1981 y por el Prof. Dr. Martin Schwab a principios de los años 90 mostraron que las células nerviosas lesionadas en la médula espinal tienen cierta capacidad de regenerarse después de tratamientos específicos. Kinigadner y Mateschitz se dieron cuenta de que la investigación científica sobre las lesiones de la médula espinal estaba insuficientemente financiada.  Esto los  llevó a crear la fundación Wings for Life, con el objetivo promover la investigación básica y clínica que lleve al desarrollo de nuevas terapéuticas para curar a las personas afectadas de lesiones espinales. Como reza una frase en el portal de la fundación “La cuestión no es si se encontrará un cura, sino sólo cuándo esto sucederá”.

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Cursos 2017_ Brain and Mind Evolution

Este curso será del 4 al 12 de setiembre en nuestro Instituto. La temática abarca desde la definición del Sistema Nervioso, el origen de las células nerviosas y las simples redes neurales tempranas a la evolución de las redes neurales para lograr el control sensorio-motor que permite la coordinación de estructuras corporales que sirven diferentes funciones.

También se tratará la evolución de la corteza cerebral en los mamíferos, incluyendo las bases genéticas de la evolución de la corteza y el cerebro humano, así como la evolución del comportamiento humano. Por último, se tratará la aparición del sentido de sí mismo, la conciencia y la evolución de la mente, incluyendo la inteligencia artificial.

El público objetivo son principalmente estudiantes latinoamericanos de posgrado en el campo de las neurociencias y disciplinas afines, así como formadores de formadores uruguayos.

Las inscripciones cerraron el 7 de agosto. Pueden ver el programa final aquí
Por más información pueden visitar el siguiente enlace: https://ldenblog.wordpress.com/

 

Eventos 2017_ Escuela de Neuroquímica Avanzada

Los invitamos a conocer la próxima Escuela de Neuroquímica a realizarse en nuestro Instituto del 16 al 28 de octubre.  La temática 2017 es Patologías del Cerebro y Productos Naturales.
Pueden ver el programa preliminar en este enlace.

Afiche de la Escuela de Neuroquímica Avanzada, del 16 al 28 de octubre de 2017

La historia de una imagen

La imagen que ilustra esta nota es la carátula de febrero 2017 de la revista Biology Open. El autor es Martín Baccino, quien realizó su maestría en el Departamento de Biología del Neurodesarrollo (DBND) de nuestro Instituto, bajo la supervisión de Rafael Cantera.

En la foto podemos ver una sección del hemisferio cerebral de una larva de la mosca Drosophila tomada con un microscopio confocal. Los colores representan diferentes concentraciones de oxígeno en los núcleos de las células del cerebro, las neuronas. El azul corresponde a la mayor oxigenación y el amarillo a la menor. 

Esto se logró gracias al desarrollo de un biosensor de oxígeno. Para que funcione, la larva de la foto lleva un transgen que le aporta a cada célula dos proteínas: una que emite fluorescencia verde y otra que emite fluorescencia roja. La que emite verde es degradable por el oxígeno, mientras la otra es insensible al oxígeno. Así, cuanto más oxigenada esté una célula menos fluorescencia verde emitirá. De esta manera se puede estimar la concentración relativa de oxígeno en las células, al calcular la proporción de verde y rojo. 

El blanco de la imagen muestra los tubos respiratorios que llevan oxígeno al cerebro. Es notable la correlación entre la extensión de abastecimiento de oxígeno por estos tubos y la cantidad de oxígeno que presenta cada región del cerebro. Esto es parte de la discusión dentro de la publicación científica de Martín, Rafael y otros autores, en la propia revista.

Tapa de la revista Biology Open de febrero 2017, ilustrada por el investigador Martín Baccino

Tapa de la revista Biology Open de febrero 2017, ilustrada por el investigador Martín Baccino. Imagen bajo licencia de Creative Commons 4.0

La información que brindan estos colores es el resultado de años de trabajo y la contribución de varios investigadores. Juntos han dado un paso importante para las Neurociencias. A su vez, es el fruto de la colaboración entre el Instituto,  la Universidad de Friburgo y la Universidad de Zurich en Suiza, donde hoy Martín realiza su doctorado.

Felicitamos al Departamento de Biología del Neurodesarrollo y a Martín por esta bella imagen y su contribución al conocimiento científico.

A continuación transcribimos la historia de esta imagen, que ilustra, en palabras de Rafael Cantera, el proceso de una investigación de calidad.

La línea de investigación sobre la que se basa el trabajo se inició con una observación que nos resultó interesantísima: vimos que en el cerebro larval de la mosca Drosophila existen dos zonas muy distintas en relación a la distribución de los tubos respiratorios que se llaman traqueolas. La zona central está densamente traqueolada y en la zona lateral casi no hay traqueolas. Esto nos sorprendió porque se considera que el cerebro, como cualquier otro tejido con alto metabolismo, debería estar completamente traqueolado para recibir suficiente oxígeno.

La reacción de un tipo celular o un tejido a la hipoxia es un tema importante no solo para quienes estudiamos el desarrollo del cerebro sino también para aquellos que estudian el crecimiento de los tumores, la adaptación del metabolismo celular a distintas condiciones ambientales o a cambios genéticos, entre otros temas interesantes de la biología y la medicina.

Una estudiante de grado que hizo su tesina en nuestro Departamento, Leticia Couto, comenzó el estudio de este tema. Descubrió que a medida que el cerebro de la larva crecía, la zona no traqueolada crecía proporcionalmente. Esto indicaba que la porción del cerebro que recibiría poco oxígeno crecía día a día. A su vez indicaba que el desarrollo normal del cerebro requiere mantener los niveles de oxígeno relativamente bajos (hipoxia) en cierta zona.

También observamos que todas las neuronas funcionales que habían formado sinapsis (los contactos por los que se comunican las neuronas en el cerebro), estaban en la zona traqueolada. En la zona no traqueolada sin embargo, casi no había sinapsis. En lugar de eso, había muchas células madre y su progenie, que aumentaba día a día durante la vida larval. Esto sucedía sin que esas células se diferenciaran en neuronas inmediatamente.

Otros colegas habían descubierto que esos miles de células recién completaban su diferenciación neuronal días más tarde y casi al unísono, durante la metamorfosis de la larva al adulto.

Esto significa que durante varios días de la vida larval, el cerebro crece muchísimo de tamaño, en parte por adición células nuevas, sin que aumente el número de neuronas diferenciadas.

A partir de estas observaciones nuestra primer hipótesis fue que la falta de traqueolas en la zona proliferativa causaba una situación de hipoxia en esa región. Una siguiente hipótesis fue que esta hipoxia promovía la proliferación de las células madre. Por último, pronosticamos que elevar el nivel de oxígeno en la zona no traqueolada tendría consecuencias negativas para el desarrollo del cerebro porque frenaría la proliferación de las células madre.

Para investigar estas hipótesis con Martín establecimos una colaboración con colegas suizos con distintas especialidades. Uno es Boris Egger, co-supervisor de Martín, experto en las células madre que proliferan en la zona del cerebro no traqueolada. Otro es Stefan Luschnig, quien dirigió el doctorado de Tvisha Misra, cuyo objetivo fue construir un sensor de oxígeno que permitiese “medir” lo niveles relativos de oxígeno en células individuales.

El sensor construido por Misra resultó en una cepa de moscas transgénicas que expresan dos proteínas fluorescentes. Una de ellas fluoresce en verde y es muy sensible al oxígeno (cuanto más oxígeno haya en la célula, menos fluorescencia verde emite) y la otra emite fluorescencia roja insensible al oxígeno. De ese modo, registrando la fluorescencia verde y roja emitida por cada célula del cerebro con ayuda de microscopía confocal, se puede calcular, para cada célula, la cuota verde/rojo. Esta cuota se toma como una buena representación de los niveles relativos de oxígeno entre las distintas zonas del cerebro.

Calcular esto para cada célula sería una tarea titánica, porque llevaría demasiado tiempo ya que el cerebro de la larva tiene miles de células. Esta dificultad la superamos con ayuda de otro colaborador suizo (Felix Mittelman) que creó un software que le permitió a Martín calcular el valor de oxígeno automáticamente. Gracias a este software, se pueden analizar las imágenes del microscopio confocal de modo automático. La computadora reconoce cada célula, le registra la intensidad de verde y rojo, calcula la cuota y produce un “mapa” en el cual cada célula tiene un color que representa su valor relativo de oxígeno, aunque en una escala de colores los valores más bajos de oxígeno se representan en amarillo y los más altos en azul.

Gracias a este método Martín consiguió confirmar que la zona de cerebro con pocos tubos respiratorios realmente recibe menos oxígeno que el resto del cerebro. Otro de los experimentos que realizó para investigar nuestras hipótesis, fue mantener las larvas que contienen el sensor en una atmósfera con hiperoxia (mayor cantidad de oxígeno de los normal). Luego midió el oxígeno en cada célula del cerebro al mismo tiempo que identificaba y contaba las células que se dividían. Eso le permitió descubrir que en el cerebro de las larvas mantenidas en hiperoxia disminuye la división celular, comparado a las larvas en condiciones atmosféricas normales. Esa menor proliferación resultó en larvas con cerebros anormalmente pequeños.

Esto coincide perfectamente con nuestras hipótesis: la escasa traqueolación del cerebro lateral impone cierta hipoxia en esa región, lo cual es parte del desarrollo normal del cerebro. La hipoxia promueve la proliferación de las células madre que permiten el crecimiento del cerebro de la larva y su transformación, poco después, en el cerebro del adulto.

Martín hizo otros experimentos que combinados con los experimentos de Tvisha nos permitieron consolidar una propuesta: el sensor de Stefan y Tvisha realmente permite medir niveles de oxígeno con una resolución imposible de conseguir con cualquier otro de los métodos disponibles hasta el momento.

El sensor de Tvisha y Stefan, combinado con el método que permite cuantificar, en pocos minutos, los valores de intensidad de fluorescencia roja y verde en miles de células, nos permitió producir imágenes con la calidad y precisión que ilustra la foto que eligió Biology Open para la tapa de su número de febrero pasado.

Esta imagen ilustra la resolución fantástica que se puede alcanzar con este método. Además, permite pronosticar que el sensor de oxígeno de Tvisha y Stefan, adaptado a otras especies animales y combinado con el método de trabajo desarrollado por Martín, Boris y Félix, permitirá a muchos colegas hacer experimentos que hasta ahora no se podían hacer.

Otra ventaja del sensor es que detecta diferencias muy pequeñas entre células muy cercanas lo cual nos permitió descubrir que dentro de una zona relativamente pequeña del cerebro pueden existir células que parecerían tener niveles de oxígeno bastante distintos y que esas diferencias se correlacionan en parte con el tipo celular. Las células madre, por ejemplo, tienden a ser más hipóxicas que sus hijas y que las neuronas diferenciadas. Estos datos todavía no los hemos publicado porque necesitamos hacer más experimentos y para eso necesitamos incorporar un nuevo estudiante al grupo de trabajo.

Sobre Martín y la financiación de la investigación en Uruguay

Durante el inicio de su carrera de investigador recibió primero una beca de iniciación (ANII) y luego hizo una maestría PEDECIBA con beca de la ANII.  Durante su maestría hizo dos pasantías de tres meses c/u en la Facultad de Biología de la Universidad de Friburgo (Suiza)  bajo la supervisión del Dr. Boris Egger, colaborador del DBND desde tiempo atrás.

Durante su maestría obtuvo fondos del PEDECIBA (alícuotas de estudiante), apoyo económico de fondos suizos para sus pasantías en Friburgo y principalmente un fondo de investigación de la ANII (Fondo Clemente Estable). Luego de defender muy exitosamente su tesis de maestría se mudó a Zurich, donde  está haciendo un doctorado en un programa de posgrado suizo bajo la supervisión de Martin Muller, trabajando también en sistema nervioso de Drosophila, aunque en un tema distinto al de su maestría.

 

 

Más sobre la calidad del agua. El Cabo Polonio

Les presentamos datos obtenidos de una investigación #IIBCE que una vez más, nos importa a todos. Tiene que ver con la calidad del agua de una de nuestras playas, donde existe una gran riqueza biológica y turística: el Parque Natural Cabo Polonio.

En nuestro país, Cabo Polonio fue declarado Parque Nacional por el Sistema Nacional de Áreas Protegidas (SNAP) en 2009. Desde el Instituto creemos que la ciencia puede y debería contribuir con la gestión de las Áreas Protegidas. Son espacios naturales con características únicas, y por eso mismo, son vulnerables. Necesitamos conocerlos bien para conservar su riqueza.

El foco de esta investigación estuvo en la calidad del agua de las cachimbas del Cabo. El inicio fue en el Departamento de Microbiología del Instituto, donde se plantearon las siguientes preguntas: ¿Qué impacto tiene la afluencia de turistas en el área? ¿Qué zonas del Cabo Polonio presentan mayor amenaza para la calidad del agua subterránea? ¿Qué acciones se pueden implementar para evitar la contaminación del agua?

Investigación sobre la calidad del agua en las cachimbas del Cabo Polonio

Para contestar estas preguntas, se realizaron cuatro campañas de muestreo en baja y alta temporada en las distintas zonas del Cabo Polonio. Se relevó la presencia de coliformes fecales, la concentración de materia orgánica, de nitrógeno, fósforo y otros indicadores de contaminación fecal.

Los resultados mostraron que la mayor amenaza a la calidad del agua ocurre durante los meses de verano; en esta época, aumenta de manera significativa la presencia de bacterias indicadoras de contaminación en las cachimbas. Además, se detectaron zonas donde la contaminación es más crítica.

Los estudios continúan. Aun así, la información disponible amerita la toma de acciones para detener o al menos disminuir la contaminación durante los meses estivales, cuando el riesgo para la salud pública es mayor.

Pueden ver el informe completo en este enlace

Calidad del agua. Conocimiento y formación

IIBCE investiga y forma investigadores. Una forma de mostrarlo, es compartir este informe, un curso de posgrado cuyos resultados incluyen propuestas para la gestión del agua. El conocimiento generado se centra en el recurso agua como objeto de conservación y manejo. Busca a su vez, que la toma de medidas se base en la evidencia.

En palabras de la docente e investigadora del IIBCE Claudia Piccini:

Esta publicación resume la información obtenida del curso de posgrado PEDECIBA “Respuesta de los Ecosistemas Acuáticos a Impactos Antropogénicos” dictado en 2016. El curso se centró en la cuenca del arroyo Carrasco e involucró un estudio social y económico de la misma, así como la determinación y análisis de diversos parámetros indicadores de contaminación del agua. Una vez evaluados los resultados obtenidos se realizó una propuesta de posibles medidas de gestión y mitigación de los impactos encontrados, proponiéndose a la calidad del agua como objeto focal de conservación y haciendo referencia a recomendaciones para recuperar la calidad del agua en la cuenca.

Enlace al informe

Nueva publicación internacional entre el IIBCE, el Institut Pasteur de Montevideo y el Instituto Max Planck de Alemania

El Dr. Juan C. Benech e Inés Rauschert, investigadores de nuestro Instituto, han participado en una investigación reciente con resultados importantes para la comunidad académica. El conocimiento, ya publicado, en conjunto con investigadores del Instituto Pasteur de Montevideo (Dr. R. Agrelo) y el Instituto Max Planck de Alemania, abre camino hacia el desarrollo de marcadores tumorales y futuras aplicaciones terapéuticas.

El trabajo se centró sobre el neuroblastoma, un tipo de tumor embrionario que puede causar la muerte en niños. Se origina en progenitores o células inmaduras del sistema nervioso simpático.

Los resultados muestran por primera vez cómo la lámina A/C, componente importante del núcleo celular, se encuentra silenciada, es decir, no se desarrolla en líneas celulares de neuroblastoma. Esto se debe a un mecanismo que los investigadores lograron revertir, modificando el grado de metilación del ADN (parte de su composición química que determina la expresión de ciertos genes).

Utilizando Microscopía de Fuerza Atómica, pudieron ver que las propiedades mecánicas de las células carentes de lámina A/C está modificada; son menos rígidas y tienen mayor capacidad migratoria. Esto, entre otros factores, las volvería más propensas a desarrollar metástasis y tejidos anormales (mayor potencial neoplásico). 

 

Felicitamos a Juan y su equipo por este avance.
Enlace al articulo científico