S4-BYQ07 - Centro de Investigaciones en Optica, A.C.

MODELOS EXPERIMENTALES, VENTAJAS Y DESVENTAJAS. REFLEXIONES
SOBRE LA ADMINISTRACIÓN SISTÉMICA DE GLUTAMATO MONOSÓDICO
Mónica Elisa Ureña-Guerrero
Laboratorio de Neurobiología, Departamento de Biología Celular y Molecular, Centro
Universitario de Ciencias Biológicas y Ambientales, Universidad de Guadalajara. Zapopan,
Jalisco, México, 45110. murena@cucba.udg.mx
RESUMEN
El conocimiento generado en torno a la fisiología humana, tanto en la salud como en la enfermedad, proviene
de diferentes abordajes experimentales, aplicados tanto en el humano como en otras especies animales. Sin
embargo, “experimentar con humanos” pone en riesgo, no solo al individuo experimental, sino también la
ética del experimentador, en una forma mucho más evidente que cuando se trabaja con animales de
experimentación, los cuales son criados y mantenidos específicamente para su uso. Así, someter a cirugías
cerebrales a roedores genéticamente propensos a epilepsia, no tiene las mismas implicaciones que someter a
un humano, al mismo procedimiento. Por lo que a lo largo de los años, se han desarrollado una gran variedad
de modelos animales de experimentación en la investigación biomédica, especialmente para diferentes
padecimientos. En el caso del estudio del sistema nervioso, destacan la multiplicidad de modelos
experimentales de epilepsia, hipoxia-isquemia, infarto cerebral y daño medular, entre otros. En los tres
primeros casos, la inducción del proceso se ha relacionado estrechamente con aumentos en la concentración
cerebral de ácido glutámico, aminoácido neurotransmisor excitador, cuyos análogos han sido ampliamente
usados en distintos modelos. Este es el caso del glutamato monosódico, que en su administración sistémica ha
sido empleado como inductor de crisis convulsivas y de daño neuronal, ambos procesos estrechamente
asociados. Así, en este trabajo, se analizan las múltiples asociaciones del modelo de administración sistémica
de glutamato monosódico con diferentes alteraciones de la función nerviosa.
1. INTRODUCCIÓN
Dentro del sistema nervioso central (SNC) de mamíferos, algunos aminoácidos (aa), además formar parte de
las proteínas, funcionan como moléculas neurotransmisoras, mediando la mayoría de las sinapsis químicas.
Los aa neurotransmisores se distribuyen ampliamente en todas las regiones neuronales, en concentraciones
intracerebrales mayores que la de aa que únicamente tienen funciones metabólicas o como constituyentes de
proteínas. Debido a sus propiedades físico-químicas, los aa neurotransmisores no atraviesan fácilmente la
barrera hematoencefálica, por lo en el interior de las neuronas que producen aa neurotransmisores, se
identifican enzimas o rutas metabólicas específicas para su síntesis. En general, tanto la síntesis como la
degradación de los aa neurotransmisores, se relacionan con el metabolismo secundario de la glucosa, sin
embargo, los procesos se encuentran compartalizados, la síntesis se realiza en las neuronas y la degradación
en los astrocitos.
La naturaleza química de los aa se asocia estrechamente con su efecto neurotransmisor. Los aa dicarboxílicos
como el ácido glutámico (Glu), tienen efectos excitadores; y aa neutros, que se forman por descarboxilación de los primeros, como el ácido -aminobutírico (GABA), tienen efectos inhibidores. Así,
aunque existen otros aminoácidos neurotransmisores, el Glu y el GABA se consideran respectivamente, los
principales neurotransmisores excitador e inhibidor del SNC de mamíferos; y en la mayoría de las regiones
cerebrales encontramos sinapsis glutamatérgicas en confluencia con sinapsis GABAérgicas. Por lo que se
propone que el equilibrio dinámico funcional entre excitación e inhibición neuronales, depende básicamente
de estos dos sistemas de neurotransmisión; y que alteraciones en cualquiera de los dos, promueven el
establecimiento de diferentes padecimientos neuronales.
2. EL ÁCIDO GLUTMÁMICO COMO NEUROTRANSMISOR
La propuesta inicial del Glu como posible neurotransmisor data de la década de 1970, pocos años después de
que se aceptara al GABA como el principal neurotransmisor inhibidor del SNC. Antes de esto, se conocía que
la concentración cerebral de Glu excedía a la existente en los demás tejidos, lo que en principio hizo suponer
que desempeñaba una función importante como una molécula clave en el metabolismo cerebral o como
compensador de la deficiencia aniónica del cerebro, pero no como neurotransmisor. Fueron, entonces, de gran
importancia los trabajos que demostraron que el Glu tenía un potente efecto excitador al aplicarse
externamente en la mayoría de los centros neuronales, concediéndosele por tanto, una probable función
neurotransmisora. En este sentido, la información recopilada hasta la actualidad, indica que el Glu es el
principal neurotransmisor excitador del SNC de mamíferos, efecto que comparte con el ácido aspártico (Asp),
a través de la activación del mismo grupo de receptores.
El Glu es un aa dicarboxílico, altamente polar, con poca permeabilidad a través de la barrera
hematoencefálica (BHE). Sin embargo, debido a que se trata de un aa no esencial, dentro del cerebro puede
sintetizarse a partir de -cetoglutarato, ornitina o glutamina (Gln), en reacciones acopladas al metabolismo
secundario de la glucosa. En este sentido, los experimentos con precursores marcados demostraron que la
mayor parte del Glu que actúa como neurotransmisor se sintetiza a partir de Gln. Además, también se
demostró la existencia de un ciclo Glu/Gln, preferente hacia el Glu, dentro de las neuronas glutamatérgicas y
preferente hacia Gln, dentro de los astrocitos circundantes. Observaciones que confirman la importancia de
los astrocitos en la interconversión metabólica de Glu a Gln, así los astrocitos recapturan al Glu del espacio
intersticial y lo convierten en Gln por acción de la sintasa de glutamina; enseguida la Gln glial se secreta y las
neuronas glutamatérgicas la recapturan para que la glutaminasa forme Glu (Figura 1).
FIGURA 1. Sinapsis glutamatérgica. 1) Síntesis de Glu, por acción de las siguientes enzimas: A. Ornitin aminotransferasa; B. Glutaminasa; y C. Deshidrogenasa del Glu); 2) Transporte vesicular de Glu; 3) Liberación de Glu por
exocitosis de vesículas sinápticas; 4) Interacción del Glu con receptores ionotrópicos; 5) Interacción del Glu con
receptores metabotrópicos; 6) Recaptura neuronal de Glu; 7) Recaptura astroglial de Glu; 8) Degradación de Glu dentro
de los astrocitos. Tanto los receptores como los transportadores plasmáticos para Glu, pueden localizarse a nivel pre- y
postsináptico, así como en los astrocitos. Esquema elaborado con base en Deutch y Roth, 1999.
Después de sintetizarse, el Glu se transporta del citosol al interior de las vesículas sinápticas, a través de un
proceso dependiente de ATP. El Glu vesicular puede liberarse por exocitosis tras elevaciones en la
concentración citosólica de Ca++. Sin embargo, el Glu también puede liberarse por inversión de la recaptura,
desde el citoplasma hacia el espacio intersináptico. El exceso de Glu intersináptico se elimina por
mecanismos de recaptura de alta afinidad, a través de proteínas plasmáticas que exhiben propiedades cinéticas
similares para Glu y Asp; por lo que se conocen como transportadores plasmáticos para aminoácidos
excitadores, los cuales están presentes tanto en terminales glutamatérgicas como en astrocitos. Estos
transportadores introducen simultáneamente una molécula de Glu, 2-3 Na+ y 1 H+; sacan 1 K+; y permiten la
entrada de Cl- a través de un poro aniónico acoplado (Figura 1).
El Glu liberado al espacio intersináptico ejerce su efecto excitador a través de la activación de dos tipos de
receptores, comúnmente clasificados como ionotrópicos y metabotrópicos. Los receptores ionotrópicos
actúan como canales iónicos activados por ligando; permiten la entrada de Na + y Ca++, así como la salida de
K+; despolarizan rápidamente a la célula nerviosa; y se clasifican, con base en su afinidad por agonistas
específicos, como receptores sensibles a: N-Metil-D-Aspartato (R-NMDA), ácido propiónico 3-amino-4hidroxi-5-metil isoxasol (R-AMPA) y ácido kaínico (R-KA). Estructuralmente, son complejos
macromoleculares oligoméricos formados por 4-5 subunidades polipeptídicas. El R-NMDA se caracteriza por
su dependencia de voltaje y su alta permeabilidad a Ca ++. Además, posee múltiples sitios de regulación
farmacológica, descritos como sitios de unión para: 1) el transmisor, sus agonistas y antagonistas
competitivos; 2) la glicina (coagonista); 3) la fenciclidina y el MK801 o dizocilpina (bloqueadores del canal
iónico); 4) el Mg++ (bloqueador del canal iónico sensible a voltaje); 5) el Zn++ (modulación positiva del
canal); 6) las poliaminas (modulación positiva o negativa, dependiendo del compuesto y de la concentración
del mismo); y 7) un sitio sensible a cambios de óxido reducción. Los receptores no-NMDA (R-AMPA y RKA) son independientes de voltaje, tienen mayor permeabilidad al Na +, son los responsables de la transmisión
sináptica excitadora rápida y están ampliamente distribuidos dentro del SN. La activación de receptores
metabotrópicos implica la regulación de cascadas de señalización intracelular, a través de su interacción con
proteínas-G. Estos receptores aparecen en el SN por lo menos en 8 subtipos conocidos como mGluR1-8, cuya
activación en el caso de mGluR1 y mGluR5 (grupo I) se relaciona con la estimulación de la fosfolipasa C
(PLC) y la producción de fosfatididil inositol trifosfato (IP3) y diacilglicerol (DAG); en tanto que, la
activación de mGluR2-3 (grupo II) y mGluR4,6-8 (grupo III), inhibe a la adenilato ciclasa (AC) y reduce los
niveles de AMPc (monofosfato cíclico de adenosina) (Figura 2).
FIGURA 2. Receptores glutamatérgicos. Los esquemas muestran el efecto de la interacción del Glu con sus receptores
ionotrópicos (A, B y C) y metabotrópicos (D). En el caso del R-NMDA se muestran los múltiples sitios de modulación
y bloqueo de la corriente iónica activada por dicho receptor. Elaborado con base en Monaghan y col., 1989.
3. IMPLICACIONES FUNCIONALES DEL ÁCIDO GLUTÁMICO NEUROTRANSMISOR
La activación del R-NMDA favorece la plasticidad neuronal, en procesos tales como el aprendizaje, la
memoria, la dominancia ocular, la especificidad sináptica y el crecimiento neuronal; controla la transmisión
sensorial-visual, la respiración y la presión sanguínea; y regula la iniciación de la actividad motora. Los
receptores no-NMDA, que aparecen comúnmente en las células que poseen R-NMDA, eliminan el bloqueo
dependiente de voltaje que ejerce el Mg++ sobre el canal del R-NMDA, por lo que participan en las funciones
que dependen de la activación del R-NMDA. La activación de los receptores metabotrópicos glutamatérgicos
tiene efectos variables, sin embargo de forma general se acepta que los del grupo I incrementan la
excitabilidad neuronal a través de la inhibición de varios canales de K+ activados por voltaje; en tanto que, los
del grupo II y III, disminuyen la liberación de neurotransmisores. Sin embargo, aumentos excesivos en la
concentración extracelular de Glu, producen sobreactivación de los receptores glutamatérgicos, condición que
puede promover la generación de crisis convulsivas, así como la activación de diferentes vías de señalización
intracelular que producen muerte celular. A este tipo de muerte se le conoce como excitotoxicidad y se
propuesto como causante de la muerte neuronal que se produce por un episodio hipoxi-isquémico, trauma
cráneo encefálico y epilepsia. Por lo que, tanto antagonistas NMDA como no-NMDA protegen efectivamente
contra las crisis convulsivas y el daño neuronal excitotóxico, pero también pueden evitar los fenómenos de
potenciación de largo término o depresión de largo término asociados con la plasticidad neuronal.
4. ADMINISTRACIÓN SISTÉMICA DE GLUTAMATO MONOSÓDICO. MODELO DE…
El glutamato monosódico (GMS) es uno de los análogos glutamatérgicos de amplio espectro (activa a todos
los receptores glutamatérgicos) más utilizados para el estudio de los efectos in vivo del Glu, debido
probablemente a su elevada solubilidad en agua, así como a su alta penetrabilidad a través de la BHE. Sin
embargo, como en la mayoría de los modelos experimentales de este tipo, los efectos del GMS dependen de la
dosis, la vía de administración, la especie, edad y sexo de los animales de experimentación. Así, aunque
prácticamente todos los mamíferos son susceptibles a los efectos excitadores y tóxicos del GMS, el conejo
está entre los más resistentes, en tanto que la rata y algunas especies de primates son altamente susceptibles.
En cuanto al sexo, los experimentos en roedores adultos han demostrado que el efecto tóxico del GMS es
mayor en los machos que en hembras. Además, la susceptibilidad a los efectos tóxicos del GMS parece ser
mayor en animales recién nacidos que en los adultos. Respecto a la dosis, la mayoría de los trabajos con
roedores adultos machos, reportan que una sola administración de 5g de GMS por Kg de peso corporal, por
vía intraperitoneal, produce crisis convulsivas tónico clónicas generalizadas que culminan con la muerte del
animal. Sin embargo, dosis menores, consideradas subconvulsivas, pueden producir muerte neuronal en
diversas regiones neuronales, particularmente en aquellas áreas cerebrales donde la barrera hematoencefálica
es poco eficiente, tales como el núcleo arcuato y otros núcleos hipotalámicos. Por lo que, la administración
única o repetida de 4g de GMS por Kg de peso corporal por vía sistémica a roedores adultos, modifica
rápidamente el apetito y la susceptibilidad al estrés. Por otro lado, la misma dosis de GMS aplicada por vía
subcutánea a animales recién nacidos produce pérdida de neuronas piramidales, de células GABAérgicas y
dopaminérgicas en diferentes regiones cerebrales, que se asocian con aumento en la susceptibilidad a
diferentes convulsionantes y al estrés, así como con una disminución en la capacidad motora y de aprendizaje.
Además, el tratamiento neonatal con GMS induce hiperplasia e hipertrofia de los astrocitos y células
microgliales en la corteza cerebral y el hipocampo de ratas adultas.
De acuerdo con todo lo anterior la administración sistémica de GMS, dependiendo de sus especificaciones,
puede constituirse en un modelo de daño neuronal, de inducción de crisis epileptiformes, de obesidad, de
estrés, de déficit de aprendizaje, de alteraciones locomotrices, entre otros. Lo que sugiere que siempre que se
describe un modelo experimental, se asuma que son solo aproximaciones a la realidad y se consideren todos
los detalles de su aplicación para poder reproducir resultados y hacer nuevas evaluaciones.
De esta manera adquiere importancia particular tener siempre en mente la frase que cita “El mejor modelo de
un gato es un gato y de preferencia el mismo gato”, enunciada por Nobert Weiner, alrededor de 1950.
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