Mes: julio 2015

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Jul
2015
Recuperación parcial de la audición en ratones sordos

Recuperación parcial de la audición en ratones sordos

     Última actualizacón: 6 junio 2017 a las 12:12

Hace unos días se han hecho públicos los resultados de un prometedor trabajo encabezado por investigadores del Hospital Infantil de Boston y la Facultad de Medicina de Harvard, que ha conseguido recuperar, utilizando terapia génica, parte de la audición de ratones sordos. El artículo, que ha merecido la portada de la prestigiosa revista Science Translational Medicine, promete abrir un abanico terapéutico para el tratamiento de la sordera genética en los seres humanos.

La pérdida de audición objeto del estudio tiene que ver con el fallo de las células sensoriales primarias del oído interno conocidas como células ciliadas. Alojadas en el órgano de corti, su función es convertir los estímulos mecánicos (las ondas sonoras producidas por la vibración del aire) en señales eléctricas que se transmiten a las neuronas postsinápticas del cerebro a través del octavo par craneal. El correcto funcionamiento de estas células es esencial tanto para la propia tarea de oír como para el mantenimiento del equilibrio 1. Un dato a destacar es que estas células carecen de la capacidad de regenerarse, por lo tanto, cuando sufren un daño o se produce su muerte, nos encontramos con una pérdida progresiva e irreversible de la audición.

Órgano de corti. Leyenda: C. Túnel de Corti; E. Células ciliadas internas. 6, 6’, 6” Las tres filas de células ciliadas externas (en azul). Tomado del libro Grey´s anatomy. CC.

En la actualidad, este tipo de sordera se trata con el empleo de audífonos o bien con implantes cocleares, aunque sólo proporcionan una recuperación incompleta de la función auditiva y en un número limitado de pacientes.

Lo que los investigadores pretenden con esta línea de investigación es demostrar la efectividad de la terapia génica como medio para recuperar la audición en los pacientes con sordera debida a unas mutaciones concretas.

Sordera genética

Los científicos han empleado ratones (Mus musculus) que poseen una mutación en el gen coclear de la transmembrana 1 (Tmc1). Las mutaciones que presentamos los seres humanos en  este gen (TMC1) —hasta la fecha se han identificado 40 mutaciones— son responsables de entre un 4 y un 8% de los casos de sordera genética. La mayoría de estas mutaciones son recesivas (lo que significa que se precisan dos copias mutadas del gen para que se exprese la enfermedad): los niños con dos copias mutantes del gen TMC1 presentan una pérdida auditiva profunda desde una edad muy temprana, por lo general alrededor de 2 años. Se trata por tanto de una sordera prelocutiva o prelingual que aparece antes del desarrollo del lenguaje. Por otro lado, al menos cinco de estas mutaciones son dominantes y provocan una pérdida de audición progresiva que se inicia durante los años de la adolescencia, lo que permite que haya ventanas de oportunidad para una intervención clínica.

Aunque la función molecular precisa del gen TMC1 no está clara, hay consenso en que tanto este gen como su ortólogo, el gen TMC2, afectan a las propiedades de permeabilidad de los canales de transducción sensorial en las células ciliadas auditivas, y es probable que formen parte de los propios canales. En este sentido, los ratones que presentan deficiencias en los genes Tmc1 y Tmc2 carecen de transducción sensorial, es decir, les falla el proceso por el que una célula recibe y actúa sobre una señal externa y la transporta para estimular una respuesta específica. Aunque las células ciliadas presentan una morfología normal, la señal sensorial es incapaz de llegar al cerebro para su correcto procesado. En definitiva, estos ratones son completamente sordos, y además sufren graves disfunciones en el equilibrio.

El conjunto de la investigación se ha llevado a cabo con dos tipos de ratones mutados: una cepa presentaba el gen Tmc1 completamente eliminado, empleándose como modelo para estudiar la pérdida auditiva recesiva en los seres humanos (DFNB7/B11) debida a mutaciones que provocan la pérdida de función del gen TMC1. La otra variedad, llamada Beethoven (Bth), se emplea para el estudio de la forma dominante de sordera. Los ratones Bth retienen la transducción sensorial, pero ven reducida la permeabilidad del calcio que provoca una sordera progresiva que comienza entre los 5 y 10 años y se convierte en profunda en 10 o 15 años (de ahí que sean un modelo excelente para la pérdida de audición dominante progresiva en los seres humanos (DFNA36) que presentan una sustitución idéntica en la posición ortóloga (p.M418K) del gen TMC1 humano).

Alineación comparativa del gen Tmc1 en ratones y seres humanos.

Es importante señalar que los ratones son, hoy por hoy, el mejor modelo donde reproducir las enfermedades humanas. En el año 2002 el Consorcio para la Secuenciación del Genoma del Ratón publicó la secuencia completa de su genoma compuesta por 2.600 millones de pares de bases 2. Se estima que el genoma del ratón contiene cerca de 30.000 genes, aproximadamente los mismos que nuestra especie y, lo que es más importante, el 99% de ellos tiene su homólogo humano. En definitiva, el estudio con ratones constituye una herramienta clave para entender el funcionamiento de nuestro genoma y, por ende, de muchas de nuestras enfermedades, a pesar de que hay que tener en cuenta que muchos procesos son completamente diferentes 3.

¿Cuál es la técnica que se ha empleado?

Uno de los principales obstáculos a los que se enfrenta cualquier terapia génica es lograr que la copia funcional del gen que se quiere introducir en el hospedador se exprese, es decir, funcione, y además que lo haga en el lugar correcto.

Estudios previos ya habían utilizado vectores adenovirales (AAV por sus siglas en inglés) para esta tarea: se toma un cromosoma vírico en cuyo genoma se inserta un fragmento de ADN extraño —en este caso una copia funcional del gen Tmc1— para introducirlo en la célula hospedadora. En estos trabajos se utilizó el vector in vitro para introducir la secuencia de codificación para los genes Tmc1 o Tmc2 en las células ciliadas que se habían extirpado previamente de ratones deficientes en Tmc1 y Tmc2. Estos experimentos demostraron una recuperación parcial de la transducción sensorial en dichas células.

Lo novedoso del artículo que venimos analizando es que los investigadores han ampliado estos estudios a un entorno in vivo y diseñado vectores AAV (AAV1 y AAV2) que permiten introducir la secuencia codificante para los genes Tmc1 o Tmc2 mediante una inyección directa en los oídos de los ratones. Estos vectores virales adenoasociados se introducen junto a un promotor (cuya función es la activar o desactivar un gen determinado) que permite que el gen se transcriba únicamente en las ya citadas células ciliadas.

¿Cuáles han sido los resultados?

Los resultados obtenidos indican que la inyección de copias sanas del gen Tmc1 a través de la membrana del tímpano permite la expresión de las copias funcionales del gen en los órganos del oído interno, y con ello, se logra restaurar la función de las células sensoriales.

Además, han demostrado que los genes Tmc1 y Tmc2 son funcionalmente redundantes, por lo que cualquiera de ellos puede recuperar la transducción sensorial y la función auditiva parcial in vivo en los ratones que portan mutaciones del gen Tmc1 recesivas (esto se ha logrado únicamente en las células ciliadas internas).

En definitiva, podemos dar cuenta de los siguientes resultados:

  • En el modelo de sordera recesiva, la terapia génica con el gen TMC1 logró restaurar la capacidad de las células ciliadas para responder a los sonidos. Pero esta recuperación fue parcial: cuando los vectores se inyectan a través de la membrana de la ventana redonda en el oído interno, la recuperación de la función celular se limitó a las células ciliadas internas (IHCs por sus siglas en inglés). Por otro lado, en las células ciliadas externas (OHCs) hubo una escasa expresión de los genes exógenos después de la inyección de cuatro vectores diferentes. Como todos los vectores son capaces de impulsar la expresión del gen exógeno en las células estudiadas in vitro, parece que la diferencia con el proceso in vivo tiene que ver con un acceso limitado del virus a la superficie apical de las mismas. Por lo tanto, para alcanzar las células ciliadas externas se precisan nuevas estrategias de entrada de los vectores. En cualquier caso, se recuperaron las respuestas auditivas provocadas del tronco encefálico (BAER) en más del 50% de los ratones sordos, lo que indica que se produce una transmisión satisfactoria de la información auditiva desde la cóclea hasta el cerebro. Sin embargo, los umbrales de audición de las respuestas auditivas se elevaron en relación con los niveles de los ratones de tipo silvestre. Es decir, se necesita un sonido más alto para que se produzca la audición, lo que indica una recuperación incompleta de la función auditiva. Este aumento del umbral de audición quizás se deba a la falta de recuperación de la función de las células ciliadas externas como hemos señalado más arriba.
  • En el modelo de la sordera dominante, la recuperación de la función auditiva también fue limitada. Sobre la base de las mediciones por investigaciones previas de la transducción sensorial y de la permeabilidad de calcio en ratones que presentan de forma silvestre los genes Tmc2, Tmc1, o Tmc1-Bth, se ha descubierto una reducción significativa de la entrada de calcio en las células ciliadas internas que presentan la mutación Bth; mientras que las células ciliadas del gen Tmc2 presentaron una entrada alta de calcio. La hipótesis actual es que se necesitan niveles adecuados de entrada de calcio para el mantenimiento y la supervivencia de las células ciliadas internas.
  • Lo que quizás revista más importancia es que los ratones sordos recuperaron su capacidad de oír. Para probar la función auditiva, los investigadores midieron los reflejos de sobresalto: colocaron a los ratones en una «caja de sobresalto» donde sonaban pulsos fuertes de sonido. Un ratón con el gen Tmc1 mutado (completamente sordo) se queda sentado tranquilamente, mientras que los ratones tratados con la terapia génica dan saltos (se sobresaltan) como lo hace un ratón normal. Estas respuestas persistieron hasta 60 días (el tiempo máximo durante el que se hicieron las pruebas). El alcance de la recuperación de la respuesta auditiva en ratones Beethoven fue menor que la recuperación de las otras cepas, lo que sugiere que puede haber un umbral mínimo necesario para lograr respuestas de comportamiento a sonidos fuertes. De esto se deduce que cualquier terapia dirigida a la recuperación de la función auditiva en la sordera genética dominante humana (DFNA36) exigirá el desarrollo de estrategias alternativas a las planteadas aquí, quizás mediante la supresión del alelo dominante.

Del estudio:

En conclusión, los datos proporcionan una convincente prueba preliminar de eficacia que demuestra que el aumento de la expresión genética en un modelo murino de DFNB7/11 es eficaz en la recuperación de la función celular in vitro tanto en las células ciliadas internas como en las externas, la recuperación de la función de las células ciliadas internas in vivo, la recuperación parcial de los niveles de función de los sistemas in vivo, y la recuperación de los reflejos de sobresalto acústicos a nivel de comportamiento. La recuperación de las respuestas auditivas del tronco encefálico y las respuestas al sobresalto probablemente fue resultado directo de la recuperación de la transducción sensorial de las células ciliadas internas a nivel celular y sugiere que la reexpresión del gen Tmc1 puede restaurar la función auditiva en todos los niveles.

 

Artículo principal

Askew, C., et al. (2015), «Tmc gene therapy restores auditory function in deaf mice«. Science Translational Medicine, vol. 7, núm. 295, p. 295ra108.

Accede al artículo aquí, y aquí dejo una traducción parcial del mismo.

Referencias

Dorland, W. A. N. (2005), Dorland diccionario enciclopédico ilustrado de medicina. Madrid [etc.]: McGraw-Hill Interamericana de España, XXVII, 2210 p.

Dorland, W. A. N. (2005), Diccionario Dorland de idiomas de medicina inglés-español/español-inglés. Madrid [etc.]: Elsevier España S.A., 736 p.

Kurima, K., et al. (2002), «Dominant and recessive deafness caused by mutations of a novel gene, TMC1, required for cochlear hair-cell function«. Nature genetics, vol. 30, núm. 3, p. 277-284.

Notas

  1. El nervio auditivo está compuesto por el nervio coclear, que transporta la información sobre el sonido; y el nervio vestibular, que transporta la información sobre el equilibrio. ↩
  2. Por lo tanto un 14% más pequeña que el nuestro que tiene 2.900 millones de pares de bases. ↩
  3. Las diferencias entre el ratón y la especie humana están en la activación y desactivación de los genes, un campo, el de la epigenética, que está siendo explorado en profundidad gracias al proyecto ENCODE. ↩
Publicado por José Luis Moreno en MEDICINA, 0 comentarios
24
Jul
2015
Nuestra mano es más primitiva de lo que se pensaba

Nuestra mano es más primitiva de lo que se pensaba

     Última actualizacón: 22 marzo 2017 a las 12:29

Hace unos días se publicó un artículo en la revista Nature communications bajo el título The evolution of human and ape hand proportions («La evolución de la proporciones de la mano humana y de los simios»). En él, los autores han analizado las proporciones internas de la mano (la longitud de los huesos largos del pulgar y el cuarto dedo) en relación con el tamaño corporal de una muestra de primates actuales y extintos. La muestra la conforma un total de 274 primates entre los que se incluyen macacos, mandriles, gibones, orangutanes, gorilas, chimpancés y Homo sapiens; además de algunas especies extintas de homininos (Ardipithecus ramidus, Australopithecus sediba y Homo neanderthalensis).

Una de las principales características que distingue nuestras manos de las de los simios son nuestros pulgares, que son más largos en relación con el resto de los dedos. Los autores sostienen que esta simple dicotomía no proporciona un marco adecuado para probar las diferentes hipótesis acerca de la evolución humana, así como para reconstruir la morfología del último antepasado común (LCA por las siglas en inglés) de los seres humanos y los chimpancés. Y creo que esto no hacía falta ni mencionarlo, ya que cualquiera estará de acuerdo con esta afirmación: se me escapa cómo el análisis morfológico y de proporciones relativas de una parte tan concreta —aunque importante— de la anatomía humana pueda bastar para responder una cuestión de tan amplio alcance como cuál ha sido la historia evolutiva de nuestra especie.

En cualquier caso, una vez analizados los datos, los investigadores concluyen que existe una gran variabilidad en las proporciones de las manos de los hominoideos modernos, que ellos explican por diferentes procesos evolutivos: los hilobátidos muestran una mano autapomórfica debido al extremo alargamiento de los dedos y del pulgar; los chimpancés y los orangutanes por su parte exhiben una adaptación convergente relacionada con el alargamiento de los dedos (en un grado menor que los hilobátidos). Por último, los gorilas y los homininos (entre los que nos encontramos nosotros) experimentaron pocos cambios en comparación con los anteriores.

En definitiva, afirman que los resultados apoyan la idea de que la existencia de un pulgar largo en relación con el resto de los dedos que caracteriza nuestra mano (y la de los australopitecinos por ejemplo) precisó de pocos cambios desde el último antepasado común que compartimos con los chimpancés, y que esta característica fue adquirida en convergencia con otros antropoides altamente diestros como los capuchinos y los babuinos gelada.

(a) Se muestran a misma escala los dibujos de la mano de un chimpancé y humana. (b) La longitud relativa del pulgar y el cuarto dedo (menos la cuarta falange distal). La caja representa el rango intercuartil, la línea central representa la mediana, los bigotes representan el rango de valores atípicos y los puntos son los valores extremos. Tomado del artículo que se está analizando.

Dado que esa proporción es tan antigua, postulan que estos datos refutan la hipótesis de que esos cambios en la morfología de nuestra mano se produjeron como consecuencia directa de presiones de la selección natural para la fabricación de herramientas de piedra, rechazando esta visión hoy por hoy mayoritaria.

Analicemos con más detalle la anatomía de la mano para comprender mejor esa afirmación. Mientras que las manos de los primates tienen aproximadamente el mismo número de huesos, su tamaño, y por ende, sus proporciones relativas varían bastante en función de sus capacidades de locomoción. Por ejemplo, en las especies que se desplazan por los árboles, los dedos, y especialmente las falanges, son relativamente más largos que en las especies terrestres. De hecho, muchos primates arbóreos han perdido el pulgar, mientras que los lémures han visto reducido su dedo índice para permitir una mejor habilidad de agarre entre el pulgar y los dedos más laterales.

Cuando analizamos la forma de manipular los objetos, vemos que los gorilas y los chimpancés tienen dedos largos y curvos, con yemas estrechas y pulgares muy cortos. Esta disposición de la mano les permite manejar objetos de manera muy tosca, es decir, utilizan todos los dedos y la palma de la mano (para entendernos, así es como sujetamos el mango de un martillo, usando los dedos para apretarlo contra la palma de la mano), de ahí que este tipo de agarre reciba el nombre de “pinza de presión”.

Vista frontal de los huesos de los dedos de un chimpancé adulto. Atlas osteológico del chimpancé.

En cambio, nosotros tenemos un pulgar muy desarrollado con una gran movilidad y fuerza que le otorga una serie de tendones y hasta cinco paquetes musculares (nuestro metacarpiano del pulgar no sólo es más largo que el de gorilas y chimpancés, sino que también es más ancho). Del mismo modo, la segunda falange de este dedo también tiene una base muy ancha para la inserción de un músculo bien desarrollado. En cambio, tanto gorilas como chimpancés carecen de este músculo y sólo cuentan con un tendón, que realiza una función muy similar pero menos eficaz (el extremo distal de su metacarpiano del pulgar es más estrecho y en él sólo se insertan tres paquetes musculares).

Además, nuestros dedos son más cortos y terminan en unas yemas muy anchas. Una de las claves de nuestra capacidad de agarre está precisamente en las yemas, ya que al poseer abundantes terminaciones nerviosas, nos otorgan una extrema sensibilidad. Nuestro agarre recibe el nombre de “pinza de precisión”, y nos permite manipular objetos entre el pulgar y el índice de manera muy precisa. De hecho, constituye una de las bases anatómicas de nuestra habilidad para fabricar herramientas.

Representación de los músculos relacionados con el pulgar (vista superior mano izquierda Homo sapiens). 1. Aductor del pulgar. La acción de este músculo es la de aproximar el primer metacarpiano al segundo. También flexiona la primera falange sobrfe el metacarpiano. 2. Oponente del pulgar. Este músculo tira del primer metacarpiano hacia delante y adentro, permitiendo la rotación interna. Por tanto, realiza el movimiento que permite llevar el pulgar engrente de los otros dedos y efectuar las diferentes prensiones. 3. Flexor corto del pulgar. Tira del primer metacarpiano hacia dentro, hacia delante y en rotación interna. Flexiona la primera falange del pulgar. 4. Abductor corto del pulgar. Tira del metacarpiano hacia delante y dobla la primera falange sobre el metacarpiano. Composición realizada por el propio autor.

En el estudio que analizamos, los autores sostienen que los primeros homininos ya podían realizar esta pinza de precisión hace 6 millones de años, por lo que si no hemos hallado herramientas de piedra de esa antigüedad quizá sea porque nuestros antepasados no tenían las capacidades cognitivas necesarias, y no por una “incapacidad” anatómica. Bajo mi punto de vista, hacer esta afirmación tomando en consideración únicamente las proporciones de los pulgares en relación con el cuarto dedo de la mano es ir demasiado lejos. Basta examinar la complejidad de huesos, articulaciones, tendones y músculos que configuran la mano para darse cuenta que un solo rasgo no define toda la trayectoria evolutiva de una especie.

Para concluir, plantean varios escenarios evolutivos que según ellos presentan profundas implicaciones en relación con la evolución de los simios y los orígenes del ser humano:

1. Los simios existentes en la actualidad son heterogéneos en términos de las proporciones de la longitud de la mano.

Estos resultados indican una evolución paralela para el alargamiento de los dedos (donde chimpancés y orangutanes compartirían similitudes convergentes), lo que reforzaría la opinión de que las adaptaciones especializadas para la locomoción arbórea exhibidas por los simios actuales no son idénticas, es decir, que evolucionaron de forma independiente. Sostienen que este paralelismo vino facilitado por la constitución genética y desarrollo comunes de estos simios. Una de las consecuencias de esta hipótesis es que ningún simio actual serviría como análogo para describir un ancestro hipotético dado.

Esto guarda relación con las ideas previas que, junto con la proximidad filogenética entre Pan y Homo, se han utilizado habitualmente como apoyo a la hipótesis de que los homininos evolucionaron a partir de un ancestro similar a los chimpancés actuales. Las autores nos advierten con sus conclusiones que no debemos confiar en escenarios evolutivos que asuman que los simios existentes son buenos modelos ancestrales “globales”.

2. Para las proporciones en la longitud de la mano, estos resultados indican que los chimpancés y los orangutanes son convergentes; mientras que los hilobátidos evolucionaron hacia unos dedos largos de forma paralela pero con mayor intensidad, arrojando valores atípicos extremos (debido a su pequeño tamaño y a una braquiación especializada).

Por lo tanto, en términos de evolución del alargamiento de los dedos, los investigadores sostienen que en algunos linajes de simios la selección natural actuó sobre la (co)variación de la longitud entre las extremidades y las proporciones de la mano en el contexto de una adaptación especializada para un desplazamiento de balanceo entre las ramas de los árboles donde se empleaban únicamente los brazos.

3. La similitud en las proporciones de la mano entre los humanos y los gorilas, teniendo en cuenta la reconstrucción de nuestro pasado africano, parece indicar que la posesión de estos dedos muy largos no fue un requisito esencial para el desarrollo del nudilleo.

4. Estas similitudes también indican que la locomoción arbórea no llegó a su fin con los australopitecinos si tenemos en cuenta la longitud de su mano.

5. Los seres humanos sólo han modificado ligeramente la longitud de sus dedos y del pulgar desde que nos separamos de nuestro ancestro común con los chimpancés hace unos 6 Ma. Esto se debió probablemente al desarrollo del bipedismo habitual en los homininos, y casi con seguridad precedió a la fabricación de las herramientas de piedra.

En definitiva, nos encontramos ante un estudio que reviste relativo interés y que ofrece unas hipótesis que requerirán de posteriores desarrollos para que puedan ser mejor perfiladas.

No quería terminar este análisis sin recomendar encarecidamente para aquellos que estén interesados en la evolución de la morfología de la mano, la lectura de un estudio publicado en la revista Journal of Anatomy el año 2008 (puedes leerlo aquí). En él, Tocheri y colaboradores sostienen que las pruebas moleculares y fósiles tienen importantes consecuencias para la interpretación de la historia evolutiva de la mano dentro de la tribu Hominini. En primer lugar, la parsimonia apoya la hipótesis de que la mano del último ancestro común de los humanos y chimpancés es más probable que es pareciera a la de un gran simio actual en general (Pan, Gorilla, y Pongo), que a la de un simio africano en particular. En segundo lugar, proporciona un contexto para la interpretación de los cambios derivados de la mano que se han desarrollado en diferentes homínidos. Sin embargo, la mayoría de las características primitivas que es probable que estuvieran presentes en el último ancestro común de Pan y Homo se mantienen en las manos de Australopithecus, Paranthropus/primeros humanos, y Homo floresiensis.

Referencias

Almecija, S.; Smaers, J. B. y  Jungers, W. L. (2015), «The evolution of human and ape hand proportions». Nature communications, vol. 6, p. 1-11.

Puedes leer y descargar el artículo aquí.

Tocheri, M. W., et al. (2008), «The evolutionary history of the hominin hand since the last common ancestor of «Pan» and «Homo«. Journal of Anatomy, vol. 212, núm. 4, p. 544-562.

Puedes leer y descargar el artículo aquí.

Publicado por José Luis Moreno en CIENCIA, 2 comentarios