Científicos del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), ubicado en el Parque Científico de Barcelona, con investigadores de la Northwestern University, han desarrollado un nuevo enfoque que combate directamente la progresión de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer y la esclerosis lateral amiotrófica (ELA). El estudio, publicado en la revista Journal of the American Chemical Society revela un nuevo tratamiento basado en nanofibras y trehalosa, un azúcar natural de las plantas, atrapa y neutraliza las proteínas tóxicas para detener la progresión de la enfermedad. Una vez atrapadas, las proteínas tóxicas ya no pueden penetrar en las neuronas y se degradan sin causar daños.

En estas enfermedades devastadoras, las proteínas se pliegan mal y se aglutinan en torno a las células neuronales del cerebro y la médula espinal, lo que en última instancia conduce a la muerte celular. El nuevo tratamiento atrapa eficazmente las proteínas antes de que puedan agregarse en estructuras tóxicas capaces de penetrar en las neuronas. Una vez atrapadas, las proteínas se degradan sin causar daños en el organismo.

Esta estrategia de «limpieza» se probó en neuronas humanas cultivadas en laboratorio y sometidas al estrés de proteínas causantes de enfermedades. Los resultados mostraron un aumento significativo de la supervivencia de las neuronas.

«Nuestro estudio pone de relieve el apasionante potencial de los nanomateriales de ingeniería molecular para abordar el origen de las enfermedades neurodegenerativas», afirma Samuel I. Stupp, de Northwestern, uno de los autores principales de este proyecto. «En muchas de estas enfermedades, las proteínas pierden su estructura plegada funcional y se agregan para formar fibras destructivas que penetran en las neuronas y son altamente tóxicas para ellas».

«Nuestro tratamiento funciona atrapando las proteínas mal plegadas y evitando que formen agregados tóxicos en una fase temprana. Esto incluye el bloqueo de la formación de oligómeros solubles y fibras amiloides cortas, estructuras conocidas por penetrar en las neuronas y causar el mayor daño. Con la investigación continuada, creemos que este enfoque podría ralentizar significativamente la progresión de la enfermedad», comenta Zaida Álvarez, investigadora principal del grupo de Biomateriales para la Regeneración Neural del IBEC y una de las autoras principales de este proyecto.

Imagen SEM (microscopía electrónica de barrido) de nanofibras de electrones tomada en un laboratorio de la UNC. / Crédito: Deander4, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons.

Una solución recubierta de azúcar

Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), hasta 50 millones de personas en todo el mundo podrían padecer un trastorno neurodegenerativo. La mayoría de estas enfermedades se caracterizan por la acumulación de proteínas mal plegadas en el cerebro, lo que conduce a la pérdida progresiva de neuronas. Aunque los tratamientos actuales ofrecen un alivio limitado, sigue existiendo una necesidad acuciante de nuevas terapias.

Para afrontar este reto, los investigadores recurrieron a una clase de péptidos anfifílicos -con un extremo hidrofílico y otro hidrófobo- que contienen cadenas modificadas de aminoácidos. Los péptidos anfifílicos ya se utilizan en fármacos conocidos como la semaglutida u Ozempic. De hecho, los investigadores de Northwestern desarrollaron una molécula similar en 2012 que potenciaba la producción de insulina.

«La ventaja de los fármacos basados en péptidos es que se degradan en nutrientes», dijo Stupp. «Las moléculas de este novedoso concepto terapéutico se descomponen en lípidos, aminoácidos y azúcares inocuos. Eso significa que hay menos efectos secundarios adversos». Para desarrollar un péptido anfifílico para tratar enfermedades neurodegenerativas, su equipo añadió un ingrediente extra: un azúcar natural llamado trehalosa.

«La trehalosa se encuentra de forma natural en plantas, hongos e insectos», explica la primera autora de la Northwestern University, Zijun Gao. «Los protege de los cambios de temperatura, sobre todo de la deshidratación y la congelación. Otros han descubierto que la trehalosa puede proteger muchas macromoléculas biológicas, incluidas las proteínas. Así que queríamos ver si podíamos usarla para estabilizar proteínas mal plegadas».

La inestabilidad es la clave

Cuando se añadieron al agua, los péptidos anfifílicos se autoensamblaron en nanofibras recubiertas de trehalosa. Sorprendentemente, la trehalosa desestabilizó las nanofibras. Aunque parezca contradictorio, esta disminución de la estabilidad tuvo un efecto beneficioso.

Por sí mismas, las nanofibras son fuertes y ordenadas, y resistentes a la reorganización de su estructura. Esto hace más difícil que otras moléculas, como las proteínas mal plegadas, se integren en las fibras. En cambio, las fibras menos estables son más dinámicas y más propensas a encontrar proteínas tóxicas e interactuar con ellas.

«Los ensamblajes inestables de moléculas son muy reactivos», explica Samuel I Stupp. «Quieren interactuar con otras moléculas y unirse a ellas. Si las nanofibras fueran estables, ignorarían alegremente todo lo que las rodea».

En busca de estabilidad, las nanofibras se unieron a las proteínas beta-amiloides, una de las principales responsables de la enfermedad de Alzheimer. Pero las nanofibras no se limitaron a impedir que las proteínas beta-amiloides se aglutinaran, sino que además las incorporaron por completo a sus propias estructuras fibrosas, atrapándolas permanentemente en filamentos estables.

«Ya no se trata de una fibra anfifílica peptídica», explica Zijun Gao. «Si no una nueva estructura híbrida que comprende tanto el péptido anfifílico como la proteína beta-amiloide. Eso significa que las molestas proteínas beta-amiloides, que habrían formado fibras amiloides, están atrapadas. Ya no pueden penetrar en las neuronas y matarlas. Es como un equipo de limpieza de proteínas mal plegadas».

Mejorar la supervivencia de las neuronas

Para evaluar el potencial terapéutico del nuevo enfoque, los científicos realizaron pruebas de laboratorio con neuronas humanas derivadas de células madre. Los resultados mostraron que las nanofibras recubiertas de trehalosa mejoraban significativamente la supervivencia de las neuronas motoras y corticales cuando se exponían a la proteína tóxica beta-amiloide.

El novedoso método de utilizar nanofibras inestables para atrapar proteínas ofrece una vía prometedora para desarrollar terapias nuevas y eficaces contra el Alzheimer, la ELA y otras enfermedades neurodegenerativas. Al igual que los tratamientos contra el cáncer combinan múltiples terapias -como la quimioterapia y la cirugía o la terapia hormonal y la radiación-, la nanoterapia podría ser más eficaz cuando se combina con otros tratamientos.

«Nuestra terapia podría funcionar mejor si se dirige a las enfermedades en una fase temprana, antes de que las proteínas agregadas entren en las células», explica Zaida Álvarez. «Pero es difícil diagnosticar estas enfermedades en fases tempranas. Por tanto, podría combinarse con terapias dirigidas a síntomas de la enfermedad en fases posteriores. Entonces, podría ser un doble golpe».

» Artículo de referencia: Zijun Gao, Ruomeng Qiu, Dhwanit R. Dave, Palash Chandravanshi, Gisele P. Soares, Cara S. Smith, J. Alberto Ortega, Liam C. Palmer, Zaida Álvarez, and Samuel I. Stupp. Supramolecular Copolymerization of Glycopeptide Amphiphiles and Amyloid Peptides Improves Neuron Survival. Journal of the American Chemical Society (2025). doi: 10.1021/jacs.5c00105

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