Reina de Corazones | Noticias del MIT



Los anfibios y los humanos difieren en muchos aspectos, pero Laurie Boyer, profesora de biología y bioingeniería en el MIT, está particularmente interesada en una de esas diferencias. Ciertos tipos de anfibios y peces pueden regenerarse y curar sus corazones después de una lesión. Por el contrario, los adultos humanos que han sufrido un trauma en el corazón, como un ataque cardíaco o la exposición a ciertos medicamentos, no pueden reparar el daño. A menudo, el corazón lesionado queda con tejido cicatricial que puede provocar insuficiencia cardíaca.

Investigaciones recientes en esta área ahora indican que los ratones, e incluso los humanos, tienen cierta capacidad para reparar el corazón durante un breve período de tiempo después del nacimiento. Pero después de unos pocos días de edad, esta capacidad comienza a menguar. "El corazón tiene una capacidad muy limitada para repararse a sí mismo en respuesta a una lesión, enfermedad o envejecimiento", dice Boyer.

Alexander Auld, becario postdoctoral en el Laboratorio Boyer, estudia los mecanismos celulares clave que hacen que las células del corazón maduren y pierdan su potencial de regeneración. Específicamente, quiere comprender cómo los cardiomiocitos, las células del corazón responsables del bombeo de sangre, desarrollan la capacidad de contraerse y relajarse repetidamente. Auld prueba la función de las proteínas que sirven como señales para ensamblar la estructura del músculo cardíaco después del nacimiento. El montaje de estas estructuras coincide con la pérdida de capacidad regenerativa.

"Estoy tratando de reconstruir: ¿Cuáles son los diferentes mecanismos que hacen que los cardiomiocitos junten su aparato contráctil y dejen de dividirse?" dijo Auld. “Resolver este acertijo podría potencialmente estimular la regeneración del músculo cardíaco adulto. "

“El santo grial de la biología regenerativa sería estimular las células de su propio corazón para que se repongan”, dice Boyer, quien se unió a la facultad del MIT en 2007. “Antes de que este enfoque sea posible, necesitamos llegar a una comprensión profunda de los procesos .fundamentos que estimulan el desarrollo del corazón.

El laboratorio de Boyer está estudiando cuántas señales y genes diferentes interactúan para afectar el desarrollo del corazón. El trabajo proporcionará una mejor comprensión de cómo una regulación defectuosa puede conducir a enfermedades y también puede conducir a nuevas terapias para personas con diversas afecciones cardíacas.

Conexiones críticas

Recientemente, el laboratorio de Boyer estudió el desarrollo del corazón en personas con trisomía 21 o síndrome de Down. Cada año, 6.000 bebés nacidos en los Estados Unidos desarrollan síndrome de Down. Aproximadamente la mitad tiene defectos cardíacos. El defecto cardíaco más común en los bebés con síndrome de Down es un orificio en el centro del corazón llamado comunicación interauricular. A menudo se repara con cirugía, pero la reparación puede causar tejido cicatricial y complicaciones cardiovasculares.

Las células somáticas son las que forman el cuerpo de un organismo; se diferencian de las células sexuales, que se utilizan para la reproducción. La mayoría de las personas tienen 46 cromosomas, dispuestos en 23 pares, en las células somáticas de su cuerpo. En el 95 por ciento de los casos, el síndrome de Down ocurre cuando una persona tiene tres copias del cromosoma 21 en lugar de dos, para un total de 47 cromosomas por célula. Este es un ejemplo de aneuploidía, cuando una célula tiene un número anormal de cromosomas. Los intentos celulares de adaptarse al cromosoma adicional pueden ejercer presión sobre las células del cuerpo, incluidas las del corazón.

Alana Down Syndrome Center (ADSC) del MIT reúne a biólogos, neurocientíficos, ingenieros y otros expertos para ampliar el conocimiento sobre el síndrome de Down. ADSC se lanzó a principios de 2019, dirigido por Angelika Amon, profesora de biología y miembro del Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer, así como el codirector Li-Huei Tsai, el profesor Picower y el director del Instituto Picower para el aprendizaje y la memoria. Amon murió a los 53 años en 2020 después de luchar contra el cáncer de ovario. En el MIT, Amon había estudiado los efectos de la aneuploidía en las células.

“Durante mis maravillosas discusiones científicas y personales con Angelika, quien ha sido una inspiración para mí, quedó claro que el estudio del síndrome de Down en el contexto del desarrollo cardíaco podría, en última instancia, mejorar la vida de estas personas”, dijo Boyer.

Cambio de corazon

Para llevar a cabo su investigación, el grupo de Boyer utiliza células pluripotentes inducidas por humanos (hiPSC), obtenidas mediante la reprogramación de células somáticas. La técnica revolucionaria fue desarrollada por Sir John B. Gurdon y Shinya Yamanaka, quienes en 2012 ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por su trabajo. La reprogramación funciona convirtiendo células somáticas maduras especializadas con una función particular en células maduras especializadas con una función diferente.

El laboratorio de Boyer utiliza hiPSC de humanos adultos con síndrome de Down y las convierte en cardiomiocitos mediante la reprogramación de células somáticas. Luego, comparan estos cardiomiocitos con células reprogramadas de personas que no tienen síndrome de Down. Este trabajo les ayuda a deducir por qué el cromosoma extra en personas con síndrome de Down puede causar defectos cardíacos congénitos.

"Ahora podemos comenzar a identificar señales y genes defectuosos en las células del corazón con síndrome de Down que afectan el desarrollo del corazón", dijo Boyer. "Y con esa misma idea, también podemos descubrir cómo podríamos realmente mejorar o corregir estos defectos".

Con esta técnica, el equipo puede seguir la correlación entre aspectos del desarrollo celular de un paciente específico y su presentación clínica. La capacidad de analizar células específicas del paciente también tiene implicaciones para la medicina personalizada, dice Boyer. Por ejemplo, la piel o las células sanguíneas de un paciente, que son más fáciles de obtener, podrían convertirse en una célula madura y altamente especializada, como una célula del músculo cardíaco, y analizar su respuesta a medicamentos que posiblemente podrían dañar el corazón antes de que se desarrollen. a la clínica. Este proceso también se puede utilizar para detectar nuevas terapias que puedan mejorar los resultados de los pacientes con insuficiencia cardíaca.

Boyer presentó la investigación del grupo sobre el síndrome de Down en el Simposio de Síndrome de Down de Nueva Inglaterra, coorganizado en noviembre de 2020 por el MIT, ADSC, el Congreso de Síndrome de Down de Massachusetts y la Fundación LuMind IDSC.

Corazón de la operación

El laboratorio de Boyer emplea a estudiantes de pregrado, posgrado y posdoctorado en ingeniería, ciencias de la vida e informática; cada uno de ellos, dice Boyer, aporta experiencia y valor únicos al equipo mundial.

"Es importante para mí tener un laboratorio donde todos se sientan bienvenidos y donde sientan que pueden contribuir a estos descubrimientos fundamentales", dice Boyer.

El laboratorio de Boyer a menudo trabaja con académicos de todas las disciplinas en el MIT. "Es realmente asombroso", dice Auld. “Puede investigar un problema utilizando múltiples herramientas y perspectivas. "

Un proyecto, en asociación con George Barbastathis, profesor de ingeniería mecánica, utiliza el aprendizaje automático basado en imágenes para comprender las diferencias estructurales dentro de los cardiomiocitos cuando se manipulan las proteínas que indican el crecimiento de las células. Auld genera imágenes de alta resolución que los algoritmos de aprendizaje automático pueden analizar.

Otro proyecto, en colaboración con Ed Boyden, profesor del Departamento de Ingeniería Biológica y del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro, implica el desarrollo de nuevas tecnologías que permiten obtener imágenes de alto rendimiento de las células cardíacas. La polinización cruzada entre departamentos y áreas de especialización en el MIT, dice Boyer, a menudo la hace sentir como "una niña en una tienda de dulces".

"Es muy gratificante para mí que nuestro trabajo pueda, en última instancia, tener un impacto en la salud humana, y la capacidad de utilizar nuestros hallazgos científicos para mejorar los resultados médicos es una dirección importante para mi laboratorio", dice Boyer. "Dado el enorme talento del MIT y el entusiasmo y la voluntad de todos aquí para trabajar juntos, tenemos una oportunidad sin precedentes para resolver problemas importantes que pueden marcar una diferencia en la vida de las personas del mundo. "

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