Biología (plan 1997) 2024-1

Quinto Semestre, Taller Nivel 1

2) Semestre de inicio del proyecto: 2024-1

4) Planta Docente:

Responsable: Dra. Verónica Pérez de la Cruz

Participante: Dra. Tonali Blanco Ayala.

Participante: Dra. Daniela Ramírez Ortega

5) Resumen del taller:

Desde la investigación básica podemos identificar indicadores en distintas muestras biológicas que nos brinden información específica para conocer a nivel molecular, bioquímico y celular un estado patogénico o disfuncional, o bien, la respuesta a un tratamiento farmacológico específico. La identificación de biomarcadores predictivos o de diagnóstico es particularmente relevante en el contexto de enfermedades neurodegenerativas y desórdenes psiquiátricos debido a que el diagnóstico de estos padecimientos generalmente sucede en etapas tardías en las cuales la intervención clínica o farmacológica es limitada y el daño neuronal es irreversible. En nuestro laboratorio tenemos como objetivo identificar biomarcadores metabólicos asociados a enfermedades neurodegenerativas y desórdenes psiquiátricos, así como en procesos biológicos no patológicos que incluyen al envejecimiento y la exposición a estrés. Este taller se propone como una oportunidad para que los estudiantes de biología interesados en la investigación básica con potencial traslacional sean formados en un laboratorio que 1) Los capacite para manejar equipos especializados de cuantificación de metabolitos y desarrollar técnicas bioquímicas y moleculares; 2) Instruirlos en el planteamiento de un buen diseño experimental, la escritura de proyectos de investigación así como poder identificar la viabilidad de los mismos y la resolución de problemas desde un punto de vista crítico y objetivo. El alumno se formará dentro de la investigación básica en un ambiente que incluye a investigadores experimentados, así como a jóvenes investigadores que participarán activamente en su formación y darán seguimiento puntual al avance de sus proyectos de investigación.

6) Antecedentes y perspectivas

El estudio del Sistema Nervioso Central (SNC), particularmente en mamíferos, involucra una compleja interacción a distintos niveles que incluyen al genético, molecular, celular y bioquímico. En nuestro laboratorio se desarrollan diversas líneas de investigación que están orientadas a la determinación de biomarcadores metabólicos que nos permitan describir y caracterizar aquellas alteraciones bioquímicas propias de las enfermedades neurodegenerativas y desórdenes psiquiátricos con potencial valor predictivo o de diagnóstico. Una vez identificadas estas alteraciones, contamos con distintos modelos experimentales murinos en los cuales se ponen a prueba distintas estrategias farmacológicas para reducir estas alteraciones bioquímicas que tienen un impacto visible la fisiología y en la conducta de los animales experimentales. Particularmente, nuestra investigación se centra en identificar y caracterizar los efectos de las fluctuaciones de metabolitos neuroactivos del SNC derivados del aminoácido triptófano (TRP). El metabolismo del TRP da lugar a una gran diversidad de moléculas neuroactivas entre las cuales el neurotransmisor serotonina es la más reconocida. Sin embargo, en el SNC menos del 1% del catabolismo del TRP es utilizado para la producción de serotonina; el resto (~95%) es metabolizado hacia la vía de las kinureninas (VK) (Schwarcz et al., 2012). La VK es particularmente relevante para la generación de energía celular ya que biosintetiza al cofactor enzimático nicotinamida adenina dinucleótido (NAD⁺). Además, la VK produce una serie de metabolitos neuroactivos intermediarios denominados kinureninas que han poco estudiados. La VK y las kinureninas que produce tienen una compleja relación con el proceso cognitivo, especialmente en contextos patológicos como aquellos presentes en desórdenes psiquiátricos o enfermedades neurodegenerativas. Además, las fluctuaciones de estos metabolitos - incremento o disminución- durante el neurodesarrollo han sido relacionadas con un desempeño cognitivo deficiente en adultos. Se ha caracterizado, que estos metabolitos funcionan como antagonistas o agonistas de receptores glutamatérgicos y colinérgicos; por lo que, fluctuaciones en sus niveles endógenos dentro del SNC tienen respercuciones directas en las distintas vías de neurotramisión: glutamatérgica, colinérgica, gabaérgica y dopaminérgica. Adicionalmente, nuestro laboratorio ha caracterizado el perfil antioxidante de estos metabolitos y su relevancia en la regulación redox en el cerebro bajo distintos contextos fiosiológicos. Actualmente, contamos con diversas líneas de investigación en contextos patológicos que incluyen a la Esclerosis Múltiple y la exposición a metales pesados como plomo así como en contextos fisiológicos normales como el envejecimiento, la exposición a estrés y la activación inmune materna.

Contamos con acceso tanto a muestras de pacientes como con modelos experimentales murinos en donde modelamos las principales características de cada uno de estos contextos. Somos un laboratorio de reciente creación (2019) pero que cuenta con investigadores experimentados y capacitados que han desarrollado líneas de investigación derivadas del catabolismo del TRP por más de doce años, estamos interesados en participar en la formación activa de nuevos investigadores en el campo de la neurobioquímica y la investigación traslacional -de diagnóstico y prevención- en contextos neurodegenerativos y psiquiátricos, que sean capaces de desarrollar en un futuro sus propias líneas de investigación así como de formarse experimentalmente en las técnicas especializadas para desarrollar sus proyectos.

7) Objetivos del Taller:

General: Que el alumno integre los fundamentos teóricos de la neurobioquímica del cerebro para identificar indicadores metabólicos que le permitan describir alteraciones fisiológicas específicas de contextos neuropatológicos que le permitan desarrollar y culminar un proyecto de tesis de licenciatura.

Particulares:

Nivel I

Que el alumno adquiera los fundamentos teóricos de la neurobiología y neurobioquímica del SNC. Los docentes que integran el taller proporcionarán la información teórica necesaria en sesiones que incluirán conceptos básicos de cada tema que se complementarán con la discusión de artículos científicos y de divulgación (en inglés y español).

Que el alumno conozca las bases teóricas de las distintas líneas de investigación que se desarrollan en el laboratorio. Que asista a la exposición de resultados en seminarios del grupo en donde pueda dar cuenta de cómo se desarrolla cada uno de los proyectos de investigación, el diseño experimental de los mismos, el análisis de datos, así como las limitaciones y perspectivas de cada uno de ellos.

Nivel 2

Que el alumno relacione e integre los conceptos celulares, bioquímicos, moleculares, bioinformáticos y conductuales revisados en el Nivel I.

Que el alumno adquiera los fundamentos teóricos de las técnicas aplicadas al área de la neurobioquímica y la neurobiología en distintos contextos y modelos experimentales; que reconozca la importancia de la aplicación del método científico, de la bioética y las particularidades de los modelos experimentales (in vivo e in vitro) más usados en la investigación básica. Se realizarán prácticas experimentales para introducir al alumno al trabajo experimental del laboratorio.

Al inicio de este nivel los estudiantes desarrollarán una propuesta de Proyecto de Investigación con los conocimientos obtenidos durante el Nivel I y que tendrá que estar relacionada con alguno de los proyectos vigentes en el laboratorio y el cual será supervisado por el profesor responsable de la línea de investigación.

Nivel 3

El alumno expondrá su proyecto de investigación ante el grupo de investigación de laboratorio para determinar su viabilidad experimental y la organización de los experimentos o determinaciones requeridas.

En este nivel se instruirá al alumno en el manejo de equipo y reactivos, procesamiento de muestras biológicas de pacientes y obtención de preparaciones biológicas (tejido, suero, plasma, cortes cerebrales, cultivos celulares) y manejo de animales (roedores).

Se capacitará al estudiante para la realización de técnicas experimentales del laboratorio que incluirán técnicas bioquímicas, análisis de metabolitos por cromatografía de alta afinidad, técnicas de biología molecular así como el desarrollo de paradigmas conductuales en roedores.

Los alumnos estandarizarán y desarrollarán los experimentos y técnicas específicas requeridas para el desarrollo de su proyecto de investigación, este nivel concluirá con la obtención de resultados que comprueben su pregunta de investigación. El avance en los resultados será evaluado ante el grupo del laboratorio de manera mensual para contribuir con el análisis de los resultados de cada proyecto.

Nivel 4

En este nivel se espera concluir con la obtención de los resultados correspondientes a cada proyecto de investigación. Los resultados serán analizados, procesados estadísticamente y discutidos con el docente responsable de supervisar el proyecto. Al final de este nivel se realizará la redacción de la discusión/conclusiones de cada proyecto para incorporarlo al escrito final de tesis del alumno.

8) Actividades de los alumnos y criterios de evaluación:

La evaluación contemplará lo siguiente: Nivel I y II, participación en clase (20%), evaluaciones periódicas con exámenes cortos después de cada sesión de calse (20%), presentación y discusión de artículos científicos (20%) y presentación y escrito final de su propuesta de investigación (40%). Nivel III y IV, asistencia a las prácticas experimentales (20%), informe y exposición mensual de resultados obtenidos (30%), avance de escrito de tesis (40%) y participación en seminarios de discusión de artículos científicos (10%).

9) Plan de trabajo y Temario:

Nivel I:

Anatomía general del SNC en humanos y roedores, estructura y compartamentalización.

Fundamentos bioquímicos de la neurotransmisión.

1. Bases celulares de la comunicación celular.

2. Propiedades eléctricas y canales iónicos de las neuronas .

3. La sinapsis y la transmisión sináptica.

4. Regulación redox y bioquímica de la neurotransmisión y formación de circuitos neuronales.

Neurotransmisores

1.Generalidades de los neurotransmisores.

2. Aminoácidos excitadores e inhibidores.

3. Monoaminas, acetilcolina y orexina.

4. Neuropéptidos.

Glía

1.Características celulares de astrocitos, oligondredocitos y microglías

2.Fisiología y funciones de la glía

3.Interacción celular y participación de la glía en la función sináptica y la neurotransmisión.

4.Neuropatologías relacionadas con alteraciones fisiológicas de la glía.

Enfermedades neurodegenerativas, hereditarias y desórdenes psiquiátricos

1.Enfermedad de Alzheimer

2.Enfermedad de Huntington y Parkinson

4.Esclerosis múltiple lateral y Esquizofrenia

5.Autismo y Depresión

6. Marcadores bioquímicos de enfermedades neurodegenerativas y desórdenes psiquiátricos

Modelos experimentales para la investigación

1. Modelos celulares in vitro (cultivos celulares primarios, líneas celulares, aislamiento de organelos así como homogenados y rebanadas cerebrales).

2.Modelos en roedores.

3. Manejo de animales de laboratorio: manipulación, técnicas de anestesia y administración de tratamientos (intraperitoneal, oral e intramuscular).

4. Técnicas de determinación de marcadores bioquímicos cerebrales.

5. Paradigmas conductuales para la evaluación de actividad locomotora, memoria y aprendizaje.

Nivel II:

Bases teóricas de las líneas de investigación desarrolladas en el laboratorio

· Caracterización de biomarcadores asociados a la Esclerosis Múltiple progresiva.

· Caracterización del mimetismo molecular entre agentes infecciosos y proteínas del SNC.

· Regulación redox de las alteraciones bioquímicas y conductuales características del envejecimiento.

· Efecto de los metales pesados y metaloides durante el neurodesarrollo y la lactancia en los niveles de las kinureninas y marcadores redox cerebrales así como su posible impacto en la memoria y el aprendizaje.

· Evaluación del efecto bioquímico, conductual y cognitivo del estrés gestacional en la progenie de roedores durante la etapa adulta temprana.

Fundamentos de las técnicas experimentales usadas en el laboratorio

· Obtención de muestras biológicas (tejido, suero, plasma) y disección de regiones cerebrales

· Aislamiento de células para cultivo primario

· Procesamiento de muestra biológicas para la determinación de metabolitos

· Cromatografía líquida de alta afinidad (HPLC) por detección fluorescente y electroquímica.

· Determinaciones bioquímicas asociadas a daño neuronal como la peroxidación de lípidos, cuantificación de especies reactivas del oxígeno, viabilidad celular, niveles de glutatión reducido y oxidado así como de las actividades enzimáticas asociadas a sus síntesis y degradación.

· Prueba de ELISA

· Extracción y cuantificación de proteínas

· Elestroforesis y Western Blot

· Citometría de flujo

· PCR punto final

· Evaluación de la actividad enzimática de la vía de las kinureninas.

· Inmunofluorescencia

· Cultivos celulares

· Microscopía de campo claro y fluorescente

Prácticas experimentales:

· Obtención de muestras biológicas (tejido, suero, plasma) y disección de regiones cerebrales

· Procesamiento de muestra biológicas de tejido, suero y saliva para la determinación de metabolitos y cuantificación por HPLC.

· Extracción y cuantificación de proteínas

· Evaluación de la actividad enzimática de la vía de las kinureninas

· Electroforesis y Western Blot

· Determinación de peroxidación de lípidos, cuantificación de especies reactivas del oxígeno, viabilidad celular

· Cuantificación de los niveles de glutatión reducido y oxidado en tejido cerebral y suero

Escritura de proyecto de investigación de tesis y exposición en seminario de grupo.

Nivel III

Estandarización de las técnicas experimentales requeridas para el desarrollo del proyecto de investigación.

Desarrollo de los experimentos y determinaciones para responder a su pregunta de investigación.

Exposición de avances de manera mensual, así como discusión de artículos relacionados a su proyecto de investigación en seminario de grupo.

Nivel IV

Análisis final de los datos obtenidos, exposición de resultados y escritura de tesis.

10) Bibliografía

Básica

· Purves, D., et al. (2018) Neuroscience. 6th Edition, Sinauer Associates, New York.

· Nestler, E (2020) Molecular Neuropharmacology: A foundation for clinical Neuroscience, 4th Ed. McGrawHill, New York.

· Hille, B. (2001) Ion Channels of Excitable Membranes, 3rd Ed. Sunderland, MA: Sinauer Associates.

· Eric R. Kandel, Sarah Mack, Thomas M. Jessell, James H. Schwartz, Steven A. Siegelbaum, A.J. Hudspeth (2013) Principles of Neural Science, 5th ed, McGraw Hill Professional, New York.

Complementaria

· Carpenter, M. B. and J. Sutin (1983) Human Neuroanatomy, 8th Ed. Baltimore, MD: Williams and Wilkins.

· Gibson, G. and S. Muse (2001) A Primer of Genome Science. Sunderland, MA: Sinauer Associates.

· Peters, A., S. L. Palay and H. De F. Webster (1991) The Fine Structure of the Nervous System: Neurons and Their Supporting Cells, 3rd Ed. New York: Oxford University Press.

· Schwarcz, R. (2016). Kynurenines and Glutamate. Multiple Links and Therapeutic Implications. Advances in Pharmacology. San Diego, California, EUA. (1a ed), 76, 13-37

· Schwarcz R, Bruno JP, Muchowski PJ, Wu HQ. Kynurenines in the mammalian brain: when physiology meets pathology. Nat Rev Neurosci. 2012 Jul;13(7):465-77.

· Beggiato, S., Antonelli, T., Tomasini, M. C., Tanganelli, S., Fuxe, K., Schwarcz, R., & Ferraro, L. (2013). Kynurenic acid, by targeting α7 nicotinic acetylcholine receptors, modulates extracellular GABA levels in the rat striatum in vivo. European Journal of Neuroscience, 37(9), 1470–1477.

· Beggiato,S.,Tanganelli,S.,Fuxe,K.,Antonelli,T.,Schwarcz,R., Ferraro, L. (2014). Endogenous kynurenic acid regulates extracellular GABA levels in the rat prefrontal cortex. Neuropharmacology, 82, 11–18.

· Blanco Ayala, T., Lugo Huitrón, R., Carmona Aparicio, L., Ramírez Ortega, D., González Esquivel, D., Pedraza Chaverrí, J., Pérez de la Cruz, V. (2015). Alternative kynurenic acid synthesis routes studied in the rat cerebellum. Frontiers in Cellular Neuroscience, 9, 178.

· Chess, A. C., Simoni, M. K., Alling, T. E., & Bucci, D. J. (2007). Elevations of endogenous kynurenic acid produce spatial working memory deficits. Schizophrenia Bulletin, 33(3), 797–804.

· Christen, S., Peterhans, E., & Stocker, R. (1990). Antioxidant activities of some tryptophan metabolites: possible implication for inflammatory diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 87(7), 2506–2510.

· Erhardt, S., Schwieler, L., Nilsson, L., Linderholm, K., & Engberg, G. (2007). The kynurenic acid hypothesis of schizophrenia. Physiology and Behavior, 92(1–2), 203–209.

· Fujigaki, H., Yamamoto, Y., & Saito, K. (2017). L-Tryptophan-kynurenine pathway enzymes are therapeutic target for neuropsychiatric diseases: Focus on cell type differences. Neuropharmacology, 112, 264–274.

11) Lugar e infraestructura disponible donde se impartirá el taller: Laboratorio de Neurobioquímica y conducta, Instituto Nacional de Neurología y Neurocirugía “Manuel Velasco Suárez”. El laboratorio cuenta con el acceso a la infraestructura necesaria para distintas determinaciones bioquímicas y moleculares (HPLC con detector electroquímico y de fluorescencia, lector de placas (fluorescencia y espectometría básica); en colaboración: microscopía fluorescente y de campo claro, sistemas de electroforesis y de agarosa) además de un cuarto de conducta asignado para distintos paradigmas conductuales para la evaluación de actividad locomotora, memoria y aprendizaje en roedores.

12) Número de estudiantes que se puedan incorporar anualmente: Cuatro

13) Áreas y posibles temas de elaboración de tesis

· Caracterización de biomarcadores asociados a la Esclerosis Múltiple Progresiva

· Caracterización del mimetismo molecular entre agentes infecciosos y proteínas del SNC.

· Regulación redox de las alteraciones bioquímicas y conductuales características del envejecimiento.

· Efecto de los metales pesados y metaloides durante el neurodesarrollo y la lactancia en los niveles de las kinureninas y marcadores redox cerebrales así como su posible impacto en la memoria y el aprendizaje.

· Evaluación del efecto bioquímico, conductual y cognitivo del estrés gestacional en la progenie de roedores durante la etapa adulta temprana.

14) Correo electrónico:

Responsable: Dra. Verónica Pérez de la Cruz: veped@yahoo.com.mx

Participante: Dra. Tonali Blanco Ayala: tonaliblaya@ciencias.unam.mx

Participante: Dra. Daniela Ramírez Ortega drmz_ortega@hotmail.com