Nuestro cerebro cuenta con un tipo de células que actúan como “cuidadores”, ayudan a proteger las neuronas proporcionando nutrientes y regulando los neurotransmisores. Se conocen como astrocitos, y hacen parte de las células gliales que desempeñan un papel crucial en el mantenimiento del entorno neuronal. Los procesos de los que se ocupan estas células son esenciales para un funcionamiento saludable del cerebro y, cuando algo falla, pueden contribuir al desarrollo de enfermedades neurodegenerativas.
Actualmente, más de 50 millones de personas en todo el mundo viven con enfermedades neurodegenerativas, y se espera que esta cifra aumente a más de 130 millones para el año 2050.
Por ejemplo, solo en los Estados Unidos, aproximadamente 5.7 millones de personas padecen Alzheimer, una cifra que se duplicará en las próximas décadas. De acuerdo con estudios de la Universidad ICESI, en Colombia se estima que hay más de 260.000 personas con esta enfermedad. También, más de 10 millones de personas en todo el mundo viven con Parkinson, una enfermedad cuya incidencia aumenta con la edad. Estas enfermedades no solo afectan la calidad de vida de los pacientes y sus familias, sino que también imponen enormes costos económicos en los sistemas de salud.
A medida que la población envejece, se espera que el número de personas afectadas por estas enfermedades aumente drásticamente, por eso la ciencia está avanzando a pasos agigantados en la búsqueda de tratamientos innovadores, y una de las áreas más prometedoras es el estudio de los astrocitos.
Modelos metabólicos de astrocitos a escala genómica: un nuevo horizonte
En la última década, ha habido un notable aumento en la investigación sobre los astrocitos. Los avances recientes han llevado a la identificación de más de 50 reacciones químicas conocidas como vías metabólicas que son clave para entender la relación entre los astrocitos y los cambios asociados a enfermedades neurodegenerativas. Además, se han descubierto más de 200 genes implicados en la función metabólica de los astrocitos, proporcionando nuevas dianas terapéuticas.
Desde el laboratorio de Bioquímica Computacional de la Pontificia Universidad Javeriana, y el grupo de Biología de Sistemas de la Universidad Nacional de Colombia, estamos usando modelos computacionales del metabolismo de los astrocitos para identificar nuevas dianas terapéuticas.
Esto puede sonar complicado, pero vamos por partes: un modelo computacional es una representación matemática de un proceso, que en este caso es el metabolismo de los astrocitos, por lo tanto, hemos creado una presentación matemática que simula el comportamiento de estas células bajo diversas condiciones. Y al referirnos a dianas terapéuticas nos enfocamos en determinar si este tipo de células pueden ser receptoras de fármacos para tratar enfermedades neurodegenerativas.
Como equipo de investigación nos hemos preguntado ¿Cuáles son las reacciones controladoras de la gliosis reactiva (proliferación y se activación de astrocitos en respuesta a daño y la muerte neuronal relacionadas con el deterioro cognitivo leve (DCL)? La respuesta a esta pregunta ha sido posible gracias a que hemos desarrollado la Plataforma de Entorno de Simulación de Neuronas y Astrocitos (ANSEP por sus siglas en inglés), la cual actualmente cuenta con un conjunto de herramientas y modelos computacionales de astrocitos.
Con esta plataforma buscamos integrar información de diferentes niveles biológicos, como el genoma (DNA), el transcriptoma (RNA), las proteínas y los metabolitos, para comparar cambios e identificar nodos controladores en modelos metabólicos a escala genómica de astrocitos y neuronas bajo condiciones saludables y patológicas asociadas al deterioro cognitivo leve (DCL).
Para el entendimiento del funcionamiento de las células en condiciones normales y patológicas, con un enfoque particular en su metabolismo, que es el conjunto de reacciones químicas necesarias para mantener la vida celular, planteamos la siguiente metodología: primero, construimos modelos detallados del metabolismo celular, lo que implica mapear todas las reacciones químicas que ocurren dentro de una célula utilizando información genética y proteica. Este proceso se basa en reglas de asociación que relacionan genes, proteínas y reacciones (GPR).
Luego, analizamos cómo cambian estas rutas metabólicas en diferentes condiciones, como en células sanas y enfermas. Para esto, empleamos un método llamado análisis de balance de flujo (FBA), que nos permite evaluar y comparar cómo fluye la energía y las sustancias en estas rutas metabólicas bajo diferentes estados celulares.
Identificamos las reacciones esenciales para la supervivencia celular. Estas son las reacciones que, si se interrumpen, resultan en la muerte de la célula. También analizamos la estructura de control de estos modelos, buscando puntos clave o nodos controladores que regulan grandes partes del metabolismo.
A través de la comparación de estos nodos controladores entre modelos de células saludables y patológicas, buscamos identificar diferencias significativas. Estas diferencias pueden revelar objetivos potenciales para nuevas intervenciones terapéuticas.
Finalmente, utilizando enfoques bioinformáticos y simulaciones moleculares, proponemos nuevas moléculas terapéuticas. Estas herramientas nos permiten predecir cómo diferentes compuestos podrían interactuar con los puntos clave identificados en las células enfermas.
El objetivo de esta metodología es proporcionar una comprensión integral de los mecanismos metabólicos subyacentes a las enfermedades, como el cáncer de pulmón, y proponer posibles intervenciones terapéuticas basadas en estos hallazgos.
¿Cuál es el futuro de los tratamientos para las enfermedades neurodegenerativas?
La capacidad de integrar y analizar datos específicos de astrocitos abre nuevas posibilidades para el desarrollo de terapias innovadoras que puedan modificar la progresión de enfermedades neurodegenerativas y mejorar la calidad de vida de los pacientes.
Al aplicar estos modelos a los astrocitos, podemos predecir cómo estas células reaccionarán en diferentes escenarios, incluidos los estados de enfermedad. Modelos como el desarrollado en nuestro laboratorio abarcan miles de reacciones químicas y metabolitos, ofreciendo una visión detallada del funcionamiento celular.
Con este tipo de herramienta, podemos comprender cómo funcionan los medicamentos, diseñar nuevos tratamientos y prever cómo reaccionarán diferentes sustancias químicas en el cuerpo. Ampliar y fortalecer esta plataforma será clave para mejorar nuestra comprensión de los procesos biológicos y hacerlos más accesibles a la comunidad científica y a los pacientes.
