Amanecer del DREADD

Traducción por Javier How

Hay pocas cosas que encuentro más satisfactorio que un buen acrónimo, y DREADD (Receptor Diseñador Exclusivamente Activado por una Droga de Diseño) tiene que ser mi favorito. El nombre es tan evocador. Siempre que pienso en DREADDs, me encuentro imaginando algún villano de Star Wars; tal vez debido a los nombres tan obvios que los villanos tenían en la trilogía precuela (el General Grievous?). Aunque sin duda tiene nombre largo, espero que quede claro que a pesar de este nombre ominoso, DREADDs son cualquier cosa menos terrible, y son en cambio una herramienta muy interesante y muy potente en la neurociencia moderna.

¿Qué es un DREADD?

Para entender lo que son los DREADDs, vamos a estudiar este acrónimo aterrador, una palabra a la vez. La DR, en el ingles, significa Receptor Diseñador. OK, esta parte parece bastante sencillo. Un receptor es una proteína que recibe señales químicas a través de la unión con otra molécula, denominada ligando. Usted puede haber oído la frase “drogas de diseño” antes, y el “Diseño” en DREADD simplemente significa que el receptor ha sido creado sintéticamente a través de la modificación de un receptor existente. Por ejemplo, Bryan Roth et al. [1] crearon un receptor de diseño mediante la expresión del receptor muscarínico humano (hM3) en miles de células de levadura. Siguiente, ellos mutaron el receptor hM3. Luego, ellos pusieron estos receptores mutantes a una prueba de detección, en el que buscaron una respuesta a un fármaco. Los científicos querían que el receptor hM3 mutante sea Exclusivamente Activado por esta droga. Por lo tanto, el receptor mutante de hM3 ya no sería capaz de unirse con su ligando nativo, acetilcolina, o con cualquiera otra neurotransmisora conocida. En su lugar, sólo la Droga Diseñadora, clozapine-N-óxido (CNO), activaría el receptor y, lo que es más, CNO fue elegido porque es completamente incapaz de unirse a cualquier receptor conocido. Para resumir, este nuevo Receptor Diseñador sería Exclusivamente Activado por una Droga Diseñadora.

Darth DREADD

Cuando se expresa el DREADD que acabo de describir, el receptor hM3 modificado, en una neurona, la actividad eléctrica de esa neurona aumentará. Si el DREADD se expresa en una región específica del cerebro, o en un tipo de célula en particular, uno pudiera administrar el CNO en el cerebro, y solo la actividad de esa región o de ese tipo de célula aumentaría. Además de la DREADD hM3 excitatorio, hoy en día hay muchos DREADDs diferentes, incluyendo DREADDs inhibitorios que disminuirán la actividad eléctrica de una neurona. En conjunto, estos DREADDs, tantos excitatorios e inhibitorios, permiten a los neurocientíficos examinar una serie de preguntas fascinantes.

Agradecido por los DREADDs

Uno de los objetivos más importantes de la neurociencia es determinar cómo las células y los circuitos neuronales regulan el comportamiento, la fisiología y la enfermedad. Los neurocientíficos pueden utilizar DREADDs para abordar estos tipos de preguntas con exquisita especificidad y control en relación con lo que estaba disponible anteriormente. Antes de los DREADDs, si un científico quería determinar si una región era importante para la memoria, tendría que lesionar o administrar un medicamento no específico para aumentar o disminuir la actividad de esa región. Aunque es más preciso en cuanto a tiempo que una lesión, un enfoque farmacológico no es preciso en cuanto al espacio – de hecho, puede dar lugar a todo tipo de efectos fuera de objetivo, ya que un fármaco típicamente va a interactuar con varios tipos o subtipos de receptores diferentes, en cualquier parte del cerebro adonde estén expresados. Esto es un problema grande en el cerebro, porque la mayoría de los receptores neuronales tienden a ser expresados en muchas regiones diferentes, tanto en el cerebro como en la periferia. Ya que los DREADDs solo se activan por CNO, los neurocientificos evitan estos problemas. Aún si uno administra la CNO sistémicamente, no se unirá a otros receptores en cualquier otro lugar en el cuerpo.

Esta precisión espacial es una bendición increíble a la investigación, permitiendo a los científicos investigar la necesidad y suficiencia de una región del cerebro por alguna conducta, respuesta fisiológica, o enfermedad. Si, por ejemplo, un DREADD inhibitorio en el corteza frontal orbital suprime comportamiento habitual (como presionar una palanca, incluso cuando no hay recompensa), el científico puede concluir que la corteza frontal orbital es necesaria para hábitos [2]. Del mismo modo, si un DREADD excitatorio se utiliza para activar las neuronas que expresan proteína-relacionada-con-Agouti (otro gran nombre), y esto causa un animal a comer, el científico puede concluir que las neuronas que expresan la proteína-relacionada-con-Agouti son suficientes para este comportamiento [3].

¿Cómo funcionan los DREADDs?

Ahora, usted puede preguntarse cómo es que estos DREADDs se pueden expresar únicamente adentro de un tipo de célula o en una región del cerebro. Un método requiere la creación de animales transgénicos que expresarán la DREADD en un determinado tipo de célula. Sin embargo, la cría de animales transgénicos requiere una gran cantidad de tiempo y dinero y, por eso, el enfoque más popular utiliza a los vectores virales. Los científicos pueden insertar el gene que codifica a un DREADD (así como una molécula fluorescente que permite a los científicos a visualizar su expresión y localización más tarde) en un virus. Esta virus se inyecta quirúrgicamente en una región del cerebro adonde va a infectar a las neuronas. Después, las neuronas van a expresar la DREADD (Figura 1). Si uno coloca el DREADD cerca de diferentes promotores, puede lograr que se expresen en células especificas (véase este post por Matt, en inglés, para una descripción más detallada).

Figura 1. En esta imagen, un gene que codifica a un DREADD excitador (como hM3) o inhibidor (como hM4) se inserta en una virus junto con el gene para una molécula fluorescente (GFP). Esta virus se inyecta quirúrgicamente en una región específica del cerebro. Después de que el animal recupera, la CNO se puede administrar, a través de inyección o por vía oral, para unirse con el DREADD. De esta manera, uno puede aumentar (hM3) o disminuir (hM4) la actividad de esa región del cerebro.

DREADDs y optogenética

Debido al hecho que DREADDs utilizan herramientas genéticas, la tecnología se refiere como chemogenetics (tecnología genética que utiliza químicas). Puede ser que estés familiarizado con la optogenética (ver artículos anteriores de Neuwrite aquí y aquí), que es el primo más popular de los chemogenetics; se refiere a tecnología genética que utiliza pulsos de luz.

Izquierda: La optogenética. Derecha: Los chemogenetics

La optogenética utiliza técnicas genéticas similares a los DREADDs, pero utiliza pulsos de luz para aumentar o disminuir la actividad de las neuronas, en vez de el CNO. Aunque los chemogenetics y la optogenética son herramientas muy poderosas que se pueden utilizar para abordar cuestiones similares, difieren en algunas maneras significativas. La optogenética tiene la ventaja de un mayor control temporal, ya que la tecnología se basa en los pulsos de luz que se mueven… a la velocidad de la luz. En contraste, los DREADDs no son tan precisos en cuanto al tiempo, ya que la CNO permanecerá en el cerebro por varias horas. Sin embargo, los DREADDs tienen la ventajas de ser mucho más fácil de usar y mucho menos invasiva. La optogenética requiere la implantación quirúrgica de fibras ópticas para la estimulación con luz, y algún tipo de dispositivo de grabación, que puede causar lesiones no deseadas. Además, el soporte de la cabeza para las fibras ópticas es bastante grande y puede interferir con algunos comportamientos delicados. Los DREADDs requieren una cirugía mucho menos invasiva o, si un animal transgénico se utiliza, ninguna cirugía. Debido a su facilidad de uso, los DREADDs son más adecuados para los estudios iniciales y exploratorios que tratan de averiguar si alguna región o tipo celular está involucrada en un comportamiento, mientras la optogenética es más adecuada para estudios posteriores que requieren más precisión.

¿Temiendo el futuro?

DREADDs son algo más que un nombre interesante. Ellos tienen un enorme potencial para ayudar a investigar y manipular los circuitos neuronales. De hecho, los DREADDs ya han contribuido a nuestra comprensión en campos bien diferentes, desde cómo algunas neuronas influyen a la discriminación visual [4], hasta los circuitos implicados en los efectos gratificantes de las drogas adictivas [5].

Número de publicaciones, por año, que utilizan DREADDs

Claramente, los DREADDs son una herramienta muy poderosa para la neurociencia pero, más que eso, tienen un gran potencial como tratamientos médicos en el futuro. Por ejemplo, un estudio reciente encontró que la inhibición de la actividad neuronal, por medio de los chemogenetics, reduce la formación de placas en roedores con la enfermedad del Alzheimer [6]. Aunque se trataba de un estudio con roedores y los tratamientos humanos son, sin duda, muchos, muchos años en el futuro, los DREADDs tienen bastante potencial como posibles agentes terapéuticos, sobre todo si se recuerda que los DREADDs se utilizaron recientemente en los primates no humanos con éxito [7]. La especificidad ofrecida por los DREADDs es una gran mejora sobre los tratamientos con drogas de hoy en día, que son tan específicas como una escopeta. La importancia de esto no puede ser exagerada, ya que permitiría tratamientos específicos, y eliminaría casi cualquier efecto secundario. La precaución es, por supuesto, justificada, ya que manipular el genoma puede tener consecuencias no deseadas y, aunque es una frase hecha, se necesitan mucha más pruebas para determinar si la tecnología DREADD se puede utilizar de forma segura y con éxito en los humanos. Aunque su potencial terapéutico es tentadora, incluso si la tecnología DREADD nunca hace el salto a los humanos, seguirá siendo una tecnología muy potente para desentrañar la increíble complejidad del cerebro.

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Referencias

[1] Armbruster, B. N., Li, X., Pausch, M. H., Herlitze, S., & Roth, B. L. (2007). Evolving the lock to fit the key to create a family of G protein-coupled receptors potently activated by an inert ligand. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 104(12), 5163–5168. http://doi.org/10.1073/pnas.0700293104

[2] Gremel, C. M., Costa R.M. 2013. Orbitofrontal and striatal circuits dynamically encode the shift between goal-directed and habitual actions. Nat. Commun. 4:2264 doi: 10.1038/ncomms3264.

[3] Krashes MJ, Koda S, ChianPing Y, Rogan SC, Adams AC, Cusher DS., Maratos-Flier E., Roth BL., Lowell BB. 2011. Rapid, reversible activation of AgRP neurons drives feeding behavior in mice. J. Clin. Investig. 121(4):1424–28

[4] Kuhlman SJ, Olivas ND, Tring E, Ikrar T, Xu X, Trachtenberg JT. 2013. A disinhibitory microcircuit initiates critical-period plasticity in the visual cortex. Nature 501:543–46

[5] Ferguson SM, Phillips PE, Roth BL, Wess J, Neumaier JF. 2013. Direct-pathway striatal neurons regulate the retention of decision-making strategies. J. Neurosci. 33:11668–76

[6] Yuan P., Grutzendler J. (2016)  Attenuation of  β-Amyloid Deposition and Neurotoxicity by Chemogenetic Modulation of Neural Activity.  The Journal of Neuroscience.  36(2): 632-641. doi: 10.1523/JNEUROSCI.2531-15.2016.

[7] Eldridge MA., Lerchner W., Saunders RC., Kaneko H., Krausz KW., Gonzales FJ., Ji B., Higuchi M., Minamimoto T., Richmond BJ.  2016. Chemogenetic disconnection of monkey orbitofrontal and rhinal cortex reversibly disrupts reward value. Nature Neuroscience. 19(1): 37-39.  doi: 10.1038/nn.4192

Imágenes:

Título de la imagen: http://faculty.sites.uci.edu/mahlerlab/research/

Vader: http://screenrant.com/wp-content/uploads/darth-vader-10-most-dangerous-star-wars-villains.jpeg

DREADD Receptor: http://www.cell.com/cms/attachment/2007958605/2030599709/gr3.jpg

Figura 1: http://www.loviclab.com/Methods

Gráfico de DREADD: http://amaprod.silverchaircdn.com/data/Journals/NEUR/934619/s_nbs150004f1.png