Isquemia e hipoxia cerebral: aspectos bioquímicos

Dra. Adriana Castro P.

Maestría en Neurociencias, AFINES

Existen muchas causas de isquemia cerebral en humanos, pero los procedimientos neuroquirúrgicos son una causa común de daño en el sistema nervioso central (SNC).

La reducción del oxígeno cerebral abajo de 20ml/min/100g de tejido da como resultado fallas en la actividad eléctrica, y una reducción abajo de 10ml/min/100g de tejido provoca una disminución del gradiente iónico transmembrana.

La isquemia cerebral puede dividirse en focal y global; en la focal el flujo sanguíneo es interrumpido en una región particular, por ejemplo durante la oclusión de vasos; en la isquemia global el flujo sanguíneo cerebral es interrumpido de manera total.

La isquemia cerebral puede ser descrita como completa o incompleta; la primera es definida como la ausencia total de flujo sanguíneo en el cerebro o regiones del cerebro. La isquemia incompleta se define como la reducción importante del flujo sanguíneo cerebral en un patrón global o focal. La isquemia puede originar daño celular reversible o causar muerte celular (infarto) dependiendo de la duración y severidad de ésta. Las áreas más sensibles, vulnerables selectivamente, son las neuronas localizadas en las regiones de hipocampo CA1, CA3 y CA4, porciones del núcleo caudado, cerebelo, y capas 3, 5, 6 de la neocorteza. En la isquemia focal, la localización anatómica y la extensión del daño isquémico dependen de la distribución de los vasos para los que el flujo es limitado y exista la presencia de circulación colateral. El daño, resultado de la isquemia focal que comúnmente ocurre, depende de la circulación colateral que parcialmente perfunde el área que rodea el centro de la isquemia.

El cerebro no responde a la isquemia de manera homogénea, la materia blanca es más resistente a la hipoperfusión que la materia gris. Existe un área de penumbra isquémica, la cual recibe flujo sanguíneo inadecuado para preservar la función celular normal, pero suficientemente adecuado para permitir que el tejido se recupere. La reducción del flujo sanguíneo en la penumbra causa abolición de la transmisión sináptica sin alterar el mantenimiento del metabolismo y la integridad de la membrana; se supone que complejos procesos bioquímicos y eléctricos, incluyendo despolarización, ocurren durante la penumbra. La existencia de la penumbra isquémica que se encuentra circundado a una zona de infarto, ha sido considerada como un área de vulnerabilidad metabólica selectiva, área donde se ha presentado el umbral para una falla eléctrica, pero sin presentarse todavía la falla iónica. Este fenómeno ocurre cuando el FSC disminuye cerca de 15ml/100 gm/min y se sostiene por el flujo sanguíneo colateral. La integridad metabólica y estructural se pierde si este estado persiste por espacio de 3-4 horas. El conocimiento de la presencia de la penumbra ha conducido a tratar de mejorar el FSC en dicha área como una forma de manejo en los pacientes con enfermedad cerebro-vascular isquémica aguda. El término de Perfusión de Miseria (Misery Perfusion) que se presenta en las fases iniciales de la isquemia, se refiere a la presencia de una disminución del flujo cerebral regional (FCr), con un aumento del promedio metabólico de oxígeno (CMRO²); por el contrario, la Perfusión de Lujo (Luxury Perfusion) se presenta en forma tardía en la isquemia cerebral y se refiere a un incremento en el FCr con disminución del CMRO². El estado de compromiso de estas áreas puede ser mejorado si se interviene de manera temprana y adecuada.

Bajo condiciones normales el cerebro utiliza glucosa y oxígeno para la producción de ATP. Rápidamente (en segundos), la isquemia acelera la depleción de oxígeno y disminuye la fosforilación oxidativa. Bajo estas condiciones existe una baja producción de ATP por glicolisis anaerobia. Durante la isquemia estos niveles son utilizados en 2 o 3 minutos. El ATP se depleta en 4 minutos después de iniciada la isquemia.

La acumulación de lactato y el incremento de la tensión de dióxido de carbono (PaCO²) causa acidosis, la cual puede ser severa, cambiando los valores de pH aproximadamente 6.0.

Cuando la función mitocondrial es comprometida por depleción de suministro de oxígeno, el reciclado de protones por fosforilación oxidativa disminuye y la concentración de protones en citosol se incrementa. Esto causa disminución de los nucleótidos de adenina para la mitocondria por inhibición de transporte de ATP-Mg²⁺/Pi. También inhibe Na+/Ca²⁺ en el plasmalema causando secuestro intracelular de Ca²⁺. La acidosis inhibe la recaptura de neurotransmisores, desacopla el hierro unido a proteínas y promueve la formación de radicales libres, prolongando la restauración de la función mitocondrial, y disminuyendo la restauración de la carga de energía. Otro efecto importante de acidosis es la producción de edema. La severidad del edema glial y del endotelio celular está directamente relacionada con el grado de acidosis presente. El mecanismo preciso no es conocido, pero es posible que la combinación de H+, Na+ y otros metabolitos, incrementen la osmolaridad celular del lactato, lo cual puede sacar agua para el fluido extracelular.

La fosforilación de proteínas se afecta sobremanera durante el daño isquémico. A nivel de la membrana, las isozimas de proteína cinasa C realizan una variedad de funciones, incluida la regulación de la liberación de neurotransmisores, activación del recambio de protones de sodio, apertura de canales de calcio, y regulación de la expresión génica. Durante las fases tempranas del daño isquémico tanto la proteína cinasa C y la cinasa dependiente de calcio/calmodulina son inhibidas cuando el AMPc dependiente de proteínas cinasas no es afectado. El daño isquémico produce la traslocación de proteína cinasa C del citosol a la membrana y la estimulación del Ca²⁺ produce proteólisis. La proteína cinasa C unida a la membrana es más sensitiva a la digestión proteolítica que la forma que se encuentra en el citosol. Esto hace posible que la isquemia aumente la degradación rápida y extensiva de la proteína cinasa C unida a la membrana con una disminución de la función enzimática.

Se sabe muy poco acerca del efecto de la isquemia sobre el ARN y ADN de la célula neuronal. Los ácidos nucléicos tienen un papel muy importante en la respuesta neuronal al trauma isquémico por medio de la síntesis de ciertas enzimas (ornitina descarboxilasa y glutamina sintetasa) y por una variedad de proteínas en la formación de ARN. La isquemia causa cortes importantes en el ADN, y la aglutinación de cromatina ocurre horas después de iniciado el daño. Es de esperarse que las endonucleasas dependientes de calcio puedan ser estimuladas y tengan un papel muy importante en la neurodegeneración.

La isquemia induce el rompimiento de los fosfolípidos de membrana y la acumulación de ácidos grasos libres, incluyendo ácido araquidónico y docosahexaenoíco. Esta liberación de ácidos grasos causada por isquemia o choques electroconvulsivos fue descrita por Bazan en 1970 y es conocida como efecto Bazan. El rompimiento de los fosfolípidos de membrana altera los gradientes iónicos de membrana y el daño pueden resultar irreversible.

Otro proceso alterado durante la isquemia es la síntesis de fosfolípidos. Bajo condiciones normales los ácidos grasos y los lisofosfolípidos son reciclados a través de una serie de reacciones dependientes de la energía. Como resultado, el contenido normal de fosfolípidos de las membranas celulares no es alterado y las concentraciones intracelulares de ácidos grasos libres, lisofosfolípidos y diacilgliceroles se mantienen en niveles bajos. Durante la isquemia la estimulación de enzimas lipolíticas causa una disminución importante de fosfolípidos de la membrana, y la resíntesis es inhibida por la depleción de energía. Los daños por isquemia también causan cambios físicos en la integridad de la membrana. Estas alteraciones de membrana acompañadas de edema pueden romper la membrana celular.

Los ácidos grasos, frecuentemente presentes en forma ionizada y liberados durante la isquemia, se conocen por su gran variedad de efectos deletéreos sobre la función y estructuras del cerebro, principalmente por su habilidad de romper las membranas celulares. Los ácidos grasos libres son excelentes desacopladores de la fosforilación oxidativa y pueden causar salida de iones tales como Ca²⁺ y K+ almacenados en la mitocondria.

Los ácidos grasos libres inhiben Na-K-ATPasa, sus propiedades detergentes pueden cambiar la fluidez y permeabilidad de la membrana, alterando mecanismos de los que depende la integridad de la misma.

@BODY TEXT2 = El ácido araquidónico, substrato para producción de eicosanoides por monooxigenasas (ciclooxigenasa y lipooxigenasa), es el precursor de importantes componentes activos. Los eicosanoides (prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos) son vasoactivos que pueden involucrarse en la desregulación de la circulación cerebral. Tienen un papel como neuromoduladores y los altos niveles producidos en la isquemia pueden dañar células distantes poco resistentes. Las reacciones intermedias entre las vías de ciclooxigenasa y lipooxigenasa que pueden causar efectos dañinos sobre la integridad de la estructura de la membrana celular y la función, incluyen los endoperóxidos, prostaglandina G<M^>2<D> (PG G<M^>2<D>) y prostaglandina H<M^>2<D> (PG H<M^>2<D>) y los hidroperóxidos. Estos metabolitos tienen carácter de radicales libres y pueden activar la cascada de reacciones dañinas, incluyendo: 1) peroxidación de ácidos grasos poliinsaturados en la membrana celular, con cambios irreversibles de sus propiedades y 2) generación de radicales libres en el centro hidrocarbonado de la membrana celular, posiblemente mediante proteínas unidas con fosfolípidos que alteran el microambiente y estructura de las proteínas en las membranas mitocondrial y plasmática. Los cambios, por ejemplo hidrólisis de fosfolípidos, producción de eicosanoides y disminución de colesterol, inician una cascada de eventos patofisiológicos que originan la alteración de la estructura, permeabilidad y función de la membrana, con <M%-2>el consecuente desequilibrio iónico intracelular-extracelular,<D%0> edema, inflamación y neuronofagia.

@BODY TEXT2 = El glutamato es el principal aminoácido neurotransmisor excitatorio en el SNC de mamíferos; es mediador de diferentes respuestas celulares por interacción con al menos cinco subtipos de receptores llamados NMDA, kainato <M%-2>(KA), <F128>ò<F255>-<%3>amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazole-4-propionato<%-2> (AMPA), <D%0>ácido L-2 amino-4-fosfonobutanoico (L-AP4) e IS3R<MI>trans-<D>1-amino-ciclopentil-1, 3<M%-2> dicarboxilato (<MI>trans <M>ACPD).<D%0> La acumulación excesiva de glutamato y otros aminoácidos excitatorios neurotransmisores liberados dentro del espacio extracelular durante la isquemia, contribuyen al daño neuronal a través de sobreactivación de receptores de NMDA, AMPA; KA y trans ACPD. Este proceso es llamado excitotoxicidad.

@BODY TEXT2 = En 1975 se introdujo el concepto de excitotoxicidad para tratar de explicar la vulnerabilidad selectiva de ciertas áreas cerebrales. El L-glutamato y L-aspartato en altas concentraciones promueven la degeneración de neuronas en el sistema nervioso central de mamíferos. Los términos de excitotoxina y excitotoxicidad <M%-2>describen las acciones neurotóxicas de los aminoácidos, particularmente los análogos estructurales de glutamato, tales como el ácido caínico.<D%0>

@BODY TEXT2 = <M%-2>Las <B>excitotoxinas<M> son aminoácidos excitatorios con receptores en dendritas neuronales cuya sobreestimulación puede ser fatal. La clasificación de receptores de aminoácidos excitatorios incluye algunos agonistas selectivos, como cainato,<D%0> <MI>N-<D>metil-D-aspartato (NMDA), y AMPA (ácido <F128M>ò<F255D>-a<M%4>mino-3-hidroxy-5-metil-4-isoxazolepropionico)<D%0>. Las excitotoxinas actúan a través de varios receptores y existe una correlación entre las propiedades excitatorias y tóxicas de los aminoácidos ácidos.

@BODY TEXT2 = La introducción de una excitotoxina dentro del SNC de mamíferos produce típicamente gliosis intensa y disminuye las neuronas parvocelulares (con algunas excepciones). Este proceso neurotóxico ocurre en un tiempo relativamente corto (<<24 horas); sin embargo, otras acciones neurotóxicas pueden ocurrir en un periodo más amplio. Una completa descripción de los mecanismos de acción de las excitotoxinas depende de los receptores de aminoácidos que actúan, y del proceso que causa la muerte celular después de la estimulación. De esta manera, los mecanismos por los cuales las diferentes excitotoxinas producen sus efectos pueden ser diferentes.

@BODY TEXT2 =

@BODY TEXT2 = Los radicales libres pueden romper la integridad de la membrana por reaccionar con proteínas y lípidos insaturados en la membrana plasmática.

@BODY TEXT2 = <M%-2>El daño inducido por radicales libres a las proteínas puede originar fragmentación, ruptura y agregación de proteínas. Esto puede manifestarse por inactivación de ciertas enzimas. Las proteínas extracelulares con una gran proporción de puentes disulfuro parecen ser particularmente vulnerables al ataque de radicales libres peroxilo e hidroxilo.<D%0>

@BODY TEXT2 = Los radicales libres también producen daño a ácidos nucleicos por rompimiento de hélices y modificación de bases. El anión superóxido, producido por el sistema xantina/ xantina oxidasa, se ha descrito como causa del rompimiento de puentes de ADN. Los radicales hidroxilo reaccionan con el ácido nucleico, produciendo rompimiento de puentes disulfuro.

@BODY TEXT2 = En adición a la causa de daño neuronal de los radicales libres producidos por isquemia y reperfusión, se puede también afectar la vasculatura del tejido. Esto es acompañado por daño al endotelio vascular, rompimiento de la barrera hematoencefálica, y edema vasogénico.

@BODY TEXT2 = Como se ha observado, los radicales libres también estimulan la liberación de glutamato en el hipocampo de la rata y en los cultivos celulares; el poder de los antioxidantes puede atenuar el daño neuronal inducido por aplicación exógena de glutamato o NMDA. Esto sugiere que la formación de radicales libres puede estar relacionada y cooperar en una serie de eventos moleculares que producen daño por isquemia y muerte neuronal.