Una investigación ayuda a entender la regulación del crecimiento de las neuronas

Datos divulgados en la revista Nature Neuroscience revelan que, junto a las señales químicas, el desarrollo neuronal está modulado por señales mecánicas relacionadas con el grado de rigidez del tejido nervioso

Por Karina Toledo  |  Agência FAPESP – Durante el desarrollo del sistema nervioso, las neuronas crecen y proyectan sus axones –las ramificaciones por las cuales se transportan los impulsos nerviosos– a lo largo de un camino claramente definido. Los neurocientíficos intentan develar los factores que orientan este proceso desde hace décadas.

Diversos estudios han demostrado la importancia de las señales químicas en la dirección del trayecto neuronal. Algunas moléculas secretadas por células del tejido nervioso, entre ellas las proteínas efrina y semaforina, pueden repeler o atraer a los axones en una determinada dirección.

Ahora, en el marco de un nuevo estudio cuyo resultado se dio a conocer en la revista Nature Neuroscience, se reveló que este proceso también está mediado por señales mecánicas relacionadas con el grado de rigidez del tejido.

Esta investigación estuvo coordinada por Kristian Franze, docente de la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, y contó con la participación de científicos brasileños en el marco de un Proyecto Temático apoyado por la FAPESP.

“Nuestros datos sugieren que las neuronas tienden a proyectar sus axones hacia las zonas más blandas del tejido y evitar las áreas más rígidas. Si logramos entender mejor ese mecanismo, quizá sea posible hallar medios de modular el crecimiento y la regeneración neuronal, para contribuir así al tratamiento de lesiones de la médula espinal y de enfermedades neurodegenerativas, por ejemplo”, declaró Franze a Agência FAPESP.

Estas conclusiones se basan en experimentos in vitro e in vivo realizados en el Departamento de Fisiología, Desarrollo y Neurociencias de la Universidad de Cambridge. El análisis cuantitativo de las imágenes registradas durante los experimentos se concretó mediante la colaboración de los brasileños Matheus Viana y Luciano da Fontoura Costa, ambos del Instituto de Física de São Carlos (IFSC), de la Universidad de São Paulo (USP).

Como modelo de estudio, el grupo utilizó embriones de sapos del género Xenopus, frecuentemente empleados en investigaciones sobre crecimiento neuronal. Las primeras pruebas se realizaron in vitro con células ganglionares de embriones en estadio inicial de desarrollo.

“Esas células son, a decir verdad, neuronas existentes en la retina de esos animales. Durante el desarrollo embrionario, éstas proyectan los axones hacia fuera de la retina y forman los nervios ópticos, que se cruzan formando una estructura llamada quiasma óptico. Los axones crecen por esa superficie y se curvan en dirección a la parte de atrás de la cabeza, conectándose con la región del cerebro donde se procesarán los estímulos visuales”, comentó Franze.

Tal como explicó el investigador, las células ganglionares se cultivaron en un sustrato a base de poliacrilamida, un tipo de hidrogel cuya rigidez puede controlarse en laboratorio.

Se compararon dos cultivos, ambos expuestos a las mismas sustancias químicas. La única diferencia era la rigidez del sustrato.

“Esas células crecen y comienzan a proyectar los axones en todas las direcciones. Resulta imposible analizar eso a simple vista y, en ese punto, contamos con la ayuda del equipo brasileño”, comentó Franze.

Todas las etapas del desarrollo celular se registraron mediante microscopía y se analizaron en la USP de São Carlos. “Con la ayuda de diversos programas informáticos, tales como ImageJ y Fiji, monitoreamos la velocidad y la curvatura de crecimiento de las neuronas", comentó Da Fontoura Costa.

Los resultados revelaron que, en el sustrato más rígido, los axones crecen más rápido y se vuelven más largos y más rectos. En tanto, en el substrato blando el crecimiento es más lento y exploratorio, y las ramificaciones se cruzan más a menudo.

El paso siguiente consistió en hacer un seguimiento del desarrollo neuronal en el modelo in vivo. Con la ayuda de una técnica conocida como microscopía de fuerza atómica, el grupo midió la rigidez local en distintas partes del cerebro de los embriones de sapo.

“Notamos que existen distintos gradientes de rigidez en el tejido cerebral. Las neuronas evitan los sitios más rígidos y avanzan en dirección hacia los más blandos. Decidimos entonces reproducir in vitro esos distintos gradientes de rigidez y observamos que también en cultivo las células crecen en dirección a las áreas más blandas del sustrato”, dijo Franze.

Un sensor mecánico

Los experimentos siguientes tuvieron el objetivo de descubrir mediante qué mecanismo logran percibir las neuronas las diferencias de rigidez en el tejido. El grupo optó por investigar la participación de la proteína PIEZO1, que actúa en la membrana de la célula como un canal iónico, es decir, como un poro a través del cual se produce el intercambio de iones entre los medios extra e intracelular.

“PIEZO1 funciona como un sensor mecánico de la célula. El canal se abre cuando se aplica sobre él una determinada fuerza. Mediante de experimentos in vitro, demostramos que, cuando ese canal está bloqueado, se altera el patrón de crecimiento de las neuronas”, dijo Franze.

En las pruebas in vivo, realizadas con animales genéticamente modificados para que no expresen el gen que codifica PIEZO1, los científicos notaron que las neuronas de la retina no se desarrollan de manera adecuada y no logran llegar hasta la región blanco del sistema nervioso central.

En el test siguiente, el grupo empleó microscopía de fuerza atómica para presionar levemente el tejido cerebral de los embriones de sapo, de manera tal de aumentar la rigidez local. Alrededor de seis horas después, ya era posible observar que las neuronas habían pasado a evitar esa zona, alterando el trayecto de crecimiento.

A juicio de Franze, estos descubrimientos abren el camino hacia el desarrollo de técnicas tendientes a modular el crecimiento y la regeneración neuronal, con posibles aplicaciones terapéuticas.

“Si deseamos que las neuronas crezcan rápidamente en una determinada región, por ejemplo, éstas deben ser rígidas y volverse más blandas al acercarse a destino, para disminuir la velocidad de crecimiento. Existen diferentes formas de alterar la rigidez de un tejido in vivo y, de esa forma, alterar el patrón de crecimiento neuronal”, sostuvo.

Pero antes, según el investigador, serán necesarios nuevos estudios básicos, importantes para expandir la comprensión sobre los mecanismos de señalización mecánica.

“Pretendemos repetir estos experimentos con otras especies de animales y ver si los hallazgos son similares. También investigaremos si otros tipos celulares del tejido nervioso son mecanosensibles, al igual que las neuronas. Aún queda mucho trabajo por hacerse”, sostuvo.

Puede leerse el artículo intitulado Mechanosensing is critical for axon growth in the developing brain (doi: 10.1038/nn.4394) en el siguiente enlace: nature.com/neuro/journal/vaop/ncurrent/full/nn.4394.html.