Simulaciones por computadora para enfermedades neurodegenerativas

• El nuevo modelo examina cómo las semillas infecciosas se difunden a través de la estructura desigual del cerebro.
• Los investigadores utilizaron imágenes por resonancia magnética 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 crecimiento está estrechamente relacionado con la progresión de ciertos agregados de proteínas conocidos como priones.

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

Ahora, los 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 en la que aparecieron por primera vez.

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

El modelo ignora la bioquímica

En muchas enfermedades neurodegenerativas, las moléculas tóxicas iniciales permanecen turbias pero se copian a sí mismas para doblarse mal de una manera específica. La enfermedad progresa a medida que las proteínas malformadas se extienden a través del cerebro y se agregan en grupos y fibras.

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

En lugar de viajar a través del líquido fuera de las células, las moléculas tóxicas del cerebro se mueven a través de las neuronas (red de células nerviosas). Cada célula nerviosa consta de un núcleo y un axón que transfiere señales eléctricas a otras células nerviosas. Los axones representan la mayor parte de la materia blanca del cerebro, mientras que sus cuerpos celulares contienen la mayor parte de la materia 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 velocidad particular y viajan a través de la sustancia blanca. También se difunden en las regiones extracelulares, pero a un ritmo mucho más lento. En la materia gris, estas moléculas se difunden isotrópicamente a una velocidad media. Una vez que se difunden en una nueva área, crean copias de sí mismos a un ritmo particular que depende de la cantidad de proteínas tóxicas presentes en esas áreas.

Simulación de proteínas tóxicas en el cerebro

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

Para crear simulaciones de alta resolución en 2D y 3D, los autores utilizaron imágenes por resonancia magnética de un cerebro adulto. Las simulaciones por computadora en 2D se realizaron en cortes verticales (ya sea de lado a lado o de adelante hacia atrás), y las simulaciones en 3D cubrieron todo el cerebro.

Luego mapearon los datos clínicos de la progresión de la enfermedad de Parkinson y Alzheimer. Según estos datos, las proteínas tóxicas parten de una ubicación particular y se propagan siguiendo un patrón específico. El autor introdujo estas condiciones iniciales en sus simulaciones y descubrieron que las simulaciones recreaban con precisión el patrón asociado con 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 la investigación interdisciplinaria futura.