• Bases moleculares de la isquemia cerebral

    INTRODUCCIÓN:

    El cerebro humano no dispone, como otros órganos, de depósitos energéticos, por ello las células del sistema nervioso central precisan un flujo sanguíneo continuo que aporte el oxigeno y glucosa necesarios para mantener su actividad metabólica; esto convierte al cerebro en un órgano especialmente vulnerable a la isquemia.

    Con la isquemia cerebral se desencadenan una serie de fenómenos que pueden llevar a la muerte celular si la isquemia es de suficiente intensidad y se prolonga el tiempo necesario. Inicialmente se produce una depleción energética y se liberan moléculas que producen excitotoxicidad y estrés oxidativo en el tejido isquémico (cascada isquémica); al mismo tiempo se pone en marcha una respuesta inflamatoria local, más prolongada en el tiempo, que puede amplificar el daño cerebral isquémico (cascada neuroinflamatoria).

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    Figura 1: Curso temporal de la expresión molecular de la isquemia cerebral. (GET): Genes de expresión temprana. (HSP): Proteínas de choque térmico.

    Estas alteraciones no se pueden contemplar de forma aislada sino en el contexto amplio de interrelación que existe entre los diferentes elementos nerviosos. Las células del sistema nervioso interactúan entre sí y con la matriz extracelular con objeto de mantener un adecuado funcionalismo. La neurona, astrocito y endotelio representan una “Unidad neurovascular” pues existe una estrecha relación entre ellos, aunque también intervienen otros tipos celulares (Del Zoppo; 2006). La “Unidad neurovascular” es un concepto que busca integrar los cambios que se producen en el tejido cerebral durante la isquemia, tales como la alteración de la barrera hematoencefálica por efecto de la activación de las metaloproteasas de matriz y los efectos que, a su vez, esta disrupción causa en los elementos de la unidad neurovascular, que analizaremos a continuación.


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    Figura 2 a y figura 2 b: Efectos de la excitotoxicidad e inflamación en la unidad Neurovascular. (MMP-9): metaloproteasa de matriz 9

     

    LA CASCADA ISQUÉMICA

    Durante la isquemia cerebral cesa la producción celular de energía, con reducción de los niveles celulares de ATP y fosfocreatina. El fallo energético condiciona una despolarización de membrana, cuyo potencial depende de las bombas intercambiadoras de iones que, para mantener la homeostasis iónica, precisan ATP.

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    Figura 3: Producción de radicales libres en la isquemia cerebral. (PLA2): Fosfolipasa A 2. (COX-2): Ciclooxigenasa 2


    -La entrada masiva de calcio al interior celular:

    Entre otros efectos, la despolarización anóxica determina un flujo de calcio extracelular al interior de la célula, pero también la movilización del calcio que se encuentra en el retículo endoplásmico hacia el citosol. Además la acidosis láctica provocada por el metabolismo anaeróbico de la glucosa desplaza el calcio de su unión a proteínas intracelulares, aumentando aún más la concentración de calcio libre intracelular (Torregrosa et al; 2007).

    El aumento en la concentración intracelular de calcio ha demostrado ser decisivo en el proceso de daño celular pues induce los siguientes fenómenos:

    -1) La liberación de neurotransmisores como el glutamato, responsable en gran parte de los fenómenos de excitotoxicidad, con síntesis y liberación de radicales libres en el tejido cerebral isquémico.

    -2) Inhibe la producción de energía (ATP).

    -3) Activa enzimas que intervienen en la degradación de proteínas, ácidos nucleicos y fosfolípidos.

     

    -La excitotoxicidad del glutamato:

    La despolarización que ocurre durante la isquemia cerebral induce por si misma liberación de neurotransmisores. De todos los neurotransmisores liberados durante la cascada isquémica el glutamato es el que juega un papel más importante por su toxicidad sobre las neuronas. El glutamato actúa, por un lado, sobre sus receptores -principalmente del tipo NMDA y AMPA- desplazando el magnesio que, en situación de reposo, actúa bloqueando el paso de otros iones; de este modo se abre una nueva vía que permite el paso de iones calcio al interior de la célula.

    El glutamato también induce la formación de radicales libres y especies reactivas del oxigeno (ROS). Radicales libres como el oxido nítrico (NO) y especies reactivas del oxigeno (ROS) tienen, en condiciones normales, funciones fisiológicas; de hecho a nivel cerebral el NO actúa como segundo mensajero y provoca vasodilatación arteriolar cuando actúa sobre los vasos sanguíneos.

    El NO se sintetiza a partir de la L-arginina gracias a la acción de la enzima oxido nítrico sintasa (NOS), de la cual se conocen tres isoformas: forma neuronal (nNOS), forma endotelial (eNOS) y forma inducible (iNOS). El NO tiene una vida media muy corta y, en condiciones normales, las pequeñas cantidades producidas son metabolizadas por mecanismos enzimáticos (superoxido dismutasa, catalasa y glutatión peroxidasa) y mecanismos no enzimáticos como las vitaminas C y E y la glutatión; de modo que existe un equilibrio entre los radicales que se producen y los que son eliminados Torregrosa et al; 2007).

    Durante la isquemia cerebral se producen concentraciones anormalmente elevadas de estas sustancias oxidantes, entre las que se encuentran el anión superóxido (O2-), el radical hidroxilo (OH), el óxido nítrico (NO) y el anión peroxinitrito (ONOO-); todas ellas implicadas en el daño neuronal que ocurre durante la isquemia; si bien el O2- se considera el agente oxidante más importante, pues causa daño cerebral directamente y por reactividad con el NO, al generarse ONOO-.

    La actividad de las isoformas neuronal (nNOS) y endotelial (eNOS) de la NOS, localizadas en neuronas y células endoteliales respectivamente, está regulada por el calcio. Su activación durante la isquemia cerebral ocurre principalmente en las fases iniciales.
    La isoforma inducible (iNOS) se ha identificado en diferentes tipos celulares del sistema nervioso como astroglía, microglía, neuronas, células del músculo liso y endotelio vascular y también en los neutrófilos infiltrados en el tejido cerebral isquémico (Torregrosa et al; 2007). Esta isoforma es inducida por mediadores inflamatorios y es independiente del calcio, y provoca, de forma retardada, incrementos significativos en la concentración de NO en el área isquémica que contribuyen de forma importante a la progresión del daño cerebral.

    Los efectos nocivos de los radicales libres liberados en el tejido cerebral isquémico serían los siguientes:

     - El NO producido en grandes cantidades reacciona con el O2-, dando lugar al anión peroxinitrito (ONOO-), que es muy tóxico por su alta capacidad oxidante, produciendo entre otros efectos peroxidación lipídica, nitración de grupos tirosina, oxidación y nitrosilación de grupos sulfidrilo y rotura del ADN (Hurtado et al, 2007).

    - El NO también inhibe enzimas antioxidantes como la glutatión peroxidasa y a la citocromo c oxidasa que se encuentra a nivel mitocondrial, alterando la cadena respiratoria. El NO y el O2- compiten para unirse a la citocromo oxidasa. Altas concentraciones de NO pueden desplazar al O2- , que a su vez podría reaccionar con el NO para formar el anión peroxinitrito (ONOO-). La inhibición de la cadena respiratoria mitocondrial hace que se reduzca la producción de ATP (Hurtado et al; 2007).

    - El NO induce la fusión de vesículas sinápticas a la membrana, con liberación de neurotransmisores como el glutamato a la hendidura sináptica, contribuyendo aún más al daño por excitotoxicidad.

    Parece que los radicales libres tendrían un efecto beneficioso cuando actúan aisladamente a nivel vascular, pues tienen un efecto vasodilatador y anteagregante. (Cuenca-López et al; 2010)

    Durante la isquemia cerebral el estimulo glutamatérgico se mantiene en el tiempo pues la despolarización isquémica impide que el transportador de glutamato, unido a la membrana celular, pueda funcionar adecuadamente, internalizando el glutamato en vesículas sinápticas; de esta forma la concentración de glutamato en la hendidura sináptica es mayor y su estímulo excitotóxico mantiene elevadas las concentraciones de calcio intracelular y aumenta la formación de radicales libres y ROS, con su efecto nocivo sobre las células por estrés oxidativo.
    Los astrocitos son fundamentales en el control de la acción del glutamato, pues en su interior el glutamato es convertido a glutamina por acción de la enzima glutamina sintetasa. De esta forma, la glutamina podrá ser utilizada de nuevo por las neuronas para la síntesis de glutamato y GABA.
    Durante la isquemia cerebral, como consecuencia del fallo energético y disfunción de los canales ionicos, se produce edema celular que afecta en primer lugar a los astrocitos, por lo que la recaptación de glutamato por estas células está reducida (Castillo et al; 2004).


    -Radicales libres derivados de la actividad fosfolipasa A2:

    La fosfolipasa A2, de la cual existe diversas isoformas, es un enzima que se sobreactiva durante la isquemia cerebral por efecto de la entrada de calcio al interior celular. Su acción provoca un acumulo de ácidos grasos como el acido araquidónico y acido docosahaxaenoico que pueden desacoplar la fosforilación oxidativa y alterar la permeabilidad de la membrana celular y de sus canales iónicos. Además la sobreestimulación de las fosfolipasas A2 origina un aumento de productos de degradación de los fosfolípidos de membrana. Algunos lisofosfolípidos acumulados son fácilmente convertibles a factor activador de plaquetas, con un efecto favorecedor de la agregación plaquetaria, e inductores de la respuesta inflamatoria mediante la adhesión y agregación de leucocitos (Torregrosa et al; 2007).

     

    LA RESPUESTA INFLAMATORIA

    La respuesta inflamatoria que se produce durante la isquemia cerebral aguda es una de las causas más importante de progresión del daño cerebral.

    La reducción del flujo sanguíneo induce la expresión de genes inflamatorios en diferentes tipos celulares, provocando la liberación de citoquinas, quemoquinas y activación de enzimas proteolíticas (Castellanos et al; 2006). Las neuronas, los astrocitos, la microglia y los oligodendrocitos pueden producir estos mediadores inflamatorios

    La interleuquina 1-β (IL-β) y el factor de necrosis tumoral α (TNF-α) son las citoquinas que inician la respuesta inflamatoria. Su activación ocurre de forma muy temprana pero es transitoria. La IL-β y TNF-α inducen una respuesta inflamatoria secundaria, más tardía, mediada por la Interleuquina 6 (IL-6) y interleuquina 8 (IL-8). Estas citoquinas juegan un papel importante en la aparición de reactantes de fase aguda como la fiebre, proteína C reactiva y fibrinógeno, así como en la liberación de moléculas de adhesión celular que contribuyen a la agregación leucocitaria y posterior adhesión a la pared vascular (Castillo et al; 2004).

    Hay tres tipos de moléculas de adhesión celular: selectinas, los miembros de la superfamilia de las inmunoglobulinas y las integrinas. Las selectinas participan en la interacción entre leucocitos y células endoteliales en la periferia del infarto. La superfamilia de las inmunoglobulinas actúa durante la fase aguda del infarto cerebral. Entre ellas destacan la molécula de adhesión intercelular tipo 1 (ICAM-1) y la molécula de adhesión vascular tipo 1 (VCAM-1) que intervienen en el mecanismo de adhesión y sirven de ligandos a las integrinas. Por último, las integrinas se ha visto que participan en la adhesión intercelular, agregación plaquetaria y en la interacción entre las células y la matriz extracelular. El resultado de la activación de las moléculas de adhesión celular es el reclutamiento leucocitario, agregación posterior y adhesión de los mismos a la pared vascular (Rodríguez-Yáñez et al; 2008). De este modo un gran número de células inflamatorias se localizan en la zona periférica al área infartada, principalmente en la zona de penumbra isquémica, producen mediadores neurotóxicos y contribuyen al daño isquémico mediante la obstrucción de microvasos.

    La presencia de ciertas citoquinas como la IL-6 y el TNF-α estimula la producción de metaloproteinasas, especialmente la MMP-9 (Blanco et al; 2005).
    Las metaloproteasas de matriz (MMP) son proteasas encargadas de degradar las proteínas de la matriz extracelular como el colágeno, los proteoglicanos, la laminina y la fibronectina. En condiciones fisiológicas estas enzimas se encuentran inactivadas o en forma de proenzima. Las MMP se activan cuando son cortadas por proteasas como la plasmina u otras MMP. La microglía es la principal fuente de MMP, aunque otros tipos celulares como los astrocitos inducen también la expresión de estas moléculas.
    La participación de las MMP 2 y 9 en el tejido cerebral isquémico es responsable de la alteración en la barrera hematoencefálica que condiciona la aparición de edema vascular y contribuye a la transformación hemorrágica del infarto (Castillo et al; 2004).

    Otras citoquinas como la Interleuquina 10 (IL-10) parecen desempeñar un papel antiinflamatorio bloqueando e inhibiendo la producción continua de citoquinas proinflamatorias como la IL-1 y el TNF-α. También el factor de crecimiento transformante β (TGF-β) parece que reduce la respuesta inflamatoria que acompaña al proceso de isquemia cerebral. (Cuenca-López et al; 2010)

    Las quemoquinas son polipéptidos reguladores con funciones de comunicación celular y reclutamiento de células inflamatorias. Las principales quemoquinas son: la molécula quimioatrayente de neutrófilos inducidos por citoquina (CINC), que se cree interviene en la quimioatracción de neutrófilos hacia las zonas dañadas del cerebro y la proteina-1 quimioatrayente de monocitos (MCP-1), que se piensa altera la permeabilidad de la barrera hematoencefálica y está implicada en la migración de células derivadas de la médula ósea hacia áreas isquémicas cerebrales con el objetivo de colaborar en la regeneración de la zona afectada (castellanos et al; 2006) (Krupinski et al; 2007).

    Las citoquinas pueden, a su vez, inducir cambios nucleares que en ocasiones llevan a la apoptosis celular. Una de estas vías se denomina vía JAK/STAT. Las proteínas JAK acopladas a los dominios intracelulares de muchos receptores de citoquinas se activan cuando las citoquinas actúan sobre su receptor. Una vez activada la proteina JAK, esta puede fosforilar miembros de la familia STAT que se traslocan al núcleo, donde tras unión a secuencias especificas de DNA, promueven la activación selectiva de la transcripción. Existen diferentes tipos de proteínas STAT. La activación de STAT 1 promueve la muerte celular, mientras que la activación de STAT 3, debida a señales antiinflamatorias, produce efectos de supervivencia (Krupinski et al; 2007).


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    Figura 4*: Neuroinflamación en isquemia cerebral. (IL-1): Interleuquina-1, (IL-2): Interleuquina-2, (TNF-α): Factor de necrosis tumoral α, (IL-10): Interleuquina-10, (TGF-β): Factor de crecimiento transformante β, (MCP-1): proteína 1 quimioatrayente de monocitos, (MIP-1α): macrophage inflammatory protein 1α, (COX-1): ciclooxigenasa 1, (COX-2): cicliooxigenasa 2. (eNOS): oxido nítrico sintasa endotelial, (nNOS): oxido nítrico sintasa neuronal, (iNOS): oxido nítrico sintasa inducible, (MMP-2): metaloproteasa de matriz 2, (MMP-9): Metaloproteasa de matriz.

    *Figura publicada en "Cuenca-López MD et al en Rev Neurol 2010; 50 (6): 349-359"; y expuesta en este documento con la autorización del Dr.Castillo.

     

    EDEMA EN LA ISQUEMIA CEREBRAL:

    El fallo de las bombas iónicas de membrana y liberación de glutamato provocan la entrada de sodio y agua al interior de la célula y el incremento de la concentración intracelular de calcio, responsables en gran medida del edema intracelular. El edema citotóxico se origina principalmente como consecuencia de la activación de los receptores AMPA por los aminoácidos excitadores (Castillo et al; 2004); pero también la acción de otros neurotransmisores, liberados en el área isquémica, como la noradrenalina y adenosina, activadores de la adenilato ciclasa, provocan un aumento de la permeabilidad de membrana de las células gliales, con entrada de sodio, cloro y agua que contribuyen a la producción de edema celular.
    Posteriormente la respuesta inflamatoria, cambios en la microcirculación y la ruptura de la barrera hematoencefálica son responsables del edema vasogénico que se produce en el ictus isquémico (Castillo et al; 2004) .

    Las acuoporinas son proteínas de membrana que permiten la circulación de agua. La acuoporina 1 (AQP1) y la acuoporina 4 (AQP4) son permeables al agua y permiten que esta circule dentro y fuera de los astrocitos en respuesta a cambios osmóticos (Sobrado et al; 2007). La AQP4 se sobreexpresa en los astrocitos durante la isquemia y podría jugar un importante papel en el edema citotóxico y vasogénico. 


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    Figura 5: Acuoporina 4 (AQP4) y edema cerebral.

     

     BIBLIOGRAFÍA.

    • Blanco M, Rodriguez-Yáñez M, Sonbrino T, Leira R, Castillo J. Platelets, inflammation, and atherothrombotic neurovascular disease: the role of endotelial dysfunction. Cerebrovasc Dis 2005; 20 (suppl. 2): 32-39.
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    • Torregrosa G., Salom JB, Jover-Mengual T, Alborch E. Fisiopatología básica: De la oclusión arterial a la muerte neuronal. En: Joan Montaner. Fisiopatología de la isquemia cerebral. 2007. 1ª Edición. Ed. Marge Medica Books; 13-31.