Investigadors liderats pel Professor Samuel Stupp, de la Universitat de Northwestern (EUA) i també Professor Distingit Severo Ochoa en l’IBEC, i amb participació de Zaida Álvarez Pinto, actual investigadora del grup “Biomaterials per a Teràpies Regeneratives” a l’IBEC, han desenvolupat una nova teràpia injectable que utilitza “molècules dansaires” per a revertir la paràlisi i reparar el teixit després de lesions greus de la medul·la espinal.
En un treball pioner realitzat en la Universitat de Northwestern, amb Álvarez Pinto com a primera autora, i publicat en la prestigiosa revista Science, els investigadors van administrar una sola injecció de nanofibres en la medul·la espinal de ratolins paralitzats. Només quatre setmanes després, els animals van recuperar la capacitat de caminar.
Una vegada que la teràpia realitza la seva funció, els materials es biodegraden en 12 setmanes en nutrients per a les cèl·lules i després desapareixen per complet del cos sense efectes secundaris notables. Aquest és el primer estudi en el qual investigadors van controlar el moviment col·lectiu de molècules a través de canvis en l’estructura química de les nanofibres per a augmentar l’eficàcia terapèutica.
L’esperança de vida no ha millorat des de 1980
Segons el Centre Nacional d’Estadístiques de Lesions de la Medul·la Espinal, gairebé 300.000 persones viuen actualment amb alguna mena de lesió de medul·la espinal als EUA. Menys del 3% de les que sofreixen lesions completes recuperen les funcions físiques bàsiques i prop del 30% són reingressats almenys una vegada, la qual cosa comporta a un cost molt elevat en atenció sanitària per a tota la vida. A més, l’esperança de vida es redueix significativament i no ha millorat des de la dècada dels 80.
“Actualment, no existeixen teràpies que desencadenin la regeneració de la medul·la espinal”, segons Stupp, expert en medicina regenerativa i Director del Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology de la Universitat de Northwestern a Chicago. “Volia enfocar el treball en les conseqüències d’una lesió de medul·la espinal i abordar aquest problema, donat el tremend impacte que podria tenir en la vida dels pacients. A més, una nova ciència per a abordar la lesió de la medul·la espinal podria tenir un impacte en les estratègies per a tractar les malalties neurodegeneratives i els accidents cerebrovasculars”.
L’objectiu de l’estudi ha estat trobar una teràpia que pugui evitar que les persones quedin paralítiques després d’un trauma o malaltia greu en la medul·la espinal. Durant dècades, això ha estat un gran desafiament per als científics perquè el sistema nerviós central, que inclou el cervell i la medul·la espinal, no té cap capacitat significativa per a reparar-se després d’una lesió o després de l’inici d’una malaltia degenerativa.
“Anirem directament a l’Agència d’Administració d’Aliments i Medicaments als EUA per a iniciar el procés d’aprovació d’aquesta nova teràpia per al seu ús en pacients humans, que actualment tenen molt poques opcions de tractament “
Samuel I. Stupp de Northwestern/IBEC
Les molècules dansaires dins de les nanofibres senyalitzen receptors en moviment
Les cèl·lules i els seus receptors estan en constant moviment, de manera que el que els investigadors han imaginat és que si les molècules usades en el tractament es mouen més ràpidament trobaran aquests receptors amb més freqüència. D’altra banda, molècules lentes i no tan ‘sociables’, probablement mai entraran en contacte amb els receptors de les cèl·lules.
Injectada com un líquid, la teràpia es gelifica immediatament en una complexa xarxa de nanofibres que imiten la matriu extracel·lular de la medul·la espinal. En fer coincidir l’estructura de la matriu, imitar el moviment de les molècules biològiques i incorporar senyals per als receptors, els materials sintètics poden comunicar-se amb les cèl·lules.
“El secret darrere d’aquest nou i revolucionari tractament terapèutic és sintonitzar el moviment de les molècules perquè puguin trobar i activar adequadament els receptors cel·lulars en constant moviment”
“El secret darrere d’aquest nou i revolucionari tractament terapèutic és sintonitzar el moviment de les molècules perquè puguin trobar i activar adequadament els receptors cel·lulars en constant moviment” Zaida Álvarez Pinto, primera autora del estudi, actualment investigadora del IBEC
“La innovació clau en la nostra recerca, que mai s’havia fet abans, és controlar el moviment col·lectiu de més de 100.000 molècules dins de nostres nanofibres. En fer que les molècules es moguin, “ballin” o fins i tot saltin temporalment d’aquestes estructures, conegudes com a polímers supramoleculars, poden connectar-se de manera més eficaç amb els receptors de les cèl·lules, que es mouen constantment “, explica Stupp.
Stupp i el seu equip van trobar que ajustar el moviment de les molècules dins de la xarxa de nanofibres per a fer-les més àgils va resultar en una major eficàcia terapèutica en ratolins paralitzats. També van confirmar que les formulacions de la seva teràpia amb moviment molecular perfeccionat van funcionar millor durant les proves in vitro amb cèl·lules humanes, la qual cosa indica una major bioactividad i senyalització cel·lular.
Una injecció, diversos senyals
En enviar senyals bioactives per a fer que el teixit es repari i es regeneri, la teràpia revolucionària va millorar dràsticament la medul·la espinal greument lesionada. Una vegada connectades als receptors, les molècules en moviment desencadenen senyals en cascada, crítiques per a la reparació de la medul·la espinal.
D’una banda, indueixen la regeneració dels axons de les neurones de la medul·la lesionades. Igual que els cables elèctrics, els axons envien senyals entre el cervell i la resta del cos, i si sofreixen talls o danys es provoca la pèrdua de sensibilitat en el cos o fins i tot la paràlisi.
D’altra banda, ajuda a les neurones a sobreviure després de la lesió, fa proliferar altres tipus cel·lulars i promou el creixement dels vasos sanguinis perduts que alimenten les neurones i les cèl·lules crítiques per a la reparació dels teixits. La teràpia també indueix la reconstrucció de la mielina al voltant dels axons (la capa aïllant important per a transmetre els senyals elèctrics) i redueix el teixit que actua com a barrera física perquè la medul·la espinal es curi.
Els senyals utilitzats en l’estudi imiten les proteïnes naturals que es necessiten per a induir les respostes biològiques desitjades. No obstant això, les proteïnes tenen vides mitjanes extremadament curtes i la seva producció és molt cara.
“Els nostres senyals sintètics són proteïnes curtes i modificades que, quan s’uneixen entre si, tindran bioactividad durant setmanes en el teixit. El resultat final és una teràpia que és menys costosa de produir i dura molt més, explica Zaida Álvarez Pinto, primera autora del treball i investigadora de l’IBEC.
Aplicació universal
Si bé la nova teràpia podria usar-se per a prevenir la paràlisi després d’un trauma major (accidents automobilístics, caigudes, accidents esportius i ferides de bala), així com de malalties, probablement el descobriment subjacent, relacionat amb el “moviment supramolecular” com un factor clau en la bioactividad, pot ser aplicat a altres teràpies i dianes.
“Els teixits del sistema nerviós central que hem regenerat amb èxit en la medul·la espinal lesionada són similars als del cervell afectats per accidents cerebrovasculars i malalties neurodegeneratives, com l’ELA, la malaltia de Parkinson i la malaltia d’Alzheimer”, explica Stupp. “Més enllà d’això, el nostre descobriment fonamental sobre el control del moviment dels assemblatges moleculars per a millorar la senyalització cel·lular podria aplicar-se universalment a diferents objectius biomèdics”, conclou.
Article de referència: Zaida Alvarez, Alexandra N. Kolberg-Edelbrock, Ivan R. Sasselli, J.Alberto Ortega, Ruomeng Qiu, Zois Syrgiannis, Peter A. Mirau, Feng Chen, Stacey M. Chin, Steven Weigand, Evangelos Kiskinis, Samuel I. Stupp. Bioactive scaffolds with enhanced supramolecular motion promote recovery from spinal cord injury. Science, 2021, Vol 374 (6569), pp.848-856.
Sobre Samuel I. Stupp: Samuel Stupp es Professor de la Universidad Northwestern a Chicago, EUA, i Professor Distingit Severo Ochoa a l’IBEC. També es membre de la Junta de Consejeros de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Química, Medicina e Ingeniería Biomédica, i es el director fundador del Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology (SQI) i del seu centre d’investigació afiliat, el Center for Regenerative Nanomedicine, centrats en l’investigació interdisciplinaria, i també del Center for Bio-Inspired Energy Science, un Centre Punter en Investigacions Energètiques finançat pel Departament de Energia dels EUA. Té posicions a McCormick School of Engineering, Weinberg College of Arts and Sciences i la Feinberg School of Medicine. A més, Stupp també és membre de la Academia Nacional de Ingeniería, la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias, la Real Academia Española i la Academia Nacional de Inventores. Samuel Stupp es Director del Comitè Científic (ISC) del IBEC des de 2013.
Sobre Zaida Álvarez Pinto: va realitzar la seva tesi doctoral en biomaterials per a la reparació de danys cerebrals en la UPC/IBEC 2009-2014. Durant el període 2015-2019, va fer una estada postdoctoral en el Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology de la Northwestern University en Chicago. Del 2019-2021 va ser Research Assistant Professor a la Escuela de Medicina Feinberg Medical School a la Northwestern University. Recentment, como a investigadora amb una beca “Beatriu de Pinós” a l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), ha obtingut una “Ramón y Cajal” per continuar investigant sobre noves teràpies per a la reparació de la medul·la espinal danyada.
