Centro de Química Farmacéutica

Mecanismos celulares y moleculares de la enfermedad cerebrovascular isquémica

Dra. Mariela Guevara García,1 Dra. Raisa Rodríguez,2 Dra. Alina Álvarez León,3 Dra. Annia Riaño Montalvo4 y Dr. Pedro Camilo Rodríguez Rodríguez1

Resumen

Se realizó una revisión bibliográfica acerca de los mecanismos celulares y moleculares que se producen en la enfermedad cerebrovascular isquémica. El fallo en la producción energética, acidosis láctica, aumento del calcio citosólico, exceso de radicales libres y acúmulo extracelular de neurotransmisores, con la consecuente activación de receptores y estimulación neuronal en circunstancias de fallo de aporte de oxígeno y glucosa, parecen ser pasos importantes en los procesos que conducen a la muerte neuronal. Estos mecanismos conducirían a un daño secundario de la microcirculación cerebral, por edema y lesión endotelial, formación de agregados celulares intravasculares y alteraciones de la permeabilidad y reactividad vascular, lo que ocasionaría el fenómeno de "no reflujo", se cerraría el círculo y se perpetuaría el proceso. Esta cascada de reacciones químicas en las células nerviosas y el conocimiento de estas alteraciones del metabolismo celular es de sumo interés puesto que permite investigar fármacos que bloqueando esta cadena de reacciones lleven a una mejor recuperación funcional.

Palabras clave: Enfermedad cerebrovascular isquémica, mecanismos celulares, mecanismos moleculares, radicales libres, neurotransmisores, cascada isquémica.

La enfermedad cerebrovascular isquémica se produce como resultado de la disminución, por debajo de un nivel crítico, del flujo sanguíneo cerebral global o de un determinado territorio arterial, cuya consecuencia primaria es la falta de oxígeno y glucosa necesarios para el metabolismo cerebral. Esta interrupción o disminución del flujo sanguíneo cerebral (FSC) en un territorio vascular determinado genera un área de infarto circundado de otra zona, el "área de penumbra isquémica", que permanece viable merced a la eficacia de la circulación colateral. Sin embargo, el flujo residual es inferior al flujo normal e insuficiente para el mantenimiento de la función celular.1,2

El FSC normal en un adulto joven es aproximadamente de 60 mL/min/100 g de tejido cerebral. Por debajo de 20-25 mL/min/100g el EEG se lentifica gradualmente, de 18-20 mL/min/100g las descargas espontáneas neuronales desaparecen y de 16-18 mL/min/100g las respuestas eléctricas evocadas celulares desaparecen (umbral de fallo eléctrico). Se produce el fenómeno de la "onda de despolarización propagada", que consiste en despolarizaciones celulares espontáneas que causan un aplanamiento eléctrico y cambios en el flujo sanguíneo regional, aumenta el área de penumbra isquémica por daño de membrana añadido. Por debajo de 8-6 mL/min/100g de tejido cerebral se produce una alteración de la homeostasis iónica, el fallo del potencial de membrana y una masiva liberación de potasio, momento en el que la viabilidad neuronal desaparece (umbral de fallo de membrana). Por debajo de 20 mL/min/100g ya aparecen los síntomas neurológicos. El factor tiempo es crucial a la hora de instaurar una terapia específica y salvar la mayor cantidad de tejido en penumbra isquémica. 2,3

Todos estos factores conducen al concepto de "ventana terapéutica", un período variable durante el cual la restitución del flujo y/o la inhibición de los mediadores de daño celular isquémico (citoprotección) evitarían la muerte de las células en riesgo potencialmente viables, mientras que, si el mismo es sobrepasado, cualquier medida terapéutica resultará inútil.4,5

Para mantener constante el flujo sanguíneo, a pesar de las variaciones de la presión arterial sistémica, existen diversos mecanismos miógenos, neurógenos y metabólicos que actúan en un rango de presión entre 60 y 160 mmHg (autorregulación). La zona de penumbra, aún recuperable, tiene dichos mecanismos de autorregulación alterados, por lo que la presión de perfusión depende de la presión arterial. En caso de daño cerebral, como sucede en el ictus, se activan reflejos centrales y se produce una elevación de la presión arterial que mejorará en lo posible la perfusión de la zona lesionada. En este estado, si se producen bruscos descensos de la tensión arterial, incluso en niveles de normotensión, principalmente en pacientes previamente hipertensos, tiene el riesgo de aumentar el área de infarto a expensas de la de penumbra isquémica.5

La normalización del FSC promueve una recuperación completa solo cuando tiene lugar muy precozmente, puede contribuir a evitar la extensión del infarto en las primeras 3-6 h ("ventana para la reperfusión"). De no ser así, la cascada isquémica se torna imparable y es incluso potenciada por la reperfusión, que por sí misma es responsable de otros daños. Estos efectos pueden ser minimizados mediante citoprotectores, dentro de un tiempo limitado denominado "ventana de citoprotección", probablemente más amplia (8-12 h), antes de que la lesión se complete y se vuelva irrecuperable.5,6

Mecanismos celulares y moleculares durante la isquemia cerebral

Daño celular mediado por acidosis

Los escasos depósitos de oxígeno y glucosa de las neuronas son consumidos rápidamente durante la isquemia. Se altera la respiración mitocondrial y las neuronas metabolizan la glucosa residual a ácido láctico en vez de CO2 y agua. Se utiliza el ATP de reserva pero, al no producirse, se acumula AMP que no posee enlaces de alta energía. El ácido láctico aumenta y llega a un nivel máximo aproximadamente en 3 min desde el inicio de la isquemia. La cantidad de ácido láctico producida desde el metabolismo anaerobio de la glucosa es mayor en sujetos hiperglicémicos. El aumento de ácido láctico y CO2 causa acidosis, que desnaturaliza las proteínas y altera las funciones de las enzimas cuyas actividades son pH-dependientes, la recaptación de neurotransmisores y promueve la formación de radicales libres. La acidosis severa agravaría la lesión isquémica por diversas vías: aumentando el edema intracelular, inhibiendo la fosforilación oxidativa, dañando la célula endotelial con la consecuente alteración de la microcirculación y de los mecanismos de regulación, así como aumentando el desplazamiento del calcio de su unión a proteínas.6,7

Daño celular mediado por calcio

La falta de ATP perturba el funcionamiento de la bomba Na-K-ATPasa, se incrementa de forma progresiva la conductancia y la salida masiva de potasio. Cuando sus niveles extracelulares alcanzan los 15 mmol/g, éste despolariza los canales de calcio dependientes de voltaje y el 95 % del calcio extracelular penetra en el interior de la neurona. Como consecuencia, el calcio libre intracelular provoca una cascada metabólica que activa enzimas proteolíticas y lipolíticas que pueden llevar a abolir de forma irreversible la regulación del metabolismo neuronal.8

El glutamato es liberado de los almacenes presinápticos y en presencia de la glicina activa los receptores de N-metil-D-aspartato (NMDA). La consecuencia inmediata es un incremento a la permeabilidad del sodio y edema celular; sin embargo, la más dañina es provocada por una mayor elevación del calcio intracelular a través de los canales iónicos asociados con NMDA. El calcio a través de calmodulina activa cinasas como la cam-cinasa II y la proteína cinasa C, lo que provoca un desequilibrio de la homeostasis neuronal y esto causa fosforilación proteica.9,10 Otros sistemas enzimáticos clave activados por el calcio incluyen las proteasas como la calpaína, la cual provoca proteolisis; lipasas, como la fosfolipasa A, que provoca la producción de ácido araquidónico y formación de radicales libres. La producción de ácido araquidónico origina tromboxano A2 y leucotrienos, con acción vasoconstrictora y promotora de agregación plaquetaria, por lo tanto, copartícipes del fenómeno de "no reflujo". La activación enzimática induce degradación proteica, despolimerización de microtúbulos, liberación de calcio de los depósitos intracelulares, liberación de neurotransmisores y, en definitiva, daño de membrana y de los propios canales de calcio, con lo que se cierra un círculo que amplificaría el daño celular. 9-12

Daño celular mediado por radicales libres

El desacoplamiento entre los saltos energéticos y la formación de ATP dentro de la cadena respiratoria mitocondrial, así como su bloqueo por el calcio acumulado en la mitocondria, facilitan la hiperproducción de radicales libres.13-15

Una vez que se encuentra elevada la concentración de Ca2+ en la célula, se produce una alteración en la homeostasis celular por la vía de la fosforilación de las proteínas y un incremento de las concentraciones de óxido nítrico (ON) y producción de radicales de oxígeno. El resultado final de esta actividad enzimática anormal es la pérdida en la integridad del citoesqueleto, daño mitocondrial y, finalmente, formación de radicales de oxigeno,16,17 que producen daño neuronal por ataque directo a las estructuras vasculares, o por ataque a los componentes moleculares de la célula, principalmente el núcleo. Los radicales libres, en conclusión, provocan rupturas de DNA, desnaturalización de proteínas, edema, lesión del endotelio, aumento de la permeabilidad vascular, peroxidación de los lípidos de membrana y alteraciones de la función mitocondrial. La reperfusión ulterior a la isquemia también favorece la formación de radicales libres, puesto que posibilita la presencia de oxígeno. Por lo tanto, los radicales libres tendrían un importante papel en el daño por reperfusión y neuronal tardío.18,19

Inflamación en la isquemia cerebral

La respuesta inflamatoria que se desencadena tras la isquemia del tejido cerebral está mediada y modulada por la acción de las citocinas. El aumento del calcio intracelular y la liberación de ácidos grasos libres y leucotrienos parecen ser los responsables de la inducción de la expresión de las citocinas en las neuronas y en las células gliales.20 Las principales citocinas que intervienen en la inflamación inducida por la isquemia cerebral son la interleucina 1 (IL-1), el factor de necrosis tumoral (TNF), y la interleucina-6 (IL-6). La IL-1 se encuentra sobreexpresada durante la isquemia cerebral, según se ha podido demostrar en ratas con oclusión de la arteria cerebral media,21 con isquemia global transitoria del encéfalo dependiente de la circulación anterior 22 y después de la lesión inducida por la ligadura de una de las arterias carótidas y la exposición a una atmósfera hipóxica.23 Los posibles mecanismos de daño inducido o activado por la IL-1 durante la isquemia incluyen: la fiebre, un incremento de la presión arterial, la frecuencia cardíaca, potenciación del daño inducido por N-metil-D-aspartato (NMDA), la proliferación de la microglía, la liberación de ácido araquidónico y la síntesis de óxido nítrico. Sin embargo, las funciones más ampliamente reconocidas de la IL-1 son las de inducir la expresión de moléculas de adhesión en las células endoteliales y promover la afluencia de neutrófilos al tejido lesionado.24,25 La IL-1 y el factor de necrosis tumoral (TNF) producen inflamación hística, mientras que moléculas adhesivas como la "mólecula de adhesión intercelular-1" (MAIC-1), aumentan la interacción de los leucocitos con el endotelio vascular, provocan daño al nivel de la barrera hematoencefálica, ocluyen la microcirculación y crean un fenómeno de "no-reflujo". Las citocinas inducen la liberación de quimocinas, importantes para la quimiotaxis de los leucocitos hacia la región isquémica. La quemocina más importante es la interleucina-8 (IL-8) que interviene en el reclutamiento de los neutrófilos, y cuya liberación está inducida por la IL-1 y el TNF.26 Reclutados los leucocitos en el área isquémica, éstos interaccionan con el endotelio mediante los mecanismos de marginación, adhesión y transmigración.27 En estos complejos mecanismos intervienen las moléculas de adhesión del leucocito y del endotelio, cuya expresión en la superficie es previamente inducida por la acción de las citocinas y las quimocinas. Las selectinas intervienen en la primera fase de la adhesión leucocitaria, se encargan del proceso de marginación leucocitaria, en donde el leucocito se adhiere de forma débil al endotelio.28

Las citocinas proinflamatorias además de estos efectos locales, ejercen acciones sistémicas.28,29 La IL-1 es una de las sustancias capaces de desencadenar la respuesta de estrés mediante la activación del eje hipotálamo-hipofisario-adrenal.

Como consecuencia, tras un infarto cerebral se elevan los niveles de factor liberador de corticotropina (CRF) y de cortisol plasmáticos. La estimulación hipotalámica en la fase aguda del infarto cerebral podría ser responsable de los incrementos de temperatura y de glicemia frecuentemente observados en pacientes con infarto cerebral. La IL-1, mediante la acción de la IL-6, induce la síntesis hepática de los reactantes de fase aguda como la proteina C reactiva, fibrinógeno, y disminuye otros reactantes como la albúmina. Diversos estudios han demostrado una buena correlación entre las concentraciones plasmáticas de citocinas y de reactantes de fase aguda como la proteína C reactiva y la velocidad de sedimentación, por lo que estos parámetros podrían ser marcadores accesibles de la actividad de las citocinas durante la fase aguda del infarto cerebral.30,31

Las citocinas pueden empeorar la isquemia hística en el infarto cerebral agudo por diversos mecanismos. Los leucocitos activados tienen capacidad para liberar sustancias como el óxido nítrico, elastasa, mieloperoxidasa, radicales libres, etc, que en conjunto ejercen un efecto citotóxico sobre las membranas y el endotelio, y también producen vasodilatación y aumento de la permeabilidad.32 El resultado final es el traspaso de proteínas y agua desde el espacio vascular al espacio extracelular y la formación de edema. Otro mecanismo en el que intervienen los leucocitos es el "fenómeno del no reflujo". Estudios experimentales con microscopía electrónica han demostrado que los leucocitos ocluyen la microcirculación en el tejido isquémico a pesar de una rápida reperfusión arterial. Las citocinas ejercen también efectos protrombóticos ya que inhiben el efecto anticoagulante del endotelio mediado por la proteína C, y activan las plaquetas; por tanto, el tejido cerebral sometido a isquemia puede permanecer en esta situación aunque la restauración del flujo a través de la arteria previamente ocluida sea precoz.32,33

En conclusión, el fallo en la producción energética, acidosis láctica, aumento del calcio citosólico, exceso de radicales libres y acúmulo extracelular de neurotransmisores, con la consecuente activación de receptores y estimulación neuronal en circunstancias de fallo de aporte de oxígeno y glucosa, parecen ser pasos importantes en los procesos que conducen a la muerte neuronal.

Summary

A bibliographic review was made on the cellular and molecular mechanisms that are produced in the ischemic cerebrovascular disease. The failure in the energy production, lactic acidosis, increase of cytosolic calcium, excess of free radicals and extracellular crowd of neurotransmissors, with the subsequent activation of receptors and neuronal stimulation under circumstances of poor glucose and oxygen supply seem to be important steps in the processes leading to neuronal death.These mechanisms would lead to a secondary damage of cerebral microcirculation due to edema and endothelial lesion, formation of intravascular cellular aggregates and alterations of permeability and vascular reactivity that would cause the "non reflux" phenomenon, the circle would close and the process would be perpetuated. This series of chemical reactions in the nervous cells and the knowledge of these alterations of cellular metabolism are very interesting, since they allow to investigate drugs that by blocking this chain of reactions lead to a better functional recovery.

Key words: Ischemic cebrovascular disease, cellular mechanisms, molecular mechanisms, free radicals, neurotransmissors, ischemic cascade.

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Recibido: 28 de octubre de 2003. Aprobado: 3 de febrero de 2004.
Dra. Mariela Guevara García. Centro de Química Farmacéutica, Ciudad de La Habana, Cuba. Correo electrónico: [e-mail]

1 Especialista de I Grado en Farmacología. Investigadora Agregada.
2 Especialista de I Grado en Medicina General Integral. Residente de 3er Año en Farmacología.
3 Especialista de I Grado en Inmunología.
4 Especialista de I Grado en Bioquímica Clínica.