Restaurar la pérdida de visión relacionada con la edad mediante la reprogramación epigenética

  • El estudio de prueba de concepto representa el primer intento exitoso de revertir el reloj de envejecimiento en animales a través de la reprogramación epigenética.
  • Los científicos utilizaron genes embrionarios para reprogramar células de retinas de ratón.
  • Enfoque revertió el daño ocular inducido por glaucoma en animales.
  • El enfoque también restauró la pérdida de visión relacionada con la edad en ratones ancianos.
  • Los hechizos de trabajo prometen utilizar el mismo enfoque en otros tejidos, órganos más allá de los ojos.
  • El éxito sienta las bases para el tratamiento de diversas enfermedades humanas relacionadas con la edad.

Los científicos de la Escuela de Medicina de Harvard han restaurado con éxito la visión en ratones al hacer retroceder el reloj de las células oculares envejecidas en la retina para recuperar la función genética juvenil.

El trabajo del equipo, descrito hoy (2 de diciembre de 2020) en Naturaleza, representa la primera demostración de que es posible reprogramar de forma segura tejidos complejos, como las células nerviosas del ojo, a una edad más temprana.

Además de restablecer el reloj de envejecimiento de las células, los investigadores revirtieron con éxito la pérdida de visión en animales con una afección que imita el glaucoma humano, una de las principales causas de ceguera en todo el mundo.

El logro representa el primer intento exitoso de revertir la pérdida de visión inducida por el glaucoma, en lugar de simplemente detener su progresión, dijo el equipo. Si se replica a través de estudios adicionales, el enfoque podría allanar el camino para las terapias para promover la reparación de tejidos en varios órganos y revertir el envejecimiento y las enfermedades relacionadas con la edad en los seres humanos.

«Nuestro estudio demuestra que es posible revertir de forma segura la edad de tejidos complejos como la retina y restaurar su función biológica juvenil», dijo el autor principal David Sinclair, profesor de genética en el Instituto Blavatnik de la Facultad de Medicina de Harvard, codirector de la Paul F. Glenn Center for Biology of Aging Research en HMS y experto en envejecimiento.

Sinclair y sus colegas advierten que los hallazgos deben ser replicados en más estudios, incluso en diferentes modelos animales, antes de cualquier experimento en humanos. No obstante, añaden, los resultados ofrecen una prueba de concepto y un camino para diseñar tratamientos para una variedad de enfermedades humanas relacionadas con la edad.

“Si se afirman mediante estudios adicionales, estos hallazgos podrían ser transformadores para la atención de enfermedades de la vista relacionadas con la edad como el glaucoma y para los campos de la biología y la terapéutica médica para enfermedades en general”, dijo Sinclair.

Para su trabajo, el equipo utilizó un virus adenoasociado (AAV) como vehículo para administrar en las retinas de los ratones tres genes restauradores de la juventud (Oct4, Sox2 y Klf4) que normalmente se activan durante el desarrollo embrionario. Los tres genes, junto con un cuarto, que no se utilizó en este trabajo, se conocen colectivamente como factores de Yamanaka.

El tratamiento tuvo múltiples efectos beneficiosos sobre el ojo. Primero, promovió la regeneración nerviosa luego de una lesión del nervio óptico en ratones con nervios ópticos dañados. En segundo lugar, revirtió la pérdida de visión en animales con una afección que imitaba al glaucoma humano. Y tercero, revirtió la pérdida de visión en animales envejecidos sin glaucoma.

El enfoque del equipo se basa en una nueva teoría sobre por qué envejecemos. La mayoría de las células del cuerpo contienen lo mismo ADN moléculas pero tienen funciones muy diversas. Para lograr este grado de especialización, estas células deben leer solo genes específicos de su tipo. Esta función reguladora es competencia del epigenoma, un sistema de activación y desactivación de genes en patrones específicos sin alterar la secuencia de ADN subyacente básica del gen.

Esta teoría postula que los cambios en el epigenoma con el tiempo hacen que las células lean los genes incorrectos y funcionen mal, lo que da lugar a enfermedades del envejecimiento. Uno de los cambios más importantes en el epigenoma es la metilación del ADN, un proceso mediante el cual se agregan grupos metilo al ADN. Los patrones de metilación del ADN se establecen durante el desarrollo embrionario para producir los diversos tipos de células. Con el tiempo, los patrones juveniles de metilación del ADN se pierden y los genes dentro de las células que deberían activarse se desactivan y viceversa, lo que da como resultado una función celular deteriorada. Algunos de estos cambios de metilación del ADN son predecibles y se han utilizado para determinar la edad biológica de una célula o tejido.

Sin embargo, no está claro si la metilación del ADN genera cambios relacionados con la edad dentro de las células. En el estudio actual, los investigadores plantearon la hipótesis de que si la metilación del ADN efectivamente controla el envejecimiento, borrar algunas de sus huellas podría revertir la edad de las células dentro de los organismos vivos y restaurarlas a su estado anterior y más juvenil.

El trabajo anterior había logrado esta hazaña en células cultivadas en placas de laboratorio, pero no logró demostrar el efecto en organismos vivos.

Los nuevos hallazgos demuestran que el enfoque también podría usarse en animales.

Superar un obstáculo importante

El autor principal del estudio, Yuancheng Lu, investigador en genética en HMS y ex estudiante de doctorado en el laboratorio de Sinclair, desarrolló una terapia genética que podría revertir de manera segura la edad de las células en un animal vivo.

El trabajo de Lu se basa en el descubrimiento ganador del Premio Nobel de Shinya Yamanaka, quien identificó los cuatro factores de transcripción, Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc, que podrían borrar los marcadores epigenéticos en las células y devolver estas células a su estado embrionario primitivo desde el cual pueden convertirse en cualquier otro tipo de célula.

Los estudios posteriores, sin embargo, mostraron dos importantes reveses. Primero, cuando se usa en ratones adultos, los cuatro factores de Yamanaka también podrían inducir el crecimiento del tumor, haciendo que el enfoque sea inseguro. En segundo lugar, los factores podrían restablecer el estado celular al estado celular más primitivo, borrando así por completo la identidad de una célula.

Lu y sus colegas sortearon estos obstáculos modificando ligeramente el enfoque. Dejaron caer el gen c-Myc y entregaron solo los tres genes restantes de Yamanaka, Oct4, Sox2 y Klf4. El enfoque modificado revirtió con éxito el envejecimiento celular sin estimular el crecimiento de tumores ni perder su identidad.

Terapia genética aplicada a la regeneración del nervio óptico

En el estudio actual, los investigadores se centraron en las células del sistema nervioso central porque es la primera parte del cuerpo afectada por el envejecimiento. Después del nacimiento, la capacidad del sistema nervioso central para regenerarse disminuye rápidamente.

Para probar si la capacidad regenerativa de los animales jóvenes podría impartirse a ratones adultos, los investigadores administraron la combinación modificada de tres genes a través de un VAA en células ganglionares de la retina de ratones adultos con lesión del nervio óptico.

Para el trabajo, Lu y Sinclair se asociaron con Zhigang He, profesor de neurología y oftalmología de HMS en el Boston Children’s Hospital, que estudia la neuroregeneración del nervio óptico y la médula espinal.

El tratamiento dio como resultado un aumento de dos veces en el número de células ganglionares de la retina supervivientes después de la lesión y un aumento de cinco veces en el recrecimiento del nervio.

«Al comienzo de este proyecto, muchos de nuestros colegas dijeron que nuestro enfoque fallaría o sería demasiado peligroso para ser utilizado», dijo Lu. «Nuestros resultados sugieren que este método es seguro y podría revolucionar potencialmente el tratamiento del ojo y muchos otros órganos afectados por el envejecimiento «.

Reversión del glaucoma y la pérdida de visión relacionada con la edad

Tras los alentadores hallazgos en ratones con lesiones del nervio óptico, el equipo se asoció con colegas del Schepens Eye Research Institute of Massachusetts Eye and Ear, Bruce Ksander, profesor asociado de oftalmología de HMS, y Meredith Gregory-Ksander, profesora asistente de oftalmología de HMS. Planearon dos conjuntos de experimentos: uno para probar si el cóctel de tres genes podría restaurar la pérdida de visión debido al glaucoma y otro para ver si el enfoque podría revertir la pérdida de visión derivada del envejecimiento normal.

En un modelo de ratón de glaucoma, el tratamiento condujo a un aumento de la actividad eléctrica de las células nerviosas y un aumento notable de la agudeza visual, medida por la capacidad de los animales para ver líneas verticales en movimiento en una pantalla. Sorprendentemente, lo hizo después de que ya se había producido la pérdida de visión inducida por el glaucoma.

«Los científicos rara vez han demostrado recuperar la función visual después de la lesión», dijo Ksander. «Este nuevo enfoque, que revierte con éxito múltiples causas de pérdida de visión en ratones sin la necesidad de un trasplante de retina, representa una nueva modalidad de tratamiento en medicina regenerativa».

El tratamiento funcionó de manera similar en ratones ancianos de 12 meses con disminución de la visión debido al envejecimiento normal. Después del tratamiento de los ratones ancianos, los patrones de expresión génica y las señales eléctricas de las células del nervio óptico fueron similares a los de los ratones jóvenes y se restauró la visión. Cuando los investigadores analizaron los cambios moleculares en las células tratadas, encontraron patrones invertidos de metilación del ADN, una observación que sugiere que la metilación del ADN no es un mero marcador o un espectador en el proceso de envejecimiento, sino más bien un agente activo que lo impulsa.

“Lo que esto nos dice es que el reloj no solo representa el tiempo, es el tiempo”, dijo Sinclair. «Si retrocede las manecillas del reloj, el tiempo también retrocede».

Los investigadores dijeron que si sus hallazgos se confirman en más trabajos con animales, podrían iniciar ensayos clínicos dentro de dos años para probar la eficacia del enfoque en personas con glaucoma. Hasta ahora, los hallazgos son alentadores, dijeron los investigadores. En el estudio actual, un tratamiento de todo el cuerpo de ratones de un año con el enfoque de tres genes no mostró efectos secundarios negativos.

Referencia: 2 de diciembre de 2020, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2975-4

Otros autores del artículo incluyen a Benedikt Brommer, Xiao Tian, ​​Anitha Krishnan, Margarita Meer, Chen Wang, Daniel Vera, Qiurui Zeng, Doudou Yu, Michael Bonkowski, Jae-Hyun Yang, Songlin Zhou, Emma Hoffmann, Margarete Karg, Michael Schultz, Alice Kane, Noah Davidsohn, Ekaterina Korobkina, Karolina Chwalek, Luis Rajman, George Church, Konrad Hochedlinger, Vadim Gladyshev, Steve Horvath y Morgan Levine.

Este trabajo fue apoyado en parte por una Beca de Desarrollo y Epigenética de la Escuela de Medicina de Harvard, la Fundación Glenn para la Investigación Médica, Edward Schulak, los Institutos Nacionales de Salud (becas R01AG019719, R37AG028730, R01EY026939, R01EY021526, R01AG067782, R01GM065Y065403, R09779794403, R097797 , R24EY028767 y R21EY030276) y la Fundación St. Vincent de Paul.

Divulgaciones relevantes: David Sinclair es consultor, inventor de patentes con licencia, miembro de la junta y propietario de acciones de Iduna Therapeutics, una empresa de Life Biosciences que desarrolla terapias de reprogramación epigenética, y consultor no remunerado de Zymo Research, una empresa de herramientas epigenéticas. Yuancheng Lu, Luis Rajman y Steve Horvath son propietarios de acciones de Iduna Therapeutics. George Church y Noah Davidsohn son cofundadores de Rejuvenate Bio.