Biotecnología de Células Troncales y Organoides

a) Generación de organoides del tracto respiratorio (minipulmones) a partir de células troncales pluripotentes humanas: embrionarias (hESCs) e inducidas (hiPSCs).

b) Modelización de enfermedades representativas de fibrosis pulmonar de los conductos aéreos y del parénquima pulmonar mediante minipulmones: Fibrosis Pulmonar Idiopática (FPI), Fibrosis Quística (FQ), Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica (EPOC), etc.

c) Análisis del daño genómico y de la senescencia celular prematura y programada en el contexto de las enfermedades de interés. 

d) Terapias avanzadas para enfermedades fibrosantes humanas, basadas en nuevos antifibróticos pertenecientes a la superfamilia de los receptores nucleares o con dianas en las rutas de señalización del daño genómico y de la senescencia celular.

e) Modelización de enfermedades de origen infeccioso mediante minipulmones y minihígados. 

Proteómica Funcional

• Estudios sobre el metabolismo energético, función mitocondrial, dinámica mitocondrial y estrés oxidativo en modelos celulares de neurodegeneración, tanto en patologías mitocondriales como Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA) y otras enfermedades neurodegenerativas.
• Análisis de datos genómicos en pacientes con ELA, con propósitos diagnósticos y de descubrimiento de nuevos genes causativos de la enfermedad, dentro del Consorcio Internacional MinE. Estudio de asociaciones génicas e interacciones proteicas mediante distintas herramientas bioinformáticas.

Neuro-Oncología

Caracterización de la zona peritumoral de los gliomas.

En nuestros proyectos anteriores nos habíamos centrado en el núcleo tumoral de los gliomas. Sin embargo, la recurrencia de los glioblastomas agresivos se produce mayoritariamente en el margen de resección del tumor, una zona poco caracterizada que probablemente es diferente del núcleo tumoral. En colaboración con el Dr. Pérez-Núñez en el H. 12 de Octubre estamos realizando un estudio prospectivo para analizar la composición de esta zona peritumoral. Queremos cuantificar tanto las células neoplásicas como las estromales y cómo cambian tras la cirugía. Nuestro objetivo es identificar enfoques novedosos para atacar a aquellas células tumorales que son responsables de la recurrencia del tumor. Este proyecto nos ha permitido generar una cohorte de biopsias bien definidas guiadas por resonancia magnética, que están siendo analizadas por diferentes técnicas avanzadas (single-nuclei RNAseq, proteómica, inmunofluorescencia “multiplex”). Además, en colaboración con el Dr. Derek Wainwright (Loyola Univ. Chicago) estamos estudiando la relevancia del envejecimiento en el fenotipo de la zona peritumoral de los gliomas, así como el efecto de factores sistémicos (como la inflamación general o el estado de la microbiota) en la respuesta de los cerebros al crecimiento de los gliomas.

Análisis mediante immunofluorescencia de la expresión de NKG2C en la periferia (imágenes superiores) y en el centro (imágenes inferiores) tumoral de muestras de tres pacientes con glioblastoma. Figura sacada de nuestra publicación: deDios et al., J. Inmmunother. Cancer 2024.

Enfoques multidisciplinares para la optimización del tratamiento de los gliomas.

Creemos que se necesitan enfoques multidisciplinares para encontrar terapias eficaces contra los gliomas agresivos. De hecho, hemos colaborado durante varios años con el grupo de Oncología Matemática (MoLAB) de la UCLM (Universidad Castilla la Mancha), dirigido por el Dr. Víctor Pérez-García. Mediante modelos matemáticos, validados con modelos in vitro e in vivo, hemos propuesto esquemas optimizados para el tratamiento con temozolomida y radioterapia. Además, hemos iniciado una colaboración con bioingenieros (Univ. Politécnica de Madrid) y químicos (IMDEA Materiales) para diseñar y probar un dispositivo implantable para el tratamiento de GBM utilizando campos eléctricos alternos (“Tumor Treating Fields”, TTFs).

Otro importante hándicap en el tratamiento del glioma es la dificultad para atravesar la barrera hematoencefálica (“Blood Brain Barrier”, BBB) y alcanzar las células tumorales. Se han propuesto estrategias para permeabilizar selectivamente la BBB, así como el uso de nanopartículas (NPs) para mejorar la penetrancia de los distintos fármacos en los tumores gliales y que eliminen de manera selectiva las células malignas. Sin embargo, todavía no se ha llegado a mejoras en la clínica. El proyecto de colaboración que coordinamos (ReachGLIO, TRANSCAN3) proporcionará el marco preclínico necesario para desarrollar una terapia novedosa y eficaz para el GBM basada en NPs cargadas con potentes fármacos anti-glioblastoma.

Neurodegeneración asociada a gliomas: participación de la disrupción de la BBB.

Aunque las enfermedades neurodegenerativas y los gliomas parecen patologías opuestas del cerebro (una promueve la muerte celular y la otra la proliferación celular) tienen varias características en común, como hemos descrito previamente (Gargini et al., Sci. Trans. Med. 2019). La principal es que ambos tipos de enfermedades se asocian a cambios en la unidad neurovascular y en la permeabilidad de los vasos cerebrales. Nuestra hipótesis es que la alteración de la barrera hematoencefálica, típica de los gliomas agresivos, podría inducir la pérdida neuronal asociada a estos tumores. De hecho, hemos encontrado una correlación directa entre los niveles de fuga de los vasos, y la pérdida de neuronas que rodean a los tumores, asociada a un fuerte aumento de la expresión de señales inflamatorias. Estos resultados se han sometido recientemente a evaluación y abren una nueva vía a intervenciones terapéuticas para inducir la normalización vascular en gliomas, pero también en enfermedades como el Alzheimer.

Biología Computacional

• Uso de la Biología Computacional para investigación de mecanismos moleculares alterados en enfermedades crónicas (neurodegeneración y cancer) que puedan contribuir a prevenir, diagnosticar precozmente, y tratar la enfermedad de manera individualizada. 
• Búsqueda e interpretación de vías de señalización, variantes génicas y genes biomarcadores obtenidos por técnicas de secuenciación profunda y técnicas de genotipado masivo.

Endotelio Funcional

Nuestro objetivo principal es estudiar la funcionalidad del sistema endotelial como herramienta diagnóstica y terapéutica en diferentes patologías humanas principalmente del sistema respiratorio.

Líneas de investigación. (1) Contribución del sistema vascular a enfermedades pulmonares mediadas por trastornos inflamatorios o focos de fibrosis. (2) Evaluación y regulación de la transición endotelio-mesénquima e implicación patológica. (3) Efecto de la contaminación ambiental sobre la fisiología pulmonar. (4) Reprogramación endotelial hacia iPS. (5) Papel de las células endoteliales en regeneración tisular.

Regulación Génica

 Las líneas de investigación en las que nuestro equipo se halla involucrado, incluyen varios aspectos relacionados con el estudio de terapias en EM:

• En terapias que están en uso actualmente, pero que no presentan un éxito completo, como es el caso de IFN, analizamos los mecanismos por los que actúan con el fin de generar nuevo conocimiento que identifique nuevas dianas y proponer terapias alternativas de refuerzo a los efectos terapéuticos ya conocidos.

• Evaluación de terapias alternativas para EM, incluyendo ensayos preclínicos en EAE. Algunos de los tratamientos que hemos analizado como potenciales terapias han sido   inhibidores de fosfodiesterasas (PDE), células madre mesenquimales (MSC), o activadores de AMPK.

• Evaluación de la utilidad de modelos murinos modificados genéticamente, para el estudio de nuevas dianas terapéuticas. En este sentido, recientemente hemos reportado que la manipulación de la ruta de Hedgehog que modifica el curso de la enfermedad autoinmune desmielinizante. 

Regeneración Neural

La principal línea de investigación de la Unidad de Regeneración Neural es el estudio de la biología de células madre neurales y pluripotenciales, y su aplicación terapéutica en neurodesarrollo y neurodegeneración. Entendiéndose la aplicación terapéutica como obtención de modelos celulares adherentes (2D) y generación de organoides cerebrales (3D) aplicados a:

1. Investigación básica. Mejora e implementación de dichos modelos en nuestro entorno para su uso por los investigadores que lo necesiten en su experimentación (colaboraciones con investigadores de distintos centros del ISCIII y nacionales/internacionales)
2. Estudio de los mecanismos moleculares y celulares implicados en diferentes enfermedades neurológicas tanto del neurodesarrollo como neurodegenerativas (enfermedad de Alzheimer y/o Parkinson).
3. Búsqueda de nuevos biomarcadores diagnósticos y el descubrimiento de nuevas dianas terapéuticas. Cribado de compuestos/drogas para el futuro tratamiento de enfermedades neurológicas.
4. Posibles aplicaciones en terapias avanzadas (terapia de reemplazo celular y/o génica) y de medicina personalizada o de precisión.

Encefalopatías Espongiformes

Las líneas de investigación de la Unidad de Encefalopatías Espongiformes, dirigida por Miguel Calero, se enfocan, en gran medida, desde una perspectiva transversal de la neurodegeneración y su interacción con otras patologías crónicas como la disfunción vascular, el metabolismo lipídico y la inflamación, así como con enfermedades infecciosas con o sin afectación directa del sistema nervioso central. En todo caso, estas enfermedades se abordan con una clara vertiente en su potencial aplicación a la Salud Pública.

Perspectiva Etiológica Comprensiva de las Enfermedades Neurodegenerativas
Partiendo de la hipótesis de que las enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad de Alzheimer son procesos sistémicos que presentan alteraciones periféricas, y que el daño específico al sistema nervioso central es consecuencia de una mayor sensibilidad al daño de las células post-mitóticas del cerebro, nos planteamos diversas líneas de trabajos en las que se aborda el estudio de alteraciones periféricas precoces como elementos causales y potenciales biomarcadores de enfermedad. Nos planteamos el abordaje del estudio de la disfunción vascular y la inflamación y su interacción con las patologías neurodegenerativas en función de la edad. Es importante también entender las interacciones entre distintas enfermedades crónicas, así como con procesos agudos con especial atención a las infecciones e inflamación, y la interacción con contaminantes medioambientales de exposición aguda o continuada.

En estrecha relación con el objetivo anterior y como claro ejemplo de una investigación transversal e interdisciplinar, en colaboración con el grupo del Dr. de Pedro (CNE, ISCIII), nos planteamos el marco etiológico para el estudio de las enfermedades neurodegenerativas, así como las comorbilidades vasculares y metabólicas basándonos en características epidemiológicas y biológicas compartidas entre las distintas patologías. Esta línea de trabajo se extiende a la transmisión de las enfermedades por priones a través de cirugía y el estudio de la potencial infectividad de otras enfermedades neurodegenerativas. En este contexto, una línea futura de interés está relacionada con la potencial nucleación entre distintos amiloides, con especial énfasis en amiloides exógenos procedentes de bacterias u hongos, y la interacción con otros posibles moduladores de la amiloidogénesis.

Factores Genéticos de Susceptibilidad Asociados a las Enfermedades Neurodegenerativas
En este contexto, nos planteamos explorar factores genéticos de susceptibilidad compartidos y diferenciales entre distintas enfermedades neurodegenerativas. Este apartado deberá apoyarse en la colaboración con grupos nacionales e internacionales como DEGESCO y EUROCJD. Esto es especialmente importante en el estudio de patologías con baja incidencia, como la ECJ, así como en áreas de gran competencia en las que es necesario replicar los estudios con un número elevado de muestras. Uno de nuestros focos de interés es el estudio de la epistasia entre distintos factores de riesgo genético en neurodegeneración.

 En paralelo al estudio del genoma y factores genéticos, es importante estudiar los mecanismos epigenéticos de regulación génica. En concreto, nuestros objetivos  a este nivel se centran en el estudio de la regulación de la metilación de los sitios CpG y su implicación en las demencias de rápida progresión (enfermedades por priones, enfermedad de Alzheimer de progresión rápida, demencia por cuerpos de Lewy, etc.) (proyecto colaborativo CIBERNED).

Biomarcadores para el diagnóstico temprano de la enfermedad de Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas
Una de las líneas más activas se centra en la búsqueda de biomarcadores diagnósticos, pronósticos o de respuesta a tratamiento en distintas enfermedades neurodegenerativas, principalmente, enfermedades por priones y la enfermedad de Alzheimer. En el contexto del Proyecto Vallecas (dirigido actualmente por el Dr. Medina) enmarcado en el Proyecto Alzheimer de la Fundación Reina Sofía – Fundación CIEN, un objetivo importante a medio plazo es el seguimiento de la cohorte de estudio longitudinal de personas sin deterioro cognitivo o deterioro cognitivo leve al reclutamiento, en el que se buscarán marcadores biológicos, de neuroimagen y neuropsicológicos que nos permitan predecir la aparición y evolución de la enfermedad de Alzheimer antes del inicio de los síntomas clínicos, así como investigar los factores de riesgo prevenibles para incidir en la prevención de la enfermedad. Con el BT-CIEN (dirigido por el Dr. Rábano) y enmarcado también en el Proyecto Alzheimer, se estudiarán patrones patológicos de los pacientes ingresados en la Residencia, con especial énfasis en la interacción entre la patología vascular y la enfermedad de Alzheimer, a, así como la utilidad de los microRNA asociados al metabolismo lipídico como nexos potenciales entre la patología vascular y la enfermedad de Alzheimer (Proyecto concedido como co-IP junto con el Dr. Medina (CIBERNED-FCIEN) al Programa Estatal de I+D+i Orientada a los Retos de la Sociedad 2016). Asimismo, en colaboración con otros grupos y empresas de base tecnológica se colabora en el desarrollo de biomarcadores periféricos metabolómicos y proteicos.

C. elegans como modelo para el estudio de las enfermedades neurodegenerativas
En la actualidad, la Unidad se encuentra inmersa en el desarrollo de una línea de investigación emergente, centrada en el estudio de los mecanismos moleculares que subyacen a las enfermedades neurodegenerativas utilizando como modelo el nematodo C. elegans, adaptando nuestra investigación al principio de las Tres R (Reemplazo, Reducción y Refinamiento). El uso de C. elegans como sistema modelo para enfermedades humanas se ha ido extendiendo rápidamente, desde sus inicios como organismo experimental en la década de los años 70. C. elegans comparte muchos mecanismos celulares y vías moleculares conservados con los mamíferos, lo que permite estudios comparativos. Su uso proporciona varias ventajas, entre las que destacan su anatomía sencilla, su naturaleza transparente, su corta vida útil y su sencillo manejo en el laboratorio. Además, debido a su genética sencilla, es susceptible de análisis genéticos y de fármacos de alto rendimiento, lo que brinda la oportunidad de explorar mecanismos moleculares y opciones terapéuticas. Los principales componentes funcionales de la transmisión sináptica de los mamíferos se conservan en C. elegans y su red neuronal ha sido completamente cartografiada, lo que convierte a este nematodo en una poderosa herramienta para investigar los mecanismos moleculares de la neurodegeneración.

Biología Celular

a) Investigación propia:

• "Regulación funcional del activador de Ras: hSos1"
• "Señalización diferencial de las proteínas Ras"
• "Estudio sobre el mecanismo de activación de las proteínas Ras por prostaglandinas ciclopentenonas (15dPGJ2 y PGA1) y su repercusiones en el desarrollo tumoral".
• "Mecanismo de actuación molecular de las proteínas docking/scaffold: Spry/Spred y Sur8".

b) Investigación en colaboración:

• En colaboración con el grupo del Dr. Alberto Muñoz (IIB, Madrid), hemos investigado el mecanismo de actuación del agente anti-cancerígeno Plitidepsin® y el papel de Spry2 en cáncer de colon.
• En colaboración con el grupo de la Dra. Marian Martínez-Balbás (Parc Científic, Barcelona) hemos analizado los efectos de H- y N-Ras oncogénico sobre las histonas acetil-transferasas: CBP/p300.
• En colaboración con el grupo del Dr. Eugenio Santos (CIC, Salamanca), hemos estudiado la regulación funcional de Sos1 y Spry2 por el complejo COP9/Signalosoma.
• En colaboración con los grupos de los Doctores George Thomas y Ramón Salazar (ICO, IDIBELL, Barcelona), estamos investigando la relevancia de las proteínas "docking/scaffold" Spry2 y Sur8, como posibles dianas en cáncer de colon.
• En colaboración con los grupos de los Doctores Xosé Bustelo (CIC, Salamanca) y Pedro Fernández Salguero (UEX, Badajoz), estamos estudiando el papel funcional de Sur8 en la homeostasis de la piel.

Tumores Endocrinos

LÍNEAS DE INVESTIACIÓN PROPIAS

Mecanismos moleculares para mejorar la terapia en cáncer Tiroides
La principal estrategia para el tratamiento de cáncer de tiroides (y potencialmente en otros tipos de cáncer como mama) es la terapia con isótopos de radioyodo. Estos se pueden acumular y destruir la célula tumoral de forma específica y eficiente. Sin embargo, el principal problema consiste en que la molécula encargada de acumular el yodo (el transportador de yodo dependiente de sodio, NIS) no es funcional en la mayor parte de los casos. Esto ocurre por dos causas, o bien no hay expresión del mARN de NIS (en los tumores más indiferenciados), o la proteína NIS no llega a su destino en la membrana citoplasmática, y en muchos casos queda retenida en el citoplasma. El objetivo de este proyecto es determinar las moléculas que participan en el tráfico hacia la membrana y/o regulación de la proteína NIS y con ello mejorar los tratamientos en cáncer de tiroides. Las aproximaciones experimentales incluyen ensayos in vitro e in vivo. Las moléculas candidatas se analizan estudios mediante biología molecular y celular, análisis bioinformaticos, proteómica, y análisis de muestras humanas derivadas de cáncer de tiroides.

 
Identificación de Biomarcadores en cáncer de tiroides. 
El cáncer proveniente de las células foliculares del tiroides se clasifica según las células del tumor, globalmente se clasifican en cáncer diferenciado de tiroides (papilar, folicular, de células Hurthle, probremente diferenciado) y anaplásico. Se suele detectar y diagnóstica por punción/biopsia fina o por pruebas de imagen (SPECT, PET, …). La mayoría son cánceres diferenciados tienen un buen pronóstico y los tratamientos conducen a una supervivencia superior al 95% a los 5 años. No así en el anaplásico cuya supervivencia es inferior al 10%. La terapia suele consistir en cirugía y radioyodo terapia (RAI), pero es más efectiva si se administra en las etapas iniciales del tumor antes de que se disemine (metástasis), además en algunos casos son refractarios a la RAI, especialmente los anaplásicos. Un problema que ocurre en aproximadamente un 20% de los casos es la recurrencia del tumor, donde el pronóstico es mucho peor. Existen una serie de marcadores moleculares que ayudan a distinguir entre los distintos subtipos (BRAF like, RAS like, p53, etc.), pero su determinación es a posteriori del diagnóstico y tras la punción. Por lo que hay una gran necesidad de obtener marcadores iniciales de la enfermedad, incluso antes de que ocurra, o marcadores que puedan predecir la evolución de la enfermedad. El objetivo de esta línea es encontrar marcadores tumorales en cáncer de tiroides en biopsia líquida mediante proteómica de exosomas que puedan, además de detectar la enfermedad de forma temprana, poder predecir la evolución de la enfermedad, la respuesta al tratamiento, recurrencia futura, y posible metástasis.     

Mecanismos Moleculares y Terapias en Cáncer de Ovario
Las características del cáncer de ovario abarcan el desarrollo de resistencia, recurrencia de la enfermedad y mal pronóstico. Los genes que expresan las células cancerosas de ovario suponen un importante desafío para el desarrollo de fármacos, terapia, prevención y gestión de la enfermedad. Las mejoras en la terapia gracias a cirugía de citorreducción y radiación abdominal han logrado tasas de respuesta más beneficiosas, pero la mayoría de los pacientes experimenta efectos adversos y sufren recaídas. Esto convierte el cáncer de ovario en uno de los más letales. Por lo tanto, es necesario explorar terapias adicionales para reducir al mínimo los efectos adversos y prolongar el tiempo libre de progresión tumoral en pacientes con cáncer de ovario. Los trabajos precedentes del grupo han mostrado que el simportador NIS podría utilizarse como un biomarcador para diagnóstico de cáncer de ovario en la mayoría de los subtipos tumorales e incluso en etapas iniciales del tumor. Los objetivos de esta línea de investigación son: 1) Analizar los mecanismos moleculares, tanto de regulación trancripcional como de tráfico de la proteína NIS, en la progresión tumoral. Esto nos ayudará a mejorar tratamientos no sólo en cáncer de ovario, sino también otros que comparten la firma genética de NIS como son los de tiroides y mama. 2) Determinar si es posible el tratamiento con radioyodo a través de NIS de los tumores de ovario mediante uso de modelos animales ortotópicos y transgénicos. Esto permitiría implementar en la clínica una terapia ampliamente conocida en el tratamiento anti-tumoral del cáncer de tiroides, donde se ha definido como una de las mejores terapias anti-tumorales tanto por su eficacia como por su reducido número de efectos secundarios. Además, nuestros resultados mejorarían considerablemente la lucha contra esta patología.

 
Investigación de la Disrupción endocrina y los Impactos en la Salud de la Exposición a contaminantes emergentes (Nanoplásticos y análogos de BPA). En colaboración con las Dras. Mónica Torres y Ana Cañas del CNSA.
La dependencia de la sociedad moderna en los plásticos ha aumentado significativamente, generando residuos que persisten en el medio ambiente durante siglos. La degradación de estos plásticos produce microplásticos (MP) y nanoplásticos (NP), de tamaños entre 0,001 y 5 milímetros y menores a 0,001 milímetros respectivamente. Estos contaminantes se encuentran en diversos entornos naturales y en órganos humanos, indicando una amplia exposición a través del agua contaminada, alimentos envasados, aire y cosméticos. Estas partículas se han detectado en la sangre, placenta y tracto intestinal humanos, aunque sus efectos en la salud no están completamente claros. En estudios con animales, se ha demostrado que los NP pueden atravesar barreras biológicas, provocando respuestas inmunes, problemas de fertilidad, inflamación intestinal y alteraciones comportamentales, especialmente con exposición durante la gestación.

El Bisfenol A (BPA), un compuesto usado en la fabricación de plásticos y resinas, se encuentra en productos como botellas, envases de alimentos y utensilios de cocina. BPA puede imitar hormonas clave como el estrógeno y las tiroideas, interfiriendo con el sistema endocrino y causando efectos adversos, especialmente durante la infancia y el embarazo. La exposición al BPA se ha vinculado con problemas reproductivos, anormalidades en el desarrollo cerebral, enfermedades cardiovasculares, diabetes y cáncer. Aunque se han implementado regulaciones para limitar el uso del BPA, análogos como el Bisfenol S (BPS) y el Bisfenol F (BPF) también presentan riesgos similares de toxicidad y efectos hormonales.
El objetivo de esta línea de investigación es dilucidar los mecanismos detrás de los efectos en la salud y el sistema endocrino de los NP y los análogos del BPA, utilizando modelos in vitro e in vivo. El objetivo es identificar las alteraciones endocrinas a nivel molecular y sus implicaciones para la salud humana, abordando el problema de manera multidisciplinar y evaluando el riesgo para mejorar la salud pública y ambiental.

Métodos alternativos a la experimentación animal.

• La unidad de Tumores Endocrinos participa en la validación de métodos alternativos a la experimentación animal a través de la red europea de laboratorios NETVAL (Red de Laboratorios de la Unión Europea para la Validación de Métodos Alternativos. En concreto en métodos centrados a la disrupción del metabolismo de las hormonas tiroideas.
• Búsqueda de Nuevos métodos Alternativos a la experimentación animal a través de subproyectos dentro del proyecto europeo H2020 europeo PARC (Programa de Evaluación y Reducción de Contaminantes) que es un programa dedicado a evaluar y reducir la presencia e impacto de contaminantes en el medio ambiente y la salud humana.

LINEAS DE INVESTIGACIÓN EN COLABORACIÓN

• Terapias Avanzadas para el tratamiento anti-tumoral con Nanopartículas, Exosomas y Células Mesenquimales. Colaboración con la Dra. Pilar Martín-Duque (Instituto de Salud de Aragón y el ISCIII).
• Nuevas drogas con capacidad antitumoral y su aplicación a través de Nanopartículas. Colaboración con el Dr. Rafael García Muñoz (Universidad Rey Juan Carlos, URJC).
• Mecanismos moleculares que conectan la diabetes y el cáncer. Colaboración con la Dra. Custodia García Jimenez (Universidad Rey Juan Carlos, URJC).
• Nuevos marcadores moleculares en cáncer de tiroides. Colaboración con el Dr. Garcilaso Riesco Eizaguirre (Hospital Universitario de Móstoles y Universidad Francisco de Vitoria, UFV).
• Identificación y papel funcional en mutaciones de NIS que dan lugar a hipotiroidismo congénito. Colaboración con el Dr. José Carlos Moreno (Hospital Universitario la Paz, HULP).

Neurobiología del Alzheimer

• Biomarcadores de la enfermedad de Alzheimer en muestras biológicas poco invasivas.
• Patología molecular en la enfermedad de Alzheimer ligada a procesos infecciosos e inflamatorios.
• Mecanismos de neurodegeneración, neuroprotección, diseño de nuevas terapias y ensayo de drogas en modelos experimentales.

Neuro-Inflamación

Estudio y caracterización de células mieloides cerebrales en el proceso de Neuro-Inflamación

Hasta hace poco, se pensaba que el cerebro era un órgano inmunoprivilegiado, sin participación del sistema inmune. Actualmente, se sabe que las células inmunes influyen en la fisiología cerebral en la salud y en la enfermedad. Existen diversas células mieloides en el cerebro, como microglía y macrófagos, con funciones aún no completamente entendidas en el que la Unidad de Neuroinflamación ha estado trabajando en los últimos años. Hemos contribuido a la descripción de un subtipo de células dendríticas cerebrales, cuyo papel y origen no está completamente definido,  y que ha sido la base de los siguientes estudios (DOI: https://doi.org/10.1002/glia.22889. 2015;  https://doi.org/10.1126/science.aan8423. 2018; https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108291. 2020). 
En estos momentos, estamos analizando los resultados obtenidos mediante la tecnológia de single cell RNA (scRNA), la extensa complejidad y el fenotipo de las células procedentes de cerebro de ratón, y su progression una vez extraidas de su microambiente natural (en preparación). 

Papel de las células gliales del cerebro en respuesta a daños de distintas etiologías

Nuestro estudio publicado en Scientific Reports (https://10.1038/s41598-019-45731-w. 2019), muestra el papel de la proteína NFATc3 en el control del crecimiento tumoral en modelos de glioblastoma. El glioblastoma es un tipo agresivo de cáncer con una baja tasa de supervivencia. Mostramos, que el factor de transcripción NFATc3 regula la expresión de citoquinas asociadas a la proliferación tumoral. Aunque la ruta de señalización de NFAT ha sido estudiada, los inhibidores actuales tienen muchos efectos secundarios. La investigación en esta área es crucial para desarrollar terapias más eficaces y nuestro grupo, junto a nuestros colaboradores, han descrito el papel de esta ruta de señalización en distintos tipos celulares del cerebro: (https://doi.org/10.1002/glia.22494; https://doi.org/10.1074/jbc.M506205200; https://doi.org/10.1002/glia.22797; https://doi.org/10.1002/glia.21079). 
El papel de las células en la isquemia cerebral, nuestros resultados (https://doi.org/10.1186/1742-2094-9-48), mostraron que la lesión cerebral por isquemia/reperfusión (I/R) aumentó la expresión de la isoforma Rcan1-4, regulada por la vía Calcio/Calcineurin/NFAT, principalmente en células astrogliales. En un modelo in vitro, la disminución de oxigeno y glucosa, indujo la expresión de Rcan1-4 en astrocitos murinos. La sobreexpresión de Rcan1-4 inhibe la vía Ca/CN/NFAT, reduciendo la expresión de Cox-2. En ratones carentes del gen Rcan1, se observó mayor inflamación y volúmenes de infarto más grandes. Estos resultados sugieren un papel protector de Rcan1 en la respuesta inflamatoria al accidente cerebrovascular.
El envejecimiento y las enfermedades relacionadas con la edad son factores de riesgo importantes para el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas. La neuroinflamación (NIF), como respuesta inmune del cerebro, juega un papel importante en la degeneración asociada al envejecimiento del sistema nervioso central (SNC).
En el trabajo publicado en Journal of Neuroinflammation (https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-72160/v1. 2021), validamos un modelo de envejecimiento, el modelo SAMP8, estudiando los eventos neuroinflamatorios asociados con la edad.  Estos animales muestran cambios morfológicos en sus repertorios de células bMyC asociados a la edad, que corresponden a un aumento en la producción de citocinas proinflamatorias como IL-1β. Este aumento predispone al cerebro a una respuesta inflamatoria aumentada en respuesta a la inflamación sistémica, lo cual tiene una gran relevancia en el estudio de la inflamación crónica en el proceso neurodegenerativo.

Estudio de células de mieloides cerebrales en enfermedades neurodegenerativas

En el contexto del proyecto vigente (PID2020 (2021-2025)), estamos estudiando el papel de la microglía humana en el contexto de la enfermedad de Alzheimer. 
Para ello, es laboratorio ha dado un giro en lo que era su actividad natural, es uso de modelos animales, hacía un modelo humano de gran complejidad como son los organoides cerebrales humanos (Figura 1). 

Actualmente tenemos todos los protocolos puestos a punto y muchos análisis en proceso de análisis. Esta nueva estrategia ha ralentizado la producción científica del grupo pero en el futuro se espera se abran nuevas oportunidades. 
El objetivo final de este proyecto es estudiar APOE como un efector de transducción de señales en células de microglía humana. Los alelos de APOE, como APOE4, son el principal riesgo genético conocido para desarrollar la enfermedad de Alzheimer de inicio tardío (LOAD). El papel de APOE en el transporte y metabolismo de lípidos está bien documentado; sin embargo, hay una falta de conocimiento sobre el papel de APOE y sus alelos como efectores de transducción de señales en general y aún más escaso en la biología de la microglía. La reciente descripción de TREM2, otro factor de riesgo para la enfermedad de Alzheimer, como un receptor para APOE, junto con el aumento de estas dos moléculas en microglía específica del cerebro dañado (DAM), nos llevó a esta propuesta. Actualmente estamos realizando análisis de proteómica funcional con miembros de otros grupos de a UFIEC (R Barderas), así como análisis genómicos con resultados interesantes que reportar (Figura 2). 

Caracterización molecular, identificación y validación de biomarcadores de cáncer colorrectal

El desarrollo del cáncer colorrectal se produce durante décadas como resultado de múltiples y acumulativas alteraciones genéticas que provocan la transformación de una lesión benigna en un adenoma y finalmente en un adenocarcinoma colorrectal (la secuencia adenoma-carcinoma). Este modelo propuesto por Bert Vogelstein en los años 80 que incluía alteraciones en APC, KRAS y p53 actualmente se considera demasiado escueto y múltiples estudios sugieren que la carcinogénesis es un proceso extremadamente complejo con múltiples alteraciones genéticas adicionales en un gran número de oncogenes y genes supresores de tumores. Estas mutaciones producidas en la célula tumoral provocan por un lado alteraciones a nivel de proteína (expresión, localización, mutación, quimeras, proteínas aberrantes, sobreactivación,…) y por otro lado una respuesta inmune humoral (autoanticuerpos) frente a proteínas alteradas en los pacientes -inmunómica- durante la formación y progresión tumoral, que una vez identificadas mediante proteómica pueden servir como biomarcadores de la patología.
Los objetivos de esta línea de investigación consisten en:

i) el análisis mediante proteómica del cáncer colorrectal con el fin de encontrar proteínas alteradas durante la formación y progresión de la enfermedad,

ii) análisis inmunómico y validación de autoantígenos específicos de la enfermedad, y

iii) desarrollo de inmunoensayos que permitan la detección múltiple de autoanticuerpos y proteínas alteradas para el diagnóstico temprano del cáncer colorrectal
Responsable de la línea: Rodrigo Barderas

Identificación de biomarcadores de deterioro cognitivo y Enfermedad de Alzheimer

La enfermedad de Alzheimer (EA) es la forma más común de demencia a nivel mundial. El desarrollo de la EA puede durar más de 20 años, pasando por las fases pre-clínica (surgen los primeros cambios histopatológicos, pero no se manifiestan síntomas clínicos), prodrómica (deterioro cognitivo leve, primeros síntomas clínicos leves) y clínica (enfermedad de Alzheimer). Las dos principales marcas histopatológicas de la EA incluyen la formación de placas amiloides extracelulares por la acumulación del péptido -amiloide, y la formación de ovillos neurofibrilares intraneuronales por la acumulación de la proteína TAU hiperfosforilada.

Además, durante la progresión de la enfermedad se producen también otros cambios histopatológicos, como son pérdida sináptica, disminución de neurotransmisores específicos, inflamación o muerte neuronal. Todos estos cambios están relacionados con alteraciones en las proteínas cerebrales, a nivel de expresión, localización, activación, mutaciones o frameshifts (expresión de proteínas aberrantes).

Además, las técnicas actuales para el diagnóstico de esta enfermedad son técnicas muy invasivas, poco específicas o que permiten un diagnóstico tardío de la enfermedad, cuando los tratamientos actualmente disponibles no van a ser eficaces para frenar la enfermedad.

Por todo ello, la caracterización del contenido proteico del cerebro de estos pacientes permitiría una mejor compresión de la patología, así como de los procesos biológicos que se ven alterados durante su progresión, lo cual posibilitaría la identificación de nuevas dianas terapéuticas y, potencialmente, el desarrollo de nuevos fármacos que permitan el tratamiento temprano y eficaz de la enfermedad. 
Los objetivos de esta línea de investigación consisten en:

i) analizar el contenido proteico del cerebro de pacientes de la EA e individuos sanos para identificar proteínas alteradas durante la progresión de la enfermedad mediante proteómica cuantitativa,

ii) identificar el papel funcional y patológico de dichas proteínas y su potencial implicación en el desarrollo de la enfermedad mediante el empleo de organoides y modelos murinos de la enfermedad,

iii) identificar proteínas desreguladas en individuos con deterioro cognitivo leve que puedan ser útiles para un diagnóstico temprano de la enfermedad mediante proteómica cuantitativa, empleando plasma y PBMCs (células mononucleares de sangre periférica) de dichos individuos y personas sanas,

iv)  identificación de biomarcadores plasmáticos con una alta capacidad diagnóstica de la enfermedad que permitan su diagnóstico temprano mediante análisis sanguíneo, y

v) desarrollo de inmunoensayos que permitan la detección múltiple de autoanticuerpos y proteínas alteradas para el diagnóstico temprano de la Enfermedad de Alzheimer. 
Responsables de la línea: Ana Montero Calle y Rodrigo Barderas Manchado

Otras líneas de Investigación (en colaboración):

Responsable: Rodrigo Barderas Manchado

• Desarrollo de biosensores para la detección temprana de enfermedades crónicas con un foco especial en cáncer colorrectal y Enfermedad de Alzheimer (Dra. Susana Campuzano Ruiz, UCM).
• Caracterización proteómica de enfermedades crónicas con un alto componente inflamatorio (Dra. Ana Guzmán Aránguez, UCM).
• Obtención de anticuerpos y mimotopos mediante Phage Display para la detección de toxinas (Dra. Elena Benito Peña, UCM).
• Desarrollo de micromotores para la detección de la EA (Dr. Alberto Escarpa, UAH).
• Super-resolution analysis of protein markers: combining proteomics and super-resolution confocal microscopy (Dra. Susana Rocha, KU Leuven).
• Proteomics analyses of chronic diseases (Dra. Marta L. Mendes, Luxembourg Institute of Health).

Responsable: Pablo San Segundo Acosta

• Colaboración con la Doctora Bonnie J. Murphy, directora del laboratorio de enzimas redox y metaloproteínas del Instituto Max Planck de Biofísica, para el estudio estructural y bioquímico de NADPH oxidasas bacterianas mediante criomicroscopía electrónica y otras técnicas afines.
• Colaboración con la Doctora Bonnie J. Murphy y el profesor Seigo Shima (Max Planck Institute of Terrestrial Microbiology), para el estudio de supercomplejos metanogénicos mediante criomicroscopía.