Los científicos tienen la necesidad de desarrollar y de elegir los mejores modelos biológicos para comprender la base de las enfermedades en los estudios preclínicos. Actualmente, los animales y los cultivos celulares en mono capa (cultivos 2D) están ampliamente difundidos como modelos de referencia. De todas formas, estos modelos no son completamente fiables cuando es necesario comprender algunos eventos clave del desarrollo de las patologías humanas. Por un lado, los resultados de los modelos animales pueden no ser reproducibles en los humanos, y por otro lado, a los cultivos 2D les falta la complejidad tridimensional de los tejidos in vivo.
Por ejemplo, un cultivo 2D de células del cerebro no imita la distribución dispersa de las neuronas y de la glía in vivo, porque las neuronas, cuando crecen en placas de cultivo tradicionales, solamente se agrupan formando un agregado por encima de las células gliales. Esta es la razón por la cual los científicos están mirando con creciente interés a los modelos celulares tridimensionales (3D). Un grupo 3D de células neuronales es llamado “neuroesfera”. La línea celular Ntera2 (NT2) fue el modelo celular elegido por los autores de este estudio, cuyo objetivo principal fue determinar si las células neuronales humanas crecidas en neuroesferas presentan las mismas vías metabólicas de las células que forman el cerebro humano.
Más en concreto, los científicos obtuvieron una neuroesfera de neuronas y astrocitos dispersos derivados de las células NT2, y les administraron dos productos químicos que afectaban su funcionalidad. Entonces, se focalizaron en los cambios que se producían en una vía metabólica específica, el ciclo glutamina-glutamato-GABA.
El ciclo glutamina-glutamato-GABA se puede resumir así:
1) las neuronas liberan los neurotransmisores glutamato o GABA (ácido gamma-aminobutírico) a través de las sinapsis glutamatérgicas y GABAérgicas, respectivamente;
2) una parte del glutamato o del GABA liberado viene reabsorbida en los astrocitos, que convierten el glutamato en glutamina, y el GABA en Succinyl CoA que entra en el ciclo de Krebs;
3) los astrocitos liberan glutamina, que viene reabsorbida en las neuronas;
4) las neuronas sintetizan glutamato y GABA empezando por la glutamina.
Así que, la glutamina es un precursor esencial de los neurotransmisores glutamato y GABA, y hay una estrecha relación entre astrocitos y neuronas. Pero, ¿qué le pasa al ciclo glutamato-glutamina-GABA si las neuronas o los astrocitos están afectados de manera selectiva por productos químicos específicos por tipo celular?
Para contestar a esta pregunta, por primera cosa los científicos añadieron al medio de cultivo celular 13C marcado radioactivamente. Añadieron [1-13C] glucosa, un substrato absorbido específicamente por las neuronas, y [2-13C] acetato, absorbido solo por los astrocitos. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (NMR) fue utilizada para monitorizar las moléculas que incorporaron 13C, siguiéndolas a lo largo de las transformaciones bioquímicas dentro de las células y de sus transferencias entre las neuronas y los astrocitos.
Entonces, los científicos dañaron el metabolismo de los astrocitos o de las neuronas exponiéndolos a una molécula con efectos inhibitorios sobre su metabolismo, la metionina sulfoximina (MSO) y la acrilamida, respectivamente.
La MSO es conocida por sus efectos inhibitorios sobre la síntesis de astrocitos in vivo. Los cultivos 3D confirmaron el mismo comportamiento: la cantidad de glutamina marcada con 13C era considerablemente menor en las neuroesferas tratadas con MSO en comparación con las neuroesferas de control. La disminución de glutamina también tuvo un efecto negativo sobre el contenido de GABA en las neuronas, que era del 50% menos que el control. Así que, las neuronas GABAérgicas dependen de la glutamina de los astrocitos para la síntesis de GABA. El metabolismo del glutamato no venía afectado, probablemente a causa de la activación de una vía metabólica alternativa que involucra amino ácidos de cadena ramificada.
La acrilamida es tóxica porque daña el transporte axónico de las neuronas in vivo. Entonces, como se esperaba, el GABA 13C disminuyó debido a una menor absorción de glutamina por las neuronas dañadas. Sorprendentemente, el glutamato marcado aumentó, pero quizás por la misma razón. De hecho, el colapso de las regiones sinápticas puede alterar la liberación de glutamato por las neuronas, afectando así el entero ciclo glutamina-glutamato-GABA.
MENSAJES PRINCIPALES
Los cultivos 3D de neuronas y astrocitos han demostrado por la primera vez que las características típicas de las neuronas in vivo son reproducibles de manera fiable in vitro. Este modelo celular representa una mejora con respeto a los cultivos en mono capa. Se podrá utilizar para más estudios toxicológicos, abriendo así el camino para un conocimiento mejor del metabolismo neuronal humano. También, será útil para estudios de fenotipos patológicos imposibles de llevar a cabo hasta ahora.
Referencia:
Simão D. et al. Functional metabolic interactions of human neuron-astrocyte 3D in vitro networks. Scientific Reports | 6:33285 | DOI: 10.1038/srep33285
La elaboración de éste post ha sido financiado por el proyecto PI15/01082, integrado en el Plan Nacional de I+D+I y cofinanciado por el ISCIII – Subdirección General de Evaluación y Fomento de la Investigación Sanitaria – y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).
