Xavier Altafaj Tardío y David Soto del Cerro, Universitat de Barcelona
“Medicina personalizada para las GRINpatías, una enfermedad neuropediátrica rara“ es un proyecto de la plataforma de micromecenazgo Precipita de la Fundación española para la Ciencia y la Tecnología, FECYT. Xavier Altafaj Tardío y David Soto del Cerro (Universitat de Barcelona)
Las GRINpatías son un conjunto de condiciones neurológicas que alteran el desarrollo, formación y función del cerebro, y que a nivel clínico se manifiestan por un cuadro no-sindrómico con discapacidad intelectual, alteraciones de la actividad motora, de la conducta social y trastornos digestivos. Actualmente, se han diagnosticado unos 300 casos de pacientes -la mayoría pediátricos- portadores de mutaciones de los genes GRIN, aunque se estima que la incidencia puede ser mucho más elevada a tenor de la comorbilidad con epilepsias prematuras1-3.
¿Qué está ocurriendo?
Las mutaciones de los genes GRIN provocan una alteración de la transmisión excitatoria – mediada por el aminoácido excitador glutamato – y de las funciones que dependen de la misma. A lo largo de los últimos años, nuestro equipo de investigación ha podido demostrar la patogenicidad de determinadas mutaciones asociadas a GRINpatías. Los resultados obtenidos por nuestro grupo y otros equipos de investigación, indican que las mutaciones patogénicas de los genes GRIN provocan un cambio de la funcionalidad de los receptores NMDA. En determinados casos, las mutaciones provocan una menor función, mientras que en otros cambios la función se ve exacerbada. Ambas situaciones provocan un desequilibrio en la transmisión sináptica y consecuentemente afectan la fisiología neuronal.
El preponderante papel de los receptores NMDA en las conexiones neuronales excitatorias, provoca que una mínima variación en su secuencia de aminoácidos tenga graves consecuencias. En efecto, el 65% de las variantes descritas asociadas a GRINpatías provocan el cambio de un único amino ácido que, sin embargo, es capaz de acarrear consecuencias devastadoras (discapacidad intelectual severa, profunda hipotonía, crisis epilépticas, etc.). La severidad clínica causada por un mínimo cambio de la secuencia proteica se debe, sin lugar a dudas, a la afectación de un elemento clave de la maduración y funcionalidad de los receptores de tipo NMDA en la función cerebral.
¿Cuál es nuestro objetivo?
Dada su importancia en la función neuronal, mutaciones en genes que codifican para canales iónicos (canalopatías) y receptores para neurotransmisores producen de manera frecuente síndromes asociados con retraso mental. En las neuronas, los receptores tipo NMDA (NMDARs), que a su vez son también canales iónicos, son activados por el glutamato, que es el neurotransmisor más abundante en el cerebro. Los NMDARs son claves en la transmisión sináptica (transmisión del impulso nervioso), están involucrados en procesos de aprendizaje y en el correcto desarrollo neuronal. Los recientes avances en las técnicas de secuenciación han permitido identificar que los genes de la familia GRIN (que codifican para los receptores de tipo NMDA) son responsables de encefalopatías pediátricas severas que cursan con discapacidad intelectual, hipotonía, déficits de comunicación y alteraciones motoras. Pese a disponer de estos datos genéticos, el impacto funcional de estas variantes genéticas no es previsible y para determinar el alcance patológico de estas mutaciones es necesario llevar a cabo los estudios funcionales que hemos puesto a punto como grupo pionero a nivel mundial. El estudio de estas mutaciones en el laboratorio requiere de técnicas complejas y personal cualificado para la realización de los experimentos.
Tras años de investigación traslacional sobre las GRINpatías, hemos establecido una red de colaboración local, nacional y europea que nos permite realizar un diagnóstico molecular y el diseño de terapias personalizadas para las niñas y niños portadores de mutaciones en los genes GRIN. A día de hoy, estamos frente a la posibilidad de ofrecer esta realidad diagnóstica y terapéutica al conjunto de pacientes de esta enfermedad minoritaria, que están a la espera de recibir esta evaluación funcional. Pese a poseer el conocimiento, las herramientas moleculares y equipamientos necesarios para el desarrollo de estos estudios funcionales, necesitamos contratar personal de soporte a la investigación plenamente dedicado a los aspectos técnicos de este proyecto. Esto nos va a permitir llevar a cabo estos estudios personalizados, dentro del marco del Sistema Nacional de Salud, y sin coste para las familias de pacientes GRIN, mejorando la calidad de vida de los/las pacientes y la de sus familias que sufren de la severidad de esta patología y también del desamparo clínico y terapéutico de esta enfermedad minoritaria.
El tiempo apremia para llevar a cabo estos estudios, para su directa traslación a la práctica clínica y una intervención temprana que pueda paliar el anómalo desarrollo de las redes neuronales de los pacientes pediátricos.
¿Por qué este proyecto es singular y único?
Este proyecto surge de una iniciativa conjunta y filantrópica de diversos investigadores («Barcelona GRIN network») básicos y clínicos que tienen como objetivo el tratamiento personalizado de los pacientes que presentan mutaciones de los genes GRIN. Más allá de los resultados a corto y medio plazo que nuestra experiencia previa garantizan para los pacientes diagnosticados a día de hoy, este estudio contribuirá a un objetivo más a largo plazo en el que nuestros laboratorios están dedicando sus esfuerzos: la creación de un algoritmo predictivo que permita anticipar las consecuencias funcionales de las mutaciones de los receptores NMDA que se identifiquen en el futuro. En efecto, la expansión del diagnóstico genético de última generación a la práctica clínica va a permitir identificar el origen genético de pacientes que carecen de diagnóstico genético, entre los cuales se encuentran los pacientes con mutaciones en genes GRIN. El algoritmo predictivo que estamos desarrollando, permitirá predecir el impacto de mutaciones GRIN identificadas en un futuro, limitando la obligatoriedad de llevar a cabo estudios preclínicos para determinar el alcance de las mismas. Ello permitirá acelerar el diagnóstico molecular y acelerar el inicio de un tratamiento personalizado de los pacientes con mutaciones de los genes GRIN, atenuando de forma significativa las consecuencias negativas de un mal funcionamiento de los NMDAR mutados durante etapas críticas del desarrollo cerebral.
¿A quién beneficia este proyecto?
Inicialmente, este proyecto beneficiará a los pacientes pediátricos (estatales y europeos) que presentan mutaciones de los genes GRIN, y que cursan con encefalopatía severa. Actualmente, disponemos de un total de 30 solicitudes de diagnóstico molecular, correspondientes a 30 familias europeas que anhelan identificar el impacto funcional de las mutaciones que portan sus hijos/as. La identificación de estas consecuencias funcionales y la posterior evaluación de estrategias terapéuticas (mediante administración de fármacos y/o suplementos dietéticos sin efectos secundarios) va a permitir una directa traslación a la práctica clínica. Nuestra experiencia inicial con un número reducido de «pacientes GRIN», nos ha permitido validar la aproximación experimental propuesta en esta iniciativa. A la vez, en un estudio piloto hemos podido demostrar el beneficio de una terapia personalizada, con una notable mejora de la comunicación y de las actividades motoras de los «pacientes GRIN».
PRECIPITANDO ¿A qué se dedicará tu aportación?
Las donaciones obtenidas a través de Precipita se destinarán a la contratación de una persona para realizar la investigación propuesta. Concretamente el/la investigador/a llevará a cabo la evaluación funcional de las mutaciones de los genes GRIN de pacientes pediátricos.
Esta evaluación funcional se hace mediante experimentos de electrofisiología (patch-clamp). Mediante esta compleja técnica se puede medir la actividad funcional del receptor-canal (las corrientes iónicas que fluye a través del canal iónico, su cinética de activación e inactivación entre otros parámetros) para esclarecer si existe una hipoo hiper-funcionalidad del receptor-canal. Mediante los experimentos electrofisiológicos se puede testar el efecto de diferentes compuestos químicos o drogas moduladoras. Por ejemplo, se ensayará el compuesto D-serina, el cual tiene efecto positivo sobre los receptores NMDA hipofuncionales o compuestos derivados de la memantina, los cuales disminuyen las corrientes de receptores hiperfuncionales.
Disponemos de más de 30 mutaciones de pacientes las cuales tienen un impacto terrible sobre el desarrollo neuronal y las condiciones de vida de estos niños y sus parientes. Esto supone un esfuerzo experimental considerable para poder llevar a cabo el screening funcional de estas mutaciones. Cada una de ellas es única y debe analizarse cuidadosamente. Este trabajo de caracterización estará desempeñado por un/a investigador/a previamente formado/a en técnicas electrofisiológicas para maximizar la efectividad de nuestro estudio. Cada contribución es única y útil, puesto que permite maximizar en el número de casos estudiados, cada uno asociado a difíciles realidades familiares.
En función de la cuantía de la ayuda, se podrá ajustar la duración del contrato de la persona a cargo de los experimentos, y el número de mutaciones evaluadas será directamente proporcional a la duración del contrato. Así pues, el alcance de la financiación mínima (3.000€) permitirá contratar durante 2 meses a una persona con experiencia en electrofisiología para llevar a cabo el cribado funcional de 5 mutaciones (correspondientes a 5 pacientes). La obtención de una financiación óptima (25.000€), permitiría contratar durante un año al investigador/a especialista en electrofisiología de los receptores NMDA, cubriendo un mayor número de mutaciones de casos clínicos GRIN (estimación de unos 20-25 casos). La obtención de la financiación óptima permitiría además de completar el panel de mutaciones a estudiar (pacientes reclutados a día de hoy), sino también aportar esta evaluación funcional a los nuevos casos que se identifiquen. Asimismo, también permitiría realizar un cribado de posibles agentes terapéuticos para las diversas mutaciones estudiadas y evaluar experimentalmente el valor predictivo del algoritmo bioinformático que se desarrollará en paralelo al avance del proyecto.
En caso de superar el objetivo óptimo, se incluirán un número mayor de variantes genéticas dentro del estudio, variantes que actualmente están en lista de espera al no disponer de medios humanos para realizar los estudios pre-clínicos. Por otro lado, en caso de superar el objetivo óptimo, se podrán incluir fármacos prometedores para corregir las alteraciones de los receptores NMDA asociados a GRINpatías.
Formamos parte de algo más grande
Los impulsores de este proyecto somos dos jóvenes investigadores liderando grupos de investigación de contrastado dinamismo y sinergia. Nos une el convencimiento de que la integración de las aproximaciones experimentales y del conocimiento clínico son necesarios para el desarrollo de terapias personalizadas de la transmisión glutamatérgica. Por una parte, el grupo del Dr. Xavier Altafaj (investigador principal del Institut d’Investigació Biomèdica de Bellvitge; IDIBELL) se centra en el estudio de los mecanismos moleculares de los receptores NMDA en el marco de las enfermedades del neurodesarrollo (encefalopatías severas, síndrome de Down, síndrome de Rett). Por otro lado, el grupo liderado por el Dr. David Soto (investigador principal y profesor de la Facultad de Medicina de la Universitat de Barcelona) se centra en el estudio de las propiedades biofísicas de los receptores ionotrópicos de glutamato, mediante el uso de técnicas de electrofisiología.
Con el objetivo de determinar el alcance de las mutaciones que afectan a los receptores NMDA, ha surgido una iniciativa de medicina traslacional para las GRINpatías. Esta iniciativa, de la cual somos impulsores, cuenta con la participación de investigadores básicos y clínicos de marcado contraste internacional y compromiso hacia los pacientes con GRINpatías y sus respectivas familias. En primer lugar, contamos con la participación de la Dra. Mireia Olivella (profesora de la Universitat Pompeu Fabra) que ha desarrollado un modelo molecular que permite identificar el dominio funcional afectado por las mutaciones de los genes GRIN y predecir las posibles consecuencias biofísicas y estructurales. Por otro lado, contamos con miembros del equipo clínico neuropediátrico de la Unidad de Enfermedades Neurometabólicas del hospital infantil de Barcelona (Hospital Sant Joan de Déu). En concreto, las Dras. Àngels García Cazorla y Carme Fons, neuropediatras con amplia experiencia en enfermedades raras y casos de encefalopatías severas asociadas a mutaciones de los genes GRIN, participan activamente en este proyecto y enlazan con los genetistas y neuropediatras españoles y europeos que participan en este proyecto colaborativo.
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