Estudio del efecto de compuestos betalactámicos en modelos derivados de pacientes con ataxia espinocerebelosa tipo 3 (SCA3)

Abstract

[ES] La ataxia espinocerebelosa de tipo 3 (SCA3) o enfermedad de Machado-Joseph es la ataxia espinocerebelosa más común en todo el mundo, causada por una expansión del triplete CAG (que codifica el aminoácido glutamina) en el exón 10 del gen Ataxina-3. En la actualidad, esta enfermedad no tiene tratamiento curativo. Al igual que muchas otras enfermedades neurodegenerativas con expansiones de poliglutaminas, la SCA3 se ha asociado con un aumento de los niveles de L-glutamato extracelular en el cerebro, el cual induce un efecto excitotóxico en las neuronas que termina conduciendo a la muerte celular. Además, en este tipo de patologías se ha observado que el transportador de glutamato 1 (denominado EAAT2 en humanos y GLT-1 en roedores), principal responsable de la recaptación del L-glutamato extracelular en el sistema nervioso central (SNC), se expresa en niveles anormalmente disminuidos. Esto abre la posibilidad de desarrollar una estrategia terapéutica consistente en la estimulación de la actividad de dicho transportador, pudiendo así disminuir los niveles tóxicos de L-glutamato y, por ende, su acción excitotóxica en las neuronas.

Numerosos estudios han demostrado que algunos compuestos pertenecientes a la familia de los antibióticos betalactámicos, entre ellos el ácido clavulánico, son capaces de modular la expresión de EAAT2 y han resultado beneficiosos en varios modelos animales de enfermedades del SNC. Por esta razón, resulta de gran interés estudiar en mayor profundidad el mecanismo de acción de estos compuestos para poder emplearlos como un potencial tratamiento para la SCA3.

Dado que algunas evidencias previas habían sugerido que los fibroblastos de la piel podrían expresar también el transportador EAAT2, se propuso el uso de fibroblastos de la piel de pacientes de SCA3 como alternativa a las células neuronales, resultando un modelo mucho menos invasivo. Por ello, el primer objetivo del trabajo consistió en comprobar la expresión de EAAT2 en fibroblastos. Los resultados obtenidos demostraron no solo que los fibroblastos expresan este transportador de glutamato, sino que, además, los fibroblastos de pacientes de SCA3 expresan niveles inferiores del mismo.

El siguiente objetivo consistió en estudiar el efecto citoprotector de un antibiótico betalactámico, el ácido clavulánico, en un modelo in vitro de fibroblastos humanos. El tratamiento con ácido clavulánico favoreció la supervivencia celular de las muestras de pacientes de SCA3, logrando además aumentar la expresión del transportador EAAT2. Posteriormente, las muestras fueron sometidas a un estrés adicional con ácido L-glutámico, pero esta vez el ácido clavulánico fue incapaz de proteger a las células de la muerte celular, como había hecho previamente en condiciones basales.

[EN] Spinocerebellar Ataxia Type 3 (SCA3) or Machado-Joseph disease is the most common spinocerebellar ataxia worldwide, caused by an expansion of the CAG triplet (encoding the amino acid glutamine) in exon 10 of the Ataxin-3 gene. Currently, there is no curative treatment for SCA3. As many other neurodegenerative diseases with polyglutamine expansions, SCA3 has been associated with increased levels of extracellular L-glutamate in the brain, which induces an excitotoxic effect on neurons that ultimately leads to cell death. Moreover, in this type of pathologies, it has been observed that glutamate transporter 1 (called EAAT2 in humans and GLT-1 in rodents), the main transporter responsible for the reuptake of extracellular L-glutamate in the central nervous system (CNS), is expressed at abnormally reduced levels. This opens up the possibility of developing a therapeutic strategy consisting of stimulating the activity of this transporter, thus decreasing the toxic levels of L-glutamate and, therefore, its excitotoxic action in neurons.

Numerous studies have shown that some compounds belonging to the beta-lactam antibiotic family, including clavulanic acid, are able to modulate EAAT2 expression and have been found to be beneficial in several animal models of CNS diseases. For this reason, it is of great interest to further study the mechanism of action of these compounds, with the aim of using them as a potential treatment for SCA3.

Since some previous evidence had suggested that skin fibroblasts could also express the EAAT2 transporter, the use of skin fibroblasts from SCA3 patients was proposed as an alternative to neuronal cells, resulting in a much less invasive model. Therefore, the first objective of the project was to test EAAT2 expression in fibroblasts. The results obtained showed not only that fibroblasts express this glutamate transporter, but also that fibroblasts from SCA3 patients express decreased levels of it.

The next objective was to study the neuroprotective effect of a beta-lactam antibiotic, clavulanic acid, in an in vitro model of human fibroblasts. Treatment with clavulanic acid favored the cell survival of samples from SCA3 patients, and also increased the expression of the EAA T2 transporter . Subsequently, the samples were further stressed with L-glutamic acid, but this time, clavulanic acid was unable to protect the cells from cell death, as it had previously done under basal conditions.