Los científicos encuentran pistas moleculares detrás de las fases aguda y crónica de la lesión cerebral traumática

Una nueva investigación dirigida por científicos de la Universidad Estatal de Arizona ha revelado algunas de las primeras pistas moleculares detalladas asociadas con una de las principales causas de muerte y discapacidad, una afección conocida como lesión cerebral traumática (TBI).

La TBI es un problema de salud pública creciente que afecta a más de 1,7 millones de estadounidenses con un costo anual estimado de $76,500 millones de dólares. Es una de las principales causas de muerte y discapacidad de niños y adultos jóvenes en los países industrializados, y las personas que experimentan TBI tienen más probabilidades de desarrollar déficits cognitivos y conductuales graves a largo plazo.

«Desafortunadamente, los mecanismos moleculares y celulares de la progresión de la lesión TBI son multifacéticos y aún no se han dilucidado por completo», dijo Sarah Stabenfeldt, profesora de ASU y líder y autora correspondiente del estudio, que aparece en la revista. Avances de la ciencia. «En consecuencia, esta complejidad afecta el desarrollo de opciones de diagnóstico y tratamiento para TBI; el objetivo de nuestra investigación fue abordar estas limitaciones actuales».

Su enfoque de investigación fue realizar una búsqueda de «biopanning» para revelar varias firmas moleculares clave, llamadas biomarcadores, identificadas inmediatamente después del evento de lesión (la fase aguda), y también las consecuencias a largo plazo (la fase crónica) de TBI.

«Para TBI, la patología evoluciona y cambia con el tiempo, lo que significa que una sola proteína o receptor puede aumentar en una fase de la lesión, pero no dos semanas después», dijo Sarah Stabenfeldt. «Este entorno dinámico hace que el desarrollo de una estrategia de orientación exitosa sea complicado».

Para superar estas limitaciones, los científicos de la ASU, dirigidos por Sarah Stabenfeldt, utilizan un modelo de ratón para su estudio para comenzar a estudiar las causas fundamentales de la TBI mediante la identificación de biomarcadores: huellas dactilares moleculares únicas que se encuentran con una lesión o enfermedad determinada.

«La comunidad de investigación de neurotrauma es un campo bien establecido que ha desarrollado y caracterizado modelos animales preclínicos para comprender mejor la patología de TBI y evaluar la eficacia de las intervenciones terapéuticas», dijo Stabenfeldt. «Usar el modelo de ratón establecido nos permitió realizar biomarcadores para descubrir dónde estaba progresando la complejidad y la evolución de la patología de la lesión».

Los científicos a menudo pueden comenzar a diseñar agentes terapéuticos o dispositivos de diagnóstico basados ​​en el descubrimiento de biomarcadores. El equipo de Stabenfeldt utilizó un enfoque de «abajo hacia arriba» para el descubrimiento de biomarcadores.

Los métodos de descubrimiento «de arriba hacia abajo» se centran en evaluar los biomarcadores candidatos en función de su participación conocida en la condición de interés», dijo la primera autora del estudio, Briana, recién graduada de doctorado en el laboratorio de Stabenfeldt. up» analiza los cambios en la composición del tejido y encuentra una manera de conectar esos cambios con la condición. Es un enfoque más imparcial, pero puede ser arriesgado porque es posible que pueda identificar marcadores que no son específicos de la afección o patología de interés».

Luego, utilizaron varias herramientas y técnicas de ‘biopanning’ de última generación para identificar y capturar moléculas, incluida una técnica de «cebo» para pescar moléculas objetivo potenciales llamada sistema de visualización de fagos, además de alta velocidad Secuenciación de ADN para identificar objetivos proteicos dentro del genoma y espectrómetros de masas para secuenciar los fragmentos peptídicos de los experimentos de visualización de fase.

Otro obstáculo para el descubrimiento es la fisiología única de una red similar a una malla diseñada para proteger el cerebro de lesiones o sustancias químicas dañinas, llamada barrera hematoencefálica (BBB).

«La barrera hematoencefálica (BBB) ​​es una barrera entre el tejido vascular y el cerebral», explica Stabenfeldt. «En un individuo sano, el BBB regula estrictamente el intercambio de nutrientes y desechos de la sangre al cerebro y viceversa, esencialmente compartimentando el cerebro/sistema nervioso central».

«Sin embargo, esta barrera también complica la administración de fármacos al cerebro, por lo que la mayoría de las moléculas/fármacos no cruzan pasivamente esta barrera; por lo tanto, el campo de la administración de fármacos ha buscado formas de modular tanto los mecanismos de entrada como los de administración. De manera similar, para los biomarcadores basados ​​en sangre para TBI u otras enfermedades neurodegenerativas, la especificidad de la patología y la transferencia de la molécula (si se origina en el cerebro) del cerebro a la sangre es un desafío».

Cuando ocurre una lesión cerebral traumática, la lesión inicial puede alterar la BHE, lo que desencadena una cascada de muerte celular, tejidos desgarrados y dañados y desechos.

La lesión a largo plazo causa inflamación e hinchazón, y hace que la respuesta inmunitaria entre en acción, pero también puede provocar un deterioro de las fuentes de energía del cerebro o puede obstruir el suministro de sangre al cerebro, lo que lleva a una mayor muerte de las células neuronales y incapacidad permanente.

Una ventaja clave de su conjunto de herramientas y técnicas experimentales del sistema de visualización de fagos es que las moléculas y los biomarcadores potenciales identificados son lo suficientemente pequeños como para deslizarse a través de los diminutos agujeros dentro de la red de la BBB, lo que abre el camino a la terapia basada en estas moléculas.

Entonces, a pesar de todos estos obstáculos, el equipo encontró la manera.

«Nuestro estudio aprovecha la sensibilidad y la especificidad de los fagos para descubrir nuevos motivos de orientación», dijo Stabenfeldt. «La combinación de fago y NGS [next-generation sequencing] se ha utilizado anteriormente, aprovechando así el análisis bioinformático. La contribución única de nuestro estudio es reunir todas estas herramientas específicamente para un modelo in vivo de TBI».

Encontraron un conjunto de biomarcadores únicos asociados solo con las fases aguda o crónica de TBI. En la fase aguda, el motivo de orientación de TBI reconoció objetivos asociados principalmente con disfunción metabólica y mitocondrial (el motor de la célula), mientras que el motivo de TBI crónico se asoció en gran medida con procesos neurodegenerativos.

«Nuestro método para el descubrimiento de biomarcadores fue lo suficientemente sensible como para detectar lesiones en los cerebros que se recolectaron en diferentes puntos de los experimentos», dijo la primera autora del estudio, Briana Martinez, una reciente Ph.D. Graduado en el laboratorio de Stabenfeldt. «Fue muy interesante ver que las proteínas involucradas en las enfermedades neurodegenerativas se detectaron 7 días después de la lesión, pero no en el punto de tiempo anterior de 1 día después de la lesión. El hecho de que pudiéramos observar estas diferencias realmente muestra cuán útil es este método podría ser para explorar varios aspectos de la lesión cerebral».

También puede comenzar a explicar por qué las personas que han sufrido una lesión cerebral traumática son más susceptibles de desarrollar enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson y el Alzheimer en el futuro.

Esta tubería de descubrimiento exitosa ahora servirá como base para la terapia y el diagnóstico de TBI dirigidos de próxima generación.

A continuación, el grupo planea ampliar sus colaboraciones con los socios clínicos de ASU y expandir sus estudios para comenzar a buscar estas mismas moléculas en muestras humanas.