Identification of new molecules with bioactive properties on the central nervous system

Abstract

The discovery of new molecules with therapeutic potential for neuropsychiatric diseases has fallen in the last 30 years. The few innovations are made with chemical modifications of drugs approved many years ago. Therefore, we set out for basic research that proposes novel modulatory molecules of the central nervous system (CNS). Given the difficulty of introducing molecules through the blood-brain barrier (BBB), we propose two strategies: One, to investigate human breast milk (HBM), which carries a large number of molecular signals capable of regenerating tissues, such as signalling proteins or microRNAs (miRNAs), which can be used with therapeutic potential to induce regeneration in the CNS. Two, use the research of lipid molecules derived from marine products. As they are lipids, they easily cross the BBB. In addition, the brain is 70% lipids, therefore, many pathologies due to malfunctioning of the CNS may have lipids as potential therapeutic products. Strategy 1 The development of the human brain is a long process that begins in the 3rd week of gestation and it extends at least until the age of 25. In this process, molecular and genetic events take place and they interact with the environment conferring the final structure to the brain. However, after birth and in the first 3 years of life, the main events that will cause this final development occur. If something abnormal happens then, it will be the origin of future mental disorders. We postulate that in the HBM there are genetic regulators that cause the correct brain development. Under this hypothesis, we present as objectives: Identify beneficial CNS properties in HBM. Extracting exosomes from HBM to identify new CNS regulatory proteins. Extracting exosomes from HBM to identify novel miRNAs that regulate genes involved in CNS development. Strategy 2 Supplementation with omega-3 polyunsaturated fatty acids has cardioprotective effects by modulating lipid metabolism, vascular function, membrane dynamics, and anti-inflammatory and antioxidant response. Diets enriched with fish oil increase the amount of omega-3 and derived oxidized metabolites in the brain. Lipid metabolism modulates neuronal function and it can point nutritional status to influence key tissues. Dietary fatty acids can act as signalling molecules responsible for inflammatory processes. Therefore, we set out to investigate whether lipid mediators of marine origin have bioactive potential on the CNS. We postulate that lipid mediators with potential actions on the CNS exist in marine oils. Our goals are: To develop 3D cultures with spheroids of cells from neuronal origin and glial. To investigate the action of polyunsaturated oils from marine origin in spheroids from neuronal origin. To investigate the action of polyunsaturated oils from marine origin in spheroids from glial origin. To compare the effects of marine oils on the action of oils derived from grape seed, enriched with the antioxidant Resveratrol. The methodology will consist of: Biochemical analyses of HBM and detection of anomalies. Exosome extraction from HBM and quality control. Proteomic analysis to identify regulatory proteins of CNS development. miRNA sequencing and bioinformatic analysis. Formation of spheroids with bioink of sodium alginate and chitosan for 3D culture. Cell proliferation study in spheroids. Visualization of spheroids by confocal microscopy. Strategy 1 is part of the project that our group is carrying out in collaboration with the Paediatric Service from the EOXI-Vigo and the Breast Milk Bank of Vigo. In strategy 2, we carried out the project "Polar oils of marine origin as a source of omega-3 PUFA and lipid mediators for healthy ageing: regulation of inflammation and oxidative imbalance" in collaboration with the Marine Products Chemistry Group from IIM-CSIC.

El hallazgo de nuevas moléculas con potencial terapéutico para enfermedades neuropsiquiátricas ha caído en los últimos 30 años. Las pocas innovaciones se hacen por modificación química de fármacos aprobados hace años. Así, planteamos una investigación básica que proponga novas moléculas moduladoras del sistema nervioso central (SNC). Dada la dificultad de introducir moléculas a través de la barrera hematoencefálica (BHE) proponemos dos estrategias: Una, investigar la lecha materna humana (LMH), que porta gran cantidad de señales moleculares capaces de regenerar tejidos, como proteínas señalizadoras o microRNAs (miRNAs), que pueden ser empleadas con potencial terapéutico para inducir regeneración en el SNC. Dos, usar la investigación de moléculas lipídicas derivadas de productos marinos. Los lípidos atraviesan fácilmente la BHE. Además, el cerebro es un 70% lípidos, por tanto, muchas patologías por mal funcionamiento del SNC pueden tener lípidos como potenciales productos terapéuticos. Estrategia 1 El desarrollo cerebral humano es un proceso largo que empieza en la 3ª semana de gestación y se extiende al menos hasta los 25 años. En este proceso suceden eventos moleculares y genéticos que interaccionan con el medio ambiente dando la estructura final al cerebro, pero tras el nacimiento y en los 3 primeros años de vida ocurren los principales eventos que provocarán este desarrollo final. Si algo anómalo sucede entonces, será el origen de futuros trastornos mentales. Postulamos que en la LMH hay reguladores genéticos que provocan el correcto desarrollo cerebral. Bajo esta hipótesis exponemos como objetivos: Identificar propiedades beneficiosas sobre el SNC en la LMH. Extraer exosomas de la LMH para identificas nuevas proteínas reguladoras del SNC. Extraer exosomas de la LMH para identificar nuevos miRNAs que regulen genes implicados en el desarrollo del SNC. Estrategia 2 La suplementación con ácidos grasos poliinsaturados omega-3, tiene efecto cardioprotector al modular metabolismo lipídico, función vascular, dinámicas de membrana, y respuesta antiinflamatoria y antioxidante. Dietas enriquecidas en aceite de pescado aumentan el nivel de omega-3 y metabolitos oxidados derivados en el cerebro. El metabolismo lipídico modula la función neuronal y señala al estado nutricional para influir en tejidos clave. Los ácidos grasos de la dieta pueden actuar como moléculas señalizadoras responsables de procesos inflamatorios. Así, planteamos investigar si mediadores lipídicos de origen marino tienen potencial bioactivo en el SNC. Postulamos que en los aceites marinos existen mediadores lipídicos con potenciales acciones sobre el SNC. Nuestros objetivos son: Desarrollar cultivos 3D con esferoides de origen neuronal y glía. Investigar la acción de aceites poliinsaturados de origen marino en esferoides de origen neuronal. Investigar la acción de aceites poliinsaturados de origen marino en esferoides de origen glial. Comparar el efecto de los aceites marinos sobre la acción de aceites derivados de la semilla de uva, enriquecidos con el antioxidante Resveratrol. La metodología será: Análisis bioquímico de LMH y detección de anomalías. Extracción de exosomas de LMH y control de calidad. Análisis proteómico para identificar proteínas reguladoras del desarrollo del SNC. Secuenciación de miRNAs y análisis bioinformático. Formación de esferoides con bioink de alginato sódico y quitosano para cultivo en 3D. Estudio de proliferación celular en esferoides. Visualización de esferoides por microscopía confocal. La estrategia 1 se enmarca en el proyecto en el que nuestro grupo colabora con el Servicio de Pediatría de la EOXI-Vigo y el Banco de Leche de Vigo. En la estrategia 2 realizamos el proyecto “Aceites polares de origen marino como fuente de PUFA omega-3 y mediadores lipídicos para un envejecimiento saludable: regulación de la inflamación y del desequilibrio oxidativo” en colaboración con el Grupo de Química de Productos Marinos del IIM-CSIC.

O achado de novas moléculas con potencial terapéutico para enfermidades neuropsiquiátricas caeu nos últimos 30 anos. As poucas innovacións fanse con modificacións químicas de fármacos aprobados hai anos. Polo tanto, plantexamos unha investigación básica que propoña novas moléculas moduladoras do sistema nervioso central (SNC). Dada a dificultade de introducir moléculas a través da barreira hematoencefálica (BHE) propomos dúas estratexias: Unha, investigar o leite materno humano (LMH), portador de grande cantidade de sinais moleculares capaces de rexenerar tecidos, como proteínas sinalizadoras ou microRNAs (miRNAs), que poden ser empregados con potencial terapéutico para inducir rexeneración no SNC. Dúas, empregar a investigación de moléculas lipídicas derivadas de produtos mariños. Ao seren lípidos, atravesan facilmente a BBB. Ademais, o cerebro é un 70% lípidos, polo tanto, moitas patoloxías por mal funcionamento do SNC poden ter lípidos como potenciais produtos terapéuticos. Estratexia 1 O desenvolvemento do cerebro humano é un proceso longo que comeza na 3ª semana de xestación e esténdese polo menos ata os 25 anos. Neste proceso suceden eventos moleculares e xenéticos que interaccionan co medio ambiente conferindo a estrutura final ao cerebro. Porén, tras o nacemento e nos 3 primeiros anos de vida ocorren os principais eventos que provocarán este desenvolvemento final. Se algo anómalo sucede entón, será a orixe de futuros trastornos mentais. Postulamos que no LMH hai reguladores xenéticos que provocan o correcto desenvolvemento cerebral. Baixo esta hipótese expomos como obxectivos: Identificar propiedades beneficiosas sobre o SNC no LMH. Extraer exosomas do LMH para identificas novas proteínas reguladoras do SNC. Extraer exosomas do LMH para identificar novos miRNAs que regulen xenes implicados no desenvolvemento do SNC. Estratexia 2 A suplementación con ácidos graxos poliinsaturados omega-3, ten efectos cardioprotectores ao modular metabolismo lipídico, función vascular, dinámicas da membrana, e resposta antiinflamatoria e antioxidante. Dietas enriquecidas con aceite de peixe aumentan a cantidade de omega-3 e metabolitos oxidados derivados no cerebro. O metabolismo lipídico modula a función neuronal e pode sinalar ao estado nutricional para influír en tecidos clave. Os ácidos graxos da dieta poden actuar como moléculas sinalizadoras responsables de procesos inflamatorios. Por iso, plantexamos investigar se mediadores lipídicos de orixe mariño teñen potencial bioactivo no SNC. Postulamos que nos aceites mariños existen mediadores lipídicos con potenciais accións sobre o SNC. Os nosos obxectivos son: Desenvolver cultivos 3D con esferoides de células de orixe neuronal e glía. Investigar a acción de aceites poliinsaturados de orixe mariño en esferoides de orixe neuronal. Investigar a acción de aceites poliinsaturados de orixe mariño en esferoides de orixe glial. Comparar os efectos dos aceites mariños sobre a acción de aceites derivados da semente da uva, enriquecidos co antioxidante Resveratrol. A metodoloxía consistirá en: Análises bioquímicos do LMH e detección de anomalías. Extracción de exosomas do LMH e control de calidade. Análise proteómico para identificar proteínas reguladores do desenvolvemento do SNC. Secuenciación de miRNAs e análise bioinformática. Formación de esferoides con bioink de alxinato sódico e quitosano para cultivo en 3D. Estudo de proliferación celular en esferoides. Visualización de esferoides mediante microscopía confocal. A estratexia 1 enmárcase no proxecto que o noso grupo realiza en colaboración co Servizo de Pediatría da EOXI-Vigo e o Banco de Leite de Vigo. Na estratexia 2 realizamos o proxecto “Aceites polares de orixe mariño como fonte de PUFA omega-3 e mediadores lipídicos para un envellecemento saudábel: regulación da inflamación e do desequilibrio oxidativo” en colaboración co Grupo de Química de Produtos Mariños do IIM-CSIC.