Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han desarrollado una nueva técnica para comprender y probar mejor los tratamientos para un grupo de trastornos musculares extremadamente raros llamados disferlinopatía o distrofia muscular de cinturas y extremidades 2B (LGMD2B). Este enfoque cultiva tejido muscular complejo y funcional en 3D a partir de células madre en el laboratorio, creando una plataforma que imita los síntomas del paciente y la respuesta al tratamiento.
En su primer estudio, los investigadores han revelado algunos de los mecanismos biológicos que subyacen a la característica pérdida de movimiento causada por LGMD2B. También muestran que una combinación de tratamientos existentes puede reducir algunos de los peores síntomas de la enfermedad.
Los resultados aparecen en línea en la revista el 18 de junio. Ciencia avanzada.
LGMD2B afecta sólo a ocho personas por millón en todo el mundo. En contraste, su prima más conocida y común es la distrofia muscular de Duchenne, una enfermedad que afecta tanto a hombres como a mujeres, ocurre más tarde en la vida (al final de la adolescencia o principios de los 20) y rara vez es fatal. Sin embargo, los pacientes con LGMD2B desarrollan debilidad grave en las piernas y los hombros, lo que generalmente les obliga a utilizar una silla de ruedas de por vida.
Causada por un defecto genético, LGMD2B impide que el cuerpo produzca una forma completamente funcional de una proteína llamada disferlina. Actualmente no existe ningún tratamiento o cura aprobados. Una razón de esta falta de opciones son las numerosas funciones de la disferlina, incluido cerrar los poros de las membranas musculares, regular el equilibrio de calcio necesario para la contracción muscular y controlar el metabolismo celular. Y por razones desconocidas, los músculos afectados inicialmente acumulan grasa dentro de las propias fibras musculares antes de degenerar y eventualmente ser reemplazados por células grasas.
“Este fenómeno también es muy raro en las distrofias musculares”, afirmó Nenad Bursak, profesor de ingeniería biomédica en Duke. “Es una pregunta candente dentro de la comunidad por qué sucede esto”.
Uno de los desafíos que enfrentan los investigadores que intentan resolver estos problemas es que el modelo de ratón utilizado para estimar LGMD2B muestra síntomas mucho más leves que los de los pacientes. Los ratones con la enfermedad todavía pueden caminar, y esto está ausente durante aproximadamente un año de su larga vida de dos años, lo que hace que los estudios de la enfermedad sean extremadamente lentos. La disferlina se expresa en otros tipos de células y los niveles sanguíneos de combustibles metabólicos como el colesterol también están alterados en ratones y pacientes. En conjunto, esto complica la investigación de LGMD2B y dificulta determinar qué tipos de células son responsables de la enfermedad y si los cambios metabólicos se deben a la pérdida de disferlina en sí o a efectos en todo el cuerpo.
Para abordar estos desafíos, Bursak y su científico investigador, Alastair Khodaboux, recurrieron a una plataforma muscular diseñada que han estado desarrollando durante casi una década. El Laboratorio Bursac fue el primero en desarrollar músculo esquelético humano funcional y en contracción en una placa de Petri y desde entonces ha estado perfeccionando su proceso para permitir el estudio de la fuerza, el metabolismo y la reparación de los músculos. Este sistema les permitió centrar sus estudios únicamente en los efectos de la disferlina en el músculo esquelético sin las complicaciones de otros tipos de células o perfiles de metabolitos sanguíneos alterados.
En el estudio, los investigadores comenzaron con células madre pluripotentes inducidas (IPSC) obtenidas de pacientes que viven con LGMD proporcionadas por The Gene Foundation, una organización centrada en encontrar una cura para LGMD2B. Utilizando sus técnicas de crecimiento muscular, el laboratorio maduró estas células madre hasta convertirlas en fibras musculares y las sometió a una serie de pruebas durante seis semanas.
Al igual que los músculos encontrados en los propios pacientes, la versión cultivada en laboratorio mostró una variedad de problemas.
“En general, nuestro modelo replicó muchas de las manifestaciones clínicas de la enfermedad y observaciones realizadas en pacientes reales, pero todo ello en una placa de Petri”, dijo Bursak. “Hemos podido obtener nuevos conocimientos sobre aspectos específicos de la enfermedad en los músculos”.
Los investigadores descubrieron que la disminución de la fuerza muscular no era el resultado de una disminución en la estructura o el tamaño de los músculos, sino más bien en la manipulación del calcio. Las contracciones musculares ocurren fisiológicamente debido a la liberación de las reservas de calcio en las células musculares y a la unión a las proteínas musculares. Las pruebas mostraron que las células musculares enfermas habían desarrollado una fuga en sus reservas de calcio, lo que resultó en una menor liberación de calcio y contracciones más débiles.
Los investigadores también demostraron que la deficiencia de disferlina causaba daños en las células musculares que no se reparaban, y que la incapacidad de quemar ácidos grasos para producir energía provocaba, al menos parcialmente, que las fibras musculares se contrajeran y es responsable de la acumulación de grasa en el hígado que ha estado desconcertada durante mucho tiempo. expertos médicos. comunidad
“Replicamos lo observado en pacientes y demostramos que no es causado por factores ambientales dentro del cuerpo, sino por problemas en los propios músculos”, dijo Khudaboks.
Luego, los investigadores probaron los efectos de dos candidatos a fármacos que se identificaron utilizando modelos de ratón pero que aún no se han probado en humanos para tratar potencialmente la enfermedad. Se cree que uno llamado dantroleno bloquea la liberación de calcio de las reservas de células musculares. Otro, llamado vemurolona, fue aprobado recientemente para su uso en pacientes con distrofia muscular de Duchenne, aunque los investigadores no comprenden completamente cómo funciona.
Juntos, los medicamentos bloquearon la liberación de calcio y ayudaron a que la membrana celular se reparara a sí misma, restaurando gran parte de la fuerza del músculo. Y si bien ayudaron a reducir la cantidad de grasa almacenada en los músculos, no la impidieron por completo ni ayudaron a los músculos a quemar grasa de manera más eficiente como combustible.
En el futuro, el grupo planea agregar células inmunes y grasas a sus experimentos para lograr una mayor complejidad. Están tratando de comprender mejor las alteraciones del metabolismo celular y encontrar nuevos fármacos que restablezcan por completo todos los déficits de fuerza, reparación y metabolismo.
“Por el momento, sólo tenemos un sistema básico para los músculos, lo cual es excelente para observar los efectos de las enfermedades dentro del propio músculo, pero lo que también es importante son las células inmunes, las células grasas y los músculos”, dijo Khudaboks. células.” “Al seguir desarrollando nuestro sistema, esperamos poder comprender mejor las causas de la pérdida de masa muscular y su sustitución por grasa en estos pacientes”.
Esta investigación fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud (UG3TR002142, U01EB028901, R01AR070543, R01AR079223, R01ARO82979, R21AR078269, UH3TR002142) y la Gene Foundation.
