Simulaciones cerebrales de alta resolución revelan cómo se propagan las semillas infecciosas en enfermedades neurodegenerativas

• Nuevo modelo examina cómo las semillas infecciosas se difunden a través de la estructura desigual del cerebro.
• Investigadores usaron resonancias magnéticas de un cerebro adulto para crear simulaciones de alta resolución en 2D y 3D.
• Estas simulaciones recrean el patrón de daño observado en numerosos trastornos neurodegenerativos.

Las enfermedades neurodegenerativas asociadas a la edad son patologías multifacéticas y complejas. En la mayoría de los casos, su evolución está estrechamente relacionada con la progresión de ciertos agregados proteicos conocidos como priones.

Los priones son semillas infecciosas que desencadenan una reacción en cadena de agregación y plegado incorrecto de proteínas, produciendo autocatalisis conformacional. Gradualmente, estas semillas se expanden, fragmentan y se propagan a otras regiones del cerebro. Esto afecta el funcionamiento normal del sistema nervioso y causa atrofia cerebral, necrosis y, en última instancia, la muerte. Es exactamente lo que ocurre en la enfermedad de Parkinson, Alzheimer y ELA.

Ahora, investigadores del Instituto de Tecnología Stevens, la Universidad de Stanford y la Universidad de Oxford han desarrollado un nuevo modelo que examina cómo estas semillas infecciosas se difunden a través de la estructura desigual del cerebro. Demuestra que la distribución de moléculas tóxicas en todas las enfermedades depende de la ubicación donde estas moléculas aparecieron por primera vez.

Las simulaciones indican que el daño cerebral ocurre principalmente debido a la eliminación por parte del cuerpo de las células cerebrales deterioradas por el impacto físico. Los autores creen que su herramienta ayudará a los científicos a bloquear la progresión de graves trastornos cerebrales.

El modelo ignora la bioquímica

En muchas enfermedades neurodegenerativas, las moléculas tóxicas iniciales permanecen oscuras, pero se copian a sí mismas para plegarse mal de una manera específica. La enfermedad progresa a medida que las proteínas malformadas se extienden por el cerebro y se agregan en grumos y fibras.

Este nuevo modelo ignora los mecanismos bioquímicos y celulares y simplemente representa los procesos fundamentales de propagación y crecimiento del número de proteínas dañinas.

En lugar de viajar a través del fluido extracelular, las moléculas tóxicas en el cerebro se mueven a través de las neuronas (red de células nerviosas). Cada célula nerviosa consta de un núcleo y un axón que transmite señales eléctricas a otras células nerviosas. Los axones constituyen la mayor parte de la sustancia blanca del cerebro, mientras que sus cuerpos celulares contienen la mayor parte de la sustancia gris.

Referencia: APS Physics | doi:10.1103/PhysRevLett.121.158101 | Universidad de Oxford

En este modelo, las moléculas tóxicas se difunden a lo largo de los axones a una tasa particular y viajan a través de la sustancia blanca. También se difunden en regiones extracelulares, pero a una tasa mucho más lenta. En la sustancia gris, estas moléculas se difunden isotrópicamente a una tasa media. Una vez que se difunden en una nueva área, crean copias de sí mismas a una tasa que depende del número de proteínas tóxicas presentes en esas áreas.

Simulación de proteínas tóxicas dentro del cerebro

Datos clínicos (arriba) vs. simulación (abajo) | las flechas muestran la propagación de proteínas tóxicas en Alzheimer | Crédito: A. Goriely / Universidad de Oxford

Para crear simulaciones de alta resolución en 2D y 3D, los autores usaron resonancias magnéticas de un cerebro adulto. Las simulaciones 2D se realizaron en cortes verticales (de lado a lado o de frente a atrás), y las simulaciones 3D cubrieron el cerebro completo.

Luego mapearon los datos clínicos de la progresión de la enfermedad de Parkinson y Alzheimer. Según estos datos, las proteínas tóxicas comienzan en una ubicación particular y se propagan en un patrón específico. Los autores introdujeron estas condiciones iniciales en sus simulaciones y descubrieron que estas recreaban con precisión el patrón asociado a cada trastorno.

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El modelo puede ayudar a los científicos a aprender más sobre la bioquímica teniendo en cuenta sus aspectos físicos. Las simulaciones muestran claramente que la difusión juega un papel importante en la progresión de los trastornos neurodegenerativos. Podría dar nuevas direcciones a futuras investigaciones interdisciplinarias.