Nanotubos de Túnel ¿Una bomba en el cerebro?

El sistema nervioso se divide en el sistema nervioso periférico y el sistema nervioso central, que en conjunto, y por medio de impulsos nerviosos y de reacciones químicas, se encargan de regular las diversas funciones de nuestro organismo, desde las más básicas hasta las más complejas.

El cerebro es el órgano principal del sistema nervioso y conocerlo a detalle es importante, ya que esto nos da la oportunidad de comprender las patologías que lo afectan y, en consecuencia, mejorar los actuales tratamientos o desarrollar nuevas terapias.

Una manera en la que podemos conocer el funcionamiento de nuestro cerebro es gracias a la comunicación celular que ocurre entre distintos tipos celulares del sistema nervioso central. Tal es el caso de los nanotubos transportadores en túnel o TNTs (tunneling nanotubes transporters).

Este mecanismo de comunicación celular fue descrito por primera vez en 2004, por Amin Rustom y sus colegas, en la revista Science.

Los TNTs podrían estar relacionados con el desarrollo de patologías neurodegenerativas como la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson y la encefalopatía espongiforme (también conocida como enfermedad de Creutzfeldt-Jakob o enfermedad de las vacas locas).

Formas de comunicación celular

Según Caire, Reddy y Varacallo en el artículo “Physiology, Synapse”, para que los procesos cerebrales puedan ocurrir, las distintas células del sistema nervioso deben mantener una comunicación estrecha. Entre las células neuronales, la comunicación sináptica es el principal proceso de comunicación. Este mecanismo puede ser clasificado en dos tipos: la sinapsis eléctrica y la sinapsis química.

En la sinapsis eléctrica la información es transmitida en forma de impulsos nerviosos (potencial de acción), a través de unos canales conocidos como uniones gap. Por otro lado, en la sinapsis química, las neuronas traducen la información eléctrica a un mensaje químico conocido como neurotransmisores, los cuales son liberados al espacio extracelular.

Como consecuencia de la liberación de los neurotransmisores, las neuronas aledañas pueden recibir una señal de inhibición o estimulación, completando así el ciclo de comunicación neuronal. 

Los astrocitos (un tipo de células gliales) tienen un lugar privilegiado, ya que están localizados muy cerca de la sinapsis química y, por ello, tienen la capacidad de responder a los neurotransmisores liberados por las neuronas.

Como ejemplo de esto, los astrocitos al detectar algunos neurotransmisores producen “ondas de calcio” (elevación de la concentración de este ion al interior de la célula), desencadenando la liberación de gliotransmisores como la D-serina y adenosina, o algunos factores de crecimiento como el factor neurotrófico derivado de la glía. 

Este mecanismo de comunicación astrocito-neurona puede promover la supervivencia y mantenimiento de las redes neuronales.

Además de la comunicación sináptica, existen otros mecanismos para transmitir mensajes entre células nerviosas. Un ejemplo son los exosomas, un tipo de vesícula extracelular que, esencialmente, son pequeñas burbujas de grasa que tanto en su interior como en su membrana pueden transportar biomoléculas como metabolitos, proteínas (enzimas y receptores) y material genético.

Los exosomas son liberados por una célula hacia el espacio extracelular, facilitando así la comunicación entre células vecinas. También tienen la característica distintiva de poder difundir (viajar) y comunicar células distantes. Si bien los exosomas son una vía eficiente de comunicación celular, tienen las desventajas de ser poco específicos y, debido a su tamaño (diámetro máximo ~150 nm = 0.000015 cm), sólo pueden transportar moléculas pequeñas.

¿Y los Nanotubos de Túnel?

En la comunicación celular, la ventaja principal de los  nanotubos transportadores (TNTs)  es que son estructuras resistentes y estables en forma de túnel formados por proteínas estructurales como la actina y microtubulina, que forman carriles que facilitan el transporte celular.

Además, poseen un recubrimiento membranoso proveniente de la membrana celular, que protege a los elementos transportados de la degradación y tienen un diámetro máximo de ~1000 nm = 0.0001 cm.

Estas características hacen que estos nanotubos sean estructuras lo suficientemente anchas y robustas como para transportar, simultáneamente y en ambos sentidos, las mismas biomoléculas que los exosomas (incluidas las proteínas), así como organelos celulares (por ejemplo, mitocondrias, retículo endoplásmico, aparato de golgi y lisosomas).

Además, a diferencia de otros tipos de comunicación celular, los TNTs participan en la comunicación directa tanto entre células de un mismo tipo celular (por ejemplo, neurona-neurona o astrocito-astrocito), como entre distintos tipos celulares (neurona-astrocitos). 

Desde su descubrimiento, estas estructuras han sido objeto de estudio para comprender el desarrollo de enfermedades de tipo inmune y neurodegenerativo. Dentro de las enfermedades neurodegenerativas, las proteinopatías se caracterizan por la presencia de proteínas mal plegadas con tendencia a la agregación y que promueven la muerte neuronal.

Como  describen los autores del artículo “Neurodegenerative Proteinopathies in the Proteoform Spectrum-Tools and Challenges”, dentro de las proteinopatías se encuentra la enfermedad de Alzheimer, en donde se agregan las proteínas ß-amiloide y Tau, la enfermedad de Parkinson provocada por la proteína α-sinucleina y la encefalopatía espongiforme (también conocida como enfermedad de Creutzfeldt-Jakob o enfermedad de las vacas locas) generada por la proteína priónica.

Los pacientes con estas enfermedades comparten la característica de desarrollar demencia, es decir, la pérdida de uno o varios dominios cognitivos: aprendizaje y memoria, lenguaje, función ejecutiva, atención compleja, perceptivo-motora, cognición social. En consecuencia, al presentar este tipo de enfermedades su calidad de vida se deteriora en gran medida.

Se ha sugerido la participación de los nanotubos de túnel en el desarrollo de las proteinopatías. En este sentido, podemos  utilizar la analogía de una bomba, en donde cada nanotubo de túnel funciona como una pequeña mecha que transporta las proteínas mal plegadas hacia una célula sana, infectando y repitiendo este proceso hasta dañar un número significativo de células.

Como resultado, se genera un estallido de procesos fisiológicos que conducen a la muerte neuronal (neurodegeneración) y a la alteración funcional del sistema nervioso central, lo que resulta finalmente en el deterioro cognitivo de los pacientes.

A lo largo de los años, los tratamientos médicos se han enfocado en disminuir y mitigar los síntomas presentes en las distintas proteinopatías. Hasta hace poco se comenzó a estudiar el papel de los nanotubos transportadores en el sistema nervioso central y en la evolución de este tipo de enfermedades.

Es importante que la comunidad científica no deje de lado a este sistema de transporte, ya que su comprensión y estudio en la propagación de proteínas dañinas podría ser clave para el desarrollo de futuros tratamientos médicos que pudieran brindar un mejor pronóstico y mayor calidad de vida a los pacientes con diagnósticos neurodegenerativos.

Referencias:

Caire, M. J., Reddy, V. y Varacallo, M. (2023). “Physiology, Synapse”. En StatPearls. StatPearls Publishing.

Noor, A., Zafar, S. y Zerr, I. (2021). “Neurodegenerative Proteinopathies in the Proteoform Spectrum-Tools and Challenges”. International journal of molecular sciences, 22(3), 1085. https://doi.org/10.3390/ijms22031085

Rustom, A., Saffrich, R., Markovic, I., Walther, P. y Gerdes, H. H. (2004). “Nanotubular highways for intercellular organelle transport”. Science, 303(5660), 1007-1010. https://doi.org/10.1126/science.1093133

Thau, L., Reddy, V. y Singh, P. (2022). “Anatomy, Central Nervous System”. En StatPearls. StatPearls Publishing.

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 *Estudiante del Laboratorio de Interacciones Neurona-Glía, Departamento de Farmacología, Centro de Investigaciones y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional.

**Dra. Citlalli Netzahualcoyotzi Piedra. Jefa del Laboratorio de Interacciones Neurona-Glía, Cinvestav. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) nivel I.

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