Empleamos circuitos génicos activables por calor para sobreexpresar de forma controlada factores de crecimiento que estimulen los mecanismos naturales de reparación del hueso

Nuria Vilaboa, IP del grupo de Fisiopatología Ósea y Biomateriales (FIOBI-HULP) del CIBER-BBN en el Hospital La Paz
viernes, 13 de octubre de 2017

El objetivo del grupo de investigación Fisiopatología Ósea y Biomateriales (FIOBI-HULP) del CIBER-BBN en el Hospital La Paz es contribuir al progreso de la traumatología y cirugía ortopédica a través de la investigación de la respuesta biológica a nuevos biomateriales diseñados para la fabricación de dispositivos implantables. Los investigadores clínicos de este equipo realizan estudios de seguimiento a medio/largo plazo de estos dispositivos en pacientes implantados, lo que permite evaluar los resultados de las prótesis, detectar las causas de su fracaso y planificar la prevención del mismo. Por ello, las investigaciones del grupo también se dirigen hacia la generación de propuestas de modificaciones de los biomateriales en uso en implantes y dispositivos ortopédicos. Además de este campo, uno de los proyectos actuales del grupo ha permitido identificar un compuesto efectivo en una nueva estrategia de terapia antitumoral basada en la inhibición del factor de transcripción HSF1. Nuria Vilaboa repasa en esta entrevista las líneas en las que trabaja actualmente su equipo.

-¿Cuáles son las principales líneas de investigación en las que se centra el trabajo de su grupo?

-El grupo FIOBI-HULP cuenta con una sólida experiencia en estudios de citocompatibilidad que se realizan empleando un amplio abanico de técnicas de la biología celular y molecular. Las principales áreas de interés incluyen, por un lado, la comprensión de la influencia de las propiedades de los biomateriales sobre las interacciones que con ellos establecen células óseas y del sistema inmune; y, por otro, el estudio de la respuesta celular a las partículas que se originan como consecuencia del desgaste de los biomateriales en el medio biológico, con el objeto de entender mejor los fenómenos que conducen al fracaso de los implantes. Estas líneas de investigación básicas incluyen un enfoque en medicina regenerativa orientado hacia el desarrollo de una terapia avanzada de regeneración del hueso, necesaria en situaciones en que hay pérdidas de tejido masivas, debidas a resecciones tumorales, traumatismo graves, osteonecrosis, etc. Durante los últimos años y dentro de este campo se han explorado andamiajes porosos basados materiales poliméricos de origen biológico o sintético, materiales cerámicos, o combinaciones de polímeros y cerámicos.

-Otra de sus líneas se centra en el desarrollo de circuitos génicos para regular temporal y espacialmente transgenes terapéuticos, ¿a qué aplicaciones orientan esta investigación?

-El grupo ha desarrollado circuitos de expresión génica que son capaces de regular la expresión transgénica bajo un marco temporal concreto, en virtualmente cualquier localización anatómica. Los circuitos desarrollados son activados mediante un tratamiento hipertérmico localizado, que, en presencia de un ligando específico, incrementa la temperatura del interior de las células del tejido. Una vez activados, los circuitos mantienen un alto nivel de expresión transgénica durante varios días después de la activación por calor, silenciándose su actividad tras la retirada del ligando. Con la idea de generar un método de inmunización contra el virus del herpes simple de tipo I, estos circuitos se han adaptado para generar virus que replican de forma condicionada a la aplicación local del tratamiento inductor, estrategia que se está explorando en colaboración con el grupo que dirige el Prof. David Bloom en la Universidad de Florida y el Prof. Richard Voellmy (HSF Pharmaceuticals). El objetivo de FIOBI-HULP es hacer uso de los circuitos génicos para sobreexpresar factores de crecimiento durante el proceso de regeneración ósea, bajo un estricto control espacio-temporal, de forma que se estimulen eficientemente los mecanismos naturales de  reparación del tejido. 

-¿Qué resultados están obteniendo en esta vía?

-Disponemos de diferentes células madre mesenquimales transgénicas, que albergan en su genoma transgenes que codifican factores de crecimiento osteogénicos o angiogénicos bajo el control de uno de los circuitos génicos. Hemos preparado hidrogeles que contienen estas células y que se implantaron subcutáneamente en ratones a los que se aplicó el tratamiento inductor, es decir un tratamiento hipertérmico en presencia del ligando específico. Estos experimentos, realizados sumergiendo a los animales en un baño de agua, nos indicaron que era posible estimular de forma controlada en el implante la secreción de factores de crecimiento.

En colaboración con el grupo que dirige el Prof. Renny Franceschi en la Universidad de Michigan, hemos adaptado una tecnología no invasiva que utiliza ultrasonidos focalizados para elevar de forma precisa la temperatura en los andamiajes implantados y así conseguir una adecuada estimulación de la expresión transgénica. También hemos explorado el uso de nanopartículas capaces de absorber luz en la zona del espectro del infrarrojo cercano (NIR, “near infrared radiation”) y transducir dicha luz en calor. Hemos encapsulado estas nanopartículas en hidrogeles en los que también incluimos células modificadas genéticamente para expresar un factor de crecimiento bajo el control del circuito. Observamos que era posible incrementar la temperatura del hidrogel implantado en ratones irradiados con luz NIR, sin causar daño en los tejidos circundantes, y estimular la secreción del factor en los animales a los que previamente se había administrado el ligando específico. Los datos más recientes, obtenidos utilizando hidrogeles que se implantaron en un defecto óseo indican que la inducción de un factor de crecimiento osteogénico estimula el proceso de regeneración ósea. Estos datos son muy prometedores e indican que la tecnología que hemos desarrollado puede contribuir al desarrollo de protocolos eficaces en ingeniería tisular ósea y quizás también en otras áreas de la ingeniería de tejidos.

-¿Colaboran con otros grupos del CIBER en el desarrollo de esta línea de trabajo?

-Estos logros están siendo sido posibles mediante la colaboración con el grupo que dirige el Prof. Jesús Santamaría, que nos proporciona nanopartículas fototérmicas, capaces de transducir luz en calor. El grupo del Prof. Julio San Román se ha implicado en la preparación de andamiajes basados en polímeros sintéticos y el grupo que dirige el Prof. José Carlos Rodríguez-Cabello nos ha proporcionado materiales basados en polímeros biológicos. En ambos casos, se intenta optimizar las condiciones de preparación de andamiajes poliméricos que contengan nanopartículas fototérmicas. Dentro de esta línea, los cuatro grupos colaboramos en el proyecto intramural del CIBER-BBN HOT-SCAFF- Extended.

-Su grupo ha publicado recientemente un trabajo que abre la puerta a nuevas terapias antitumorales basadas en la inhibición del factor de transcripción HSF1, ¿en qué se basa esta nueva estrategia terapéutica?

-La respuesta celular a la elevación de temperatura, también conocida como respuesta de estrés, es uno de los mecanismos biológicos mejor conservados durante el proceso evolutivo. Se caracteriza por un rápido aumento en la producción de la familia de proteínas de estrés, con función protectora. El regulador maestro de la respuesta de choque térmico es el factor de transcripción HSF1, que estimula la expresión de estas proteínas. En contraste con su actividad protectora tras una elevación de la temperatura, HSF1 ha sido implicado en la generación y mantenimiento de las células tumorales. Actuando en concierto sobre muchas funciones celulares contribuye a adaptar la célula al fenotipo maligno y la hace dependiente de su función. De hecho, datos de muchos grupos de investigación indican que la supresión de la expresión de HSF1 en células tumorales disminuye drásticamente su viabilidad y, en modelos in vivo, la deficiencia en HSF1 protege de la formación de tumores inducidos a través de mecanismos clínicamente relevantes.

Dado que HSF1 es una diana atractiva de nuevos agentes antitumorales, nuestro grupo de investigación decidió embarcarse, junto con HSF Pharmaceuticals, en la búsqueda de moléculas que inhiban específicamente la actividad de este factor.

-En su trabajo apuntaban la eficacia de un compuesto que se ha demostrado viable en esta nueva estrategia de terapia antitumoral, ¿qué vías abre este descubrimiento para el desarrollo de nuevos fármacos oncológicos?

-Efectivamente, hemos identificado un compuesto de bajo peso molecular que inhibe la actividad de HSF1, y que causa la muerte de células tumorales. Creemos que partiendo de esta información, será posible identificar un compuesto con el mismo mecanismo de acción y mayor actividad y estabilidad biológica, tarea que estamos llevando a cabo. Dado que actúan en un corto periodo de tiempo, este tipo de moléculas también presentan interés académico ya que la comunidad científica interesada podrá estudiar las consecuencias del bloqueo drástico de la respuesta de estrés, lo que no es posible empleando las estrategias disponibles de manipulación genética.

-¿Sobre qué tipos de cáncer han experimentado esta nueva estrategia terapéutica?

-Hemos estudiado un panel de células tumorales humanas amplio, de muy diverso origen, sobre las cuales el tratamiento con el inhibidor que presenta mayor actividad da lugar a una disminución de la viabilidad celular. Las más sensibles al tratamiento son las células procedentes de mieloma múltiple.

-¿Qué investigación queda por hacer a partir del descubrimiento de compuesto?

-Para completar los estudios preclínicos con estas moléculas, necesitamos demostrar su capacidad para inhibir la progresión tumoral en modelos animales, la aparición de lesiones metastásicas... Además, serán necesario estudios previos de vehiculización del compuesto, de biodistribución, estudios farmacocinéticos, etc.

-Además del cáncer, ¿es la respuesta celular al calor un campo de estudio que puede dar respuestas para el tratamiento de otras patologías?

-La respuesta se genera debido a que el estímulo térmico causa fallos en el normal plegamiento de las proteínas, conduciendo a su agregación que, si el estímulo es moderado, será resuelta por la actividad de las proteínas de estrés. Por lo que el conocimiento de la respuesta celular al calor proporciona información que puede ser trasladada a patologías que se caracterizan por la presencia de agregados proteicos, como determinadas enfermedades neurodegenerativas. También resulta de interés para entender los mecanismos del proceso de envejecimiento o de evasión a infecciones virales.

-¿Cuáles considera que han sido hasta el momento los principales hitos en la trayectoria investigadora de su grupo?

-Además de la identificación de moléculas que inhiben HSF1, destacaría el desarrollo de los circuitos génicos y la laboriosa puesta a punto de la tecnología para su empleo en ingeniería tisular ósea.