Investigadores liderados por el Profesor Samuel Stupp, de la Universidad de Northwestern (EE. UU.) y también Profesor Distinguido Severo Ochoa en el IBEC, y con participación de Zaida Álvarez Pinto, actual investigadora del grupo “Biomateriales para Terapias Regenerativas” en el IBEC, un centro CERCA, han desarrollado una nueva terapia inyectable que usa «moléculas danzantes» para revertir la parálisis y reparar el tejido después de lesiones graves de la médula espinal.
En un trabajo pionero realizado en la Universidad de Northwestern, con Álvarez Pinto como primera autora, y publicado en la prestigiosa revista Science, los investigadores administraron una sola inyección de nanofibras en la médula espinal de ratones paralizados. Solo cuatro semanas después, los animales recuperaron la capacidad de caminar.
Una vez que la terapia realiza su función, los materiales se biodegradan en 12 semanas en nutrientes para las células y luego desaparecen por completo del cuerpo sin efectos secundarios notables. Este es el primer estudio en el que investigadores controlaron el movimiento colectivo de moléculas a través de cambios en la estructura química de las nanofibras para aumentar la eficacia terapéutica.
La esperanza de vida no ha mejorado desde 1980
Según el Centro Nacional de Estadísticas de Lesiones de la Médula Espinal, casi 300.000 personas viven actualmente con algún tipo de lesión de médula espinal en los EEUU. Menos del 3% de las que sufren lesiones completas recuperan las funciones físicas básicas y cerca del 30% son reingresados al menos una vez, lo que conlleva a un coste muy elevado en atención sanitaria de por vida. Además, la esperanza de vida se reduce significativamente y no ha mejorado desde la década de los 80.
“Actualmente, no existen terapias que desencadenen la regeneración de la médula espinal”, según Stupp, experto en medicina regenerativa y Director del Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology de la Universidad de Northwestern en Chicago. “Quería enfocar el trabajo en las consecuencias de una lesión de médula espinal y abordar este problema, dado el tremendo impacto que podría tener en la vida de los pacientes. Además, una nueva ciencia para abordar la lesión de la médula espinal podría tener un impacto en las estrategias para tratar las enfermedades neurodegenerativas y los accidentes cerebrovasculares”.
El objetivo del estudio ha sido encontrar una terapia que pueda evitar que las personas queden paraliticas después de un trauma o enfermedad grave en la médula espinal. Durante décadas, esto ha sido un gran desafío para los científicos porque el sistema nervioso central, que incluye el cerebro y la médula espinal, no tiene ninguna capacidad significativa para repararse después de una lesión o después del inicio de una enfermedad degenerativa.
«Vamos a ir directamente a la Agencia de Administración de Alimentos y Medicamentos en EE. UU. para iniciar el proceso de aprobación de esta nueva terapia para su uso en pacientes humanos, que actualmente tienen muy pocas opciones de tratamiento».
Samuel I. Stupp de la Universidad de Northwestern, también es Profesor Distinguido Severo Ochoa en IBEC.
Las células y sus receptores están en constante movimiento, de forma que lo que los investigadores han imaginado es que si las moléculas usadas en el tratamiento se mueven más rápidamente encontrarán estos receptores con más frecuencia. Por otro lado, moléculas lentas y no tan ‘sociables’, probablemente nunca entraran en contacto con los receptores de las células.
Inyectada como un líquido, la terapia se gelifica inmediatamente en una compleja red de nanofibras que imitan la matriz extracelular de la médula espinal. Al hacer coincidir la estructura de la matriz, imitar el movimiento de las moléculas biológicas e incorporar señales para los receptores, los materiales sintéticos pueden comunicarse con las células.
«El secreto detrás de este nuevo y revolucionario tratamiento terapéutico es sintonizar el movimiento de las moléculas para que puedan encontrar y activar adecuadamente los receptores celulares en constante movimiento».
«El secreto detrás de este nuevo y revolucionario tratamiento terapéutico es sintonizar el movimiento de las moléculas para que puedan encontrar y activar adecuadamente los receptores celulares en constante movimiento».Zaida Álvarez Pinto, primera autora del trabajo, actual investigadora del IBEC.
“La innovación clave en nuestra investigación, que nunca se había hecho antes, es controlar el movimiento colectivo de más de 100.000 moléculas dentro de nuestras nanofibras. Al hacer que las moléculas se muevan, «bailen» o incluso salten temporalmente de estas estructuras, conocidas como polímeros supramoleculares, pueden conectarse de manera más eficaz con los receptores de las células, que se mueven constantemente «, explica Stupp.
Stupp y su equipo encontraron que ajustar el movimiento de las moléculas dentro de la red de nanofibras para hacerlas más ágiles resultó en una mayor eficacia terapéutica en ratones paralizados. También confirmaron que las formulaciones de su terapia con movimiento molecular perfeccionado funcionaron mejor durante las pruebas in vitro con células humanas, lo que indica una mayor bioactividad y señalización celular.
Una inyección, varias señales
Al enviar señales bioactivas para hacer que el tejido se repare y se regenere, la terapia revolucionaria mejoró drásticamente la médula espinal gravemente lesionada. Una vez conectadas a los receptores, las moléculas en movimiento desencadenan señales en cascada, críticas para la reparación de la médula espinal.
Por un lado, inducen la regeneración de los axones de las neuronas de la médula lesionadas. Al igual que los cables eléctricos, los axones envían señales entre el cerebro y el resto del cuerpo, y si sufren cortes o daños se provoca la pérdida de sensibilidad en el cuerpo o incluso la parálisis.
Por otro lado, ayuda a las neuronas a sobrevivir después de la lesión, hace proliferar otros tipos celulares y promueve el crecimiento de los vasos sanguíneos perdidos que alimentan las neuronas y las células críticas para la reparación de los tejidos. La terapia también induce la reconstrucción de la mielina alrededor de los axones (la capa aislante importante para transmitir las señales eléctricas) y reduce el tejido que actúa como barrera física para que la médula espinal se cure.
Las señales utilizadas en el estudio imitan las proteínas naturales que se necesitan para inducir las respuestas biológicas deseadas. Sin embargo, las proteínas tienen vidas medias extremadamente cortas y su producción es muy cara.
“Nuestras señales sintéticas son proteínas cortas y modificadas que, cuando se unen entre sí, tendrán bioactividad durante semanas en el tejido. El resultado final es una terapia que es menos costosa de producir y dura mucho más, explica Zaida Álvarez Pinto, primera autora del trabajo e investigadora del IBEC.
Aplicación universal
Si bien la nueva terapia podría usarse para prevenir la parálisis después de un trauma mayor (accidentes automovilísticos, caídas, accidentes deportivos y heridas de bala), así como de enfermedades, probablemente el descubrimiento subyacente, relacionado con el «movimiento supramolecular» como un factor clave en la bioactividad, puede ser aplicado a otras terapias y dianas.
«Los tejidos del sistema nervioso central que hemos regenerado con éxito en la médula espinal lesionada son similares a los del cerebro afectados por accidentes cerebrovasculares y enfermedades neurodegenerativas, como la ELA, la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Alzheimer», explica Stupp. «Más allá de eso, nuestro descubrimiento fundamental sobre el control del movimiento de los ensamblajes moleculares para mejorar la señalización celular podría aplicarse universalmente a diferentes objetivos biomédicos», concluye.
Artículo de referencia:
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 Profesor de la Universidad Northwestern en Chicago, EE. UU, y Profesor Distinguido Severo Ochoa en el IBEC. También es miembro de la Junta de Consejeros de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Química, Medicina e Ingeniería Biomédica, y es el director fundador del Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology (SQI) y de su centro de investigación afiliado, el Center for Regenerative Nanomedicine, centrados en la investigación interdisciplinarian, y también del Center for Bio-Inspired Energy Science, un Centro Puntero en Investigaciones Energéticas financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. Tiene puestos en McCormick School of Engineering, Weinberg College of Arts and Sciences y la Feinberg School of Medicine. Además, Stupp también es miembro de la Academia Nacional de Ingeniería, la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias, la Real Academia Española y la Academia Nacional de Inventores. Samuel Stupp es Director del Comité Científico (ISC) del IBEC desde 2013.
Sobre Zaida Álvarez Pinto:
Realizó su tesis doctoral en biomateriales para la reparación de daños cerebrales en la UPC/IBEC 2009-2014. Durante el periodo 2015-2019, hizo una estancia postdoctoral en el Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology de la Northwestern University en Chicago. Del 2019-2021 fue Research Assistant Professor en la Escuela de Medicina Feinberg Medical School en la Northwestern University. Recientemente, como investigadora con una beca “Beatriu de Pinós” en el instituto de Bioengeniería de Catalunya (IBEC), un centro CERCA, ha obtenido una “Ramón y Cajal” para seguir investigando sobre nuevas terapias para la reparación de la médula espinal dañada.
