Función neuroprotectora de los factores insulínicos El factor neuroprotector IGF-I ayuda a sobrevivir a las neuronas y constituye una de las señales más potentes y versátiles que se conocen © FOTOLIA / KTSDESIGN (fondo) SILVIA FERNANDEZ, JOSE LUIS TREJO, ANA M.A FERNANDEZ E IGNACIO TORRES ALEMAN H ace millones de años, el gusano Caenorhabditis elegans y otros organismos pluricelulares de su sencillez poseían ya un sistema complejo de regulación de la función corporal. Contaban para ello con un protocerebro, constituido por grupos de neuronas dispersas. Una de tales funciones, crítica para la supervivencia, consistía en acoplar el gasto energético a la disponibilidad de comida. Ciertas neuronas sensoriales cercanas a la boca del gusano envían señales al intestino y otros tejidos relativas a la co- 80 mida detectada en el entorno, para que el metabolismo del animal se adapte. En intervalos de escasez prolongada, el animal entra en una fase de latencia. Para regular el proceso, las neuronas en cuestión utilizan mensajeros químicos cuya notable eficacia justifica su persistencia en la escala evolutiva hasta el hombre. Uno de estos mensajeros son los “factores insulínicos” (IGF). De ellos se conocen más de una treintena en C. elegans y alrededor de 10 en mamíferos (véase el recuadro “El sistema IGF en mamíferos”). Han recibido particular atención tres factores: la insulina, el IGF-I y el IGF-II. La insulina, que está implicada en la diabetes, fue la primera proteína de la que se conoció su secuencia entera. El IGF-I y IGF-II, parecidos a la insulina, intervienen en el control del crecimiento. Muchas operaciones de estos factores tróficos vienen mediadas por el receptor IGF-I, razón por la cual los estudios se han centrado en éste. La acción citoprotectora del IGF-I se extiende a todos los tejidos del cuerpo. MENTE Y CEREBRO 38 / 2009 Se sabe que este péptido trófico interviene en el desarrollo cerebral. Por manipulación genética se demostró, en ratones de laboratorio, que la falta de IGF-I producía microcefalia y su exceso, cerebros gigantes. El IGF-I constituye también un factor neuroactivo en el cerebro adulto. Los factores tróficos operan in situ. Durante el desarrollo embrionario, el cerebro produce IGF-I en cuantía suficiente para controlar la organización de sus poblaciones celulares. Sin embargo, alcanzada la fase adulta, el cerebro deja de fabricar IGF-I, salvo en ciertas áreas restringidas y en cantidad limitada. Al parecer, para satisfacer su demanda el cerebro adulto toma IGF-I de la periferia. Con ese fin ha desarrollado un sistema específico de captación de IGF-I sanguíneo, donde abunda dicho factor trófico. Pese al coste energético que ello supone, el IGF-I presente en la circulación reviste un interés primordial para el correcto funcionamiento del cerebro. En el nemátodo C. elegans es el tejido nervioso el que contiene neuronas sensibles a los IGF para controlar funciones somáticas; esos factores se sintetizan en neuronas y en tejidos periféricos. En vertebrados, los factores insulínicos se sintetizan en muchos tejidos, pero las principales fuentes suministradoras comparten un mismo origen embrionario (intestino, hígado y páncreas). Recuérdese, además, que el metabolismo de la glucosa en los vertebrados se controla mediante neuronas sensibles a insulina procedente de la sangre. El cerebro detecta, pues, cambios sistémicos de IGF-I para regular funciones corporales. En nuestro laboratorio nos hemos centrado en analizar ese aspecto de las acciones cerebrales del IGF-I sérico. Otros ejemplos de factores tróficos neuroactivos que provienen de la periferia, aun siendo producidos localmente por el propio cerebro, son las hormonas gonadales; las sintetizadas por células nerviosas reciben el nombre de neuroesteroides. Hormonas gonadales y neuroesteroides cumplen importantes papeles en la fisiología nerviosa. Los factores BDNF o VEGF, críticos en la fisiología cerebral, se sintetizan también en la periferia y son captados por el cerebro (véase el recuadro MENTE Y CEREBRO 38 / 2009 “Las señales tróficas que llegan al cerebro pueden tener orígenes diversos”). Hasta la fecha no ha sido fácil delimitar las funciones de cada factor según provenga del interior del cerebro o de otro órgano. Para el caso del IGF-I, conocemos mejor el significado funcional del periférico que el del cerebral. De hecho, apenas si sabemos algo sobre la misión del IGF-I producido localmente: cuando lo eliminamos por manipulación genética, los animales sin IGF-I neuronal no muestran problemas evidentes, mientras que los ratones que tienen niveles bajos de IGF-I sérico presentan déficits cerebrales de muy diverso tipo (véase el recuadro “Alteraciones cerebrales en ratones con déficits selectivos de IGF-I”). Se había observado que el IGF-I producido en la periferia alcanzaba el cerebro, lo que no acaba de encajar en lo que se sabía sobre la barrera hematoencefálica (véase el recuadro “Organización de las barreras sangre-cerebro”). Hasta que una segunda observación nos hizo prestar más atención al asunto. Se advirtió en enfermedades del sistema nervioso de diferente origen (demencias, accidentes vasculares, depresión o degeneraciones de origen genético) que los niveles circulantes de IGF-I y varias de sus proteínas reguladoras (denominadas proteínas unidoras de IGF o IGFBP) se encontraban alterados de forma dispar. Resultaba claro que el sistema IGF-I circulante era sensible a disfunciones cerebrales, una percepción bastante sorprendente si tenemos en cuenta que hasta entonces el IGF-I circulante se consideraba una hormona encargada del crecimiento de los órganos del cuerpo y un promotor de supervivencia celular muy potente. Papel del IGF-I en procesos neurodegenerativos Ignoramos por qué el IGF-I de la sangre se modifica en enfermedades neurodegenerativas, lo que no impide que aventuremos una hipótesis y nos aprestemos a determinar por vía experimental su validez. En nuestra opinión, el IGF-I sérico constituye una señal homeostásica esencial para el correcto funcionamiento del cerebro y forma parte del sistema de neuroprotección, encargado de vigilar Las señales tróficas que llegan al cerebro pueden tener orígenes diversos Periféricas Esteroides gonadales; BDNF; VEGF; IGF-I Locales Neuroesteroides; BDNF; VEGF; IGF-I Las moléculas tróficas pueden fabricarse por células cerebrales o por tejidos de la periferia. Se indican algunos ejemplos bien documentados. Se ignora la razón de tal pluralidad de fuentes de factores tróficos para el cerebro, un fenómeno en apariencia redundante. el correcto funcionamiento del sistema nervioso. Si andamos en lo cierto, se operarían cambios en los niveles de esta hormona neuroprotectora en procesos neurodegenerativos, cambios que podrían anteceder a la enfermedad o ser un reflejo de la misma. Según cuál de ambas situaciones se dé, será diferente el significado patogénico del IGF-I circulante. Si los cambios en los niveles de IGF-I en sangre anteceden a la aparición de la enfermedad, podrían considerarse origen del problema; se trataría de cambios etiopatogénicos. Y habría que conocer qué alteraciones provocan cambios en los niveles en sangre de IGF-I para corregirlos y evitar la neurodegeneración. Si los cambios son secundarios a los primeros síntomas de un proceso neuro- El sistema IGF en mamíferos Ligandos Insulina IGF-I, II y III Relaxinas 3 y 5 INSL 4-6 Receptores Insulina IGF-I IGF-II Receptores relaxina (LGRs) Proteínas transportadoras IGF-binding proteins (IGFBPs) 1-6 IGFBPLPs7-10 81 IGNACIO TORRES, JOSE LUIS TREJO, CONCEPCION PEREZ-MEDEL El IGF-I en el cerebro adulto RESUMEN Nuevas claves de la salud cerebral 1 Los factores insulínicos constituyen reguladores esenciales de la salud cerebral. 2 Su origen fundamentalmente periférico (fuera del cerebro) revela una organización fisiológica novedosa y de momento mal entendida. 3 Constituyen un nexo de unión entre el cuerpo y el cerebro. De esta manera el cerebro se informa de las alteraciones corporales producidas por cambios ambientales de muy diverso origen. 4 Se encuentran alterados en la mayoría de las enfermedades que afectan al cerebro, lo que sugiere un potencial terapéutico que se está explorando activamente. degenerativo, podrían reflejar respuestas compensatorias de la enfermedad. En las neuronas dañadas, su demanda de factor neuroprotector aumentará y, por tanto, los niveles en sangre podrían verse modificados. En ambos casos, es probable que la administración de IGF-I ejerza efectos terapéuticos. Pensamos que las dos posibilida- Alteraciones cerebrales en ratones con déficits selectivos de IGF-I LID TID Neurogénesis = Transmisión glutamatérgica Sd Aprendizaje espacial = Respuestas a ejercicio Sd Aclaramiento de amiloide Sd Comportamiento depresivo = LID: mutantes deficitarios en IGF-I circulante TID: mutantes deficitarios en IGF-I cerebral Sd: sin determinar 82 des pueden darse: que haya enfermedades neurodegenerativas desencadenadas por un mal funcionamiento de señales tróficas (el propio IGF-I) y que, como consecuencia de problemas degenerativos, los niveles de IGF-I en suero se alteren en un intento de paliar el problema. Incluso ambas situaciones podrían coexistir. La mayoría de los datos apuntan a que los cambios patológicos en el sistema de neuroprotección por IGF-I anteceden a los procesos neurodegenerativos. Por tanto, la prevención de estas enfermedades será posible cuando entendamos qué procesos desencadenan los defectos en la función del IGF-I. Si los cambios en IGF-I ocurren en respuesta a la enfermedad, la administración del péptido puede tener efecto terapéutico, igual que si se administra en procesos degenerativos causados inicialmente por problemas con el IGF-I. El IGF-I y los trastornos mitocondriales La mitocondria genera energía a partir del O2 que respiramos, en un proceso que transforma las calorías que ingerimos en energía química, agua y dióxido de carbono. La energía producida se almacena en forma de ATP, la fuente de energía que utilizamos para vivir. Con el corazón y el músculo, el cerebro es el órgano que consume la mayor parte de esa energía, un 20 % respecto a un 2 % del total de la masa de nuestro cuerpo. Para producir esa energía, las neuronas, células cardiacas y de músculo esquelético cuentan con una alta densidad de mitocondrias. A pesar de que la mayoría del O2 que consume la mitocondria se reduce a agua, a través de una serie de reacciones enzimáticas en la cadena respiratoria, si el O2 se reduce de forma incompleta se produce el anión superóxido (O2 –). A esa pérdida de electrones se la llama oxidación; los productos que se generan se denominan radicales libres o ROS (especies reactivas de oxígeno). En condiciones normales, los radicales libres pueden ser eliminados o transformados en productos inocuos a través de oxidasas, enzimas mitocondriales. En condiciones patológicas, el anión O2–, por acción de las mismas enzimas antioxidantes, puede aumentar el número de radicales libres y generar moléculas de H2O2 y de radical hidroxilo (OH—), entre otras. La acumulación de estas moléculas provoca estrés oxidativo, que causa daños irreparables en la célula, pues modifica la estructura y función de macromóleculas vitales (ADN, lípidos y proteínas), llevando a la célula a una muerte prematura. Si el aumento de estrés oxidativo afecta a las neuronas, se instará una enfermedad neurodegenerativa. El ADN mitocondrial (ADNmt), que sintetiza la mayoría de las oxidasas necesarias en la cadena respiratoria, carece de histonas y presenta una alta tasa de mutaciones. Además, se muestra sensible al daño por estrés oxidativo, debido a su cercanía con la cadena transportadora de electrones (productora de ROS). Se supone que el aumento de mutaciones somáticas en el ADNmt contribuiría a una degradación fisiológica relacionada con el envejecimiento y con el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas asociadas a la edad. El estrés, la exposición a determinados compuestos químicos, la inflamación crónica, el exceso de glucosa, algunos medicamentos, el alcohol, el tabaco o la radiación solar generan un aumento de estrés oxidativo en nuestras células, lo que repercute en la aceleración de los procesos de senescencia celular. Una alimentación correcta y el ejercicio, entre otras estrategias antioxidantes, contribuirían a ralentizar estos procesos (véase el recuadro “Especies reactivas de oxígeno (ROS) y enfermedades neurodegenerativas”). Los síntomas asociados a una disfunción mitocondrial patológica dependen del tipo de células del cuerpo afectadas y pueden incluir retardo de crecimiento, pérdida de coordinación muscular (ataxia), problemas visuales y de audición, enfermedades cardiovasculares, hepáticas, gastrointestinales, disfunción del sistema inmunitario y diabetes, problemas neurológicos, retardo de aprendizaje y memoria e incluso demencia. También en ciertos trastornos neurológicos se han descubierto mutaciones en el ADN nuclear, que modifican la síntesis o función de proteínas mitocondriales esenciales en la cadena respiratoria (frataxina en la ataxia de Friedreich o PINK1, MENTE Y CEREBRO 38 / 2009 Organización de las barreras sangre-cerebro MENTE Y CEREBRO 38 / 2009 Organización de las barreras hematoencefálicas Barrera sangre-cerebro Podocitos gliales Endotelio sellado Receptor IGF-I Desmosoma Parénquima cerebral q Torrente circulatorio No hay difusión de moléculas Barrera sangre-LCR Líquido cefalorraquídeo Epitelio Endotelio fenestrado Torrente circulatorio Libre circulación de moléculas IGNACIO TORRES, JOSE LUIS TREJO, CONCEPCION PEREZ-MEDEL DJ1 en parkinson) y, por ende, agravan el estrés oxidativo. Lo mismo el envejecimiento que numerosas enfermedades neurodegenerativas están asociados a un aumento de estrés oxidativo en el cerebro. Se sabe que, en la enfermedad de Alzheimer (EA), en la de Huntington (HD), en la ataxia de Friedreich (FRDA), el parkinson o la esclerosis lateral amiotrófica (ALS), concurren una disfunción mitocondrial y un aumento de estrés oxidativo en etapas tempranas de la patología (véase el recuadro “IGF-I como terapia en enfermedades neurodegenerativas allí donde el estrés oxidativo pueda constituir un riesgo importante”). En pacientes con EA hay síntomas de daño por estrés oxidativo antes de manifestarse la acumulación de placas. El estrés oxidativo podría ser un agente causal de la enfermedad que induciría el depósito de péptido -amiloide. A su vez, la acumulación de péptido -amiloide genera estrés oxidativo y oxidación de proteínas antioxidantes, como tiorredoxina-1 (Trx1) y glutarredoxina-1 (GRX1), con la consiguiente apoptosis neuronal. En la enfermedad de Parkinson existe también disfunción mitocondrial. Las proteínas alfa-sinucleína, parkina o PINK desempeñan funciones esenciales en la mitocondria. Su pérdida insta la muerte selectiva de las neuronas dopaminérgicas de la sustancia nigra del cerebro. La esclerosis lateral amiotrófica es otra enfermedad neurodegenerativa con un componente mitocondrial y de estrés oxidativo. El 20 % de pacientes con ALS familiar poseen mutaciones en el gen Cu/Zn SOD que origina deficiencias en respiración mitocondrial, transferencia de electrones, síntesis de ATP, así como daño oxidativo en proteínas y lípidos mitocondriales. Esto se observa ya en etapas previas al desarrollo de la enfermedad. La enfermedad de Huntington es un trastorno neurodegenerativo causado por una mutación autosómica en la proteína huntingtina (Htt). Esta proteína mutada presenta el aminoácido glutamina repetida reiteradamente, es decir, un polyQ. La Htt se expresa mayoritariamente en neuronas, la presencia de polyQ produce la acumulación de huntingtina mutada en núcleo y dendritas neuronales llevando En la parte superior se muestra el esquema organizativo de la barrera entre los vasos cerebrales y el parénquima cerebral, que separa la circulación sanguínea del tejido. Las células endoteliales de los capilares sanguíneos están unidas por uniones estrechas que impiden el paso libre de moléculas. En la parte inferior se muestra la estructura del plexo coroideo, constituida por una monocapa de células epiteliales unidas por uniones estrechas. Esta capa constituye la barrera físico-funcional entre la sangre y el líquido cefalorraquídeo. El plexo, regado abundantemente por un denso entramado vascular, contiene vasos fenestrados normales; entre las células endoteliales de la pared del vaso existe paso libre de moléculas. a una pérdida selectiva de neuronas en estriado y la corteza cerebral. En ratones modelo de la enfermedad se registra una disminución de la síntesis de ATP y de la respiración mitocondrial, mucho antes del desarrollo de anomalías neurológicas. Por último, en el caso de la FRDA la disminución de la expresión de la proteína mitocondrial frataxina genera estrés oxidativo, acumulación de hierro en la mitocondria y muerte celular. La frataxina se expresa en tejidos con alta actividad metabólica (corazón y neuronas espinales); encontramos niveles intermedios de la misma en cerebelo, hígado, músculo esquelético y páncreas, y niveles bajos, en corteza cerebral. La ausencia de esta proteína en la ataxia cerebelosa comporta la pérdida de neuronas sensoriales en la raíz de los ganglios dorsales y en la médula espinal, así como cambios neurodegenerativos subsiguientes en cerebelo, medula y pons. Los enfermos de ataxia de Friedreich tienen una corta esperanza de vida y padecen una alta incidencia de diabetes y cardiopatías. Estrés oxidativo y muerte neuronal Pero seguimos sin conocer el mecanismo exacto en cuya virtud el estrés oxidativo determina la muerte de las neuronas. Se ignora si es causa o consecuencia de un trastorno neurodegenerativo. Los datos experimentales muestran que es un componente en ambos casos. El análisis post-mortem de tejidos de pacientes nos revela el estado final de la enfermedad, aunque no la causa ni su desarrollo. Si consideramos además que en la mayoría de las enfermedades neurodegenerativas la latencia y desarrollo del proceso hasta que se manifiesta la sintomatología puede tardar años e incluso décadas, el análisis de la historia natural de tales enfermedades se complica bastante. En general, la disfunción mitocondrial y la producción excesiva de ROS acontece antes de la detección de la enfermedad. Un tratamiento preventivo o en el momento en que aparecen los primeros síntomas y enfocado a la eliminación del estrés oxidativo podría evitar la muerte neuronal. En el mejor de los casos, ni siquiera 83 Especies reactivas de oxígeno (ROS) y enfermedades neurodegenerativas Exposición factores compuestos medioambientales Infecciones S YIngesta S Yglucosa Radiación solar Aumento edad Generación Gener ra de especies reactivas de oxígeno (ROS) S Yestrés oxidativo O–2 ,H202 ,NO,HO–,ROO–,ONOO– Enzzima Enzimas i s antioxidantes antioxidante d e catala catalasa,SOD,GPX,PRX asa SOD GPX PRX GSH Sistema redox GSH/GR TRX/TR AK2 CEREBRO Alzheimer Cáncer Ataxias Parkinson Neuropatías Envejecimiento en músculo demoró la progresión de la enfermedad. El IGF-I protege el músculo del daño mitocondrial por radicales libres en ratones mutantes en superóxido dismutasa SOD1 (modelo de la enfermedad genética en humanos). Se admite, además, que el IGF-I constituye un factor importante en la enfermedad de Parkinson. El receptor de IGF-I se expresa en neuronas dopaminérgicas de la sustancia nigra. Ese factor insulínico ejerce un efecto neuroprotector de las neuronas en cuestión frente a neurotoxicidad inducida por compuestos que imitan la enfermedad. En neuronas de cerebelo de rata directamente sometidas a H2O2, el IGF-I las protegió ante la apoptosis y promovió su supervivencia. En resumen, el IGF-I previene y protege frente a estrés oxidativo en situaciones neurodegenerativas de distinto origen y podría convertirse en terapia universal para el tratamiento de las enfermedades mencionadas. Neurogénesis, neurodegeneración e IGF-I La exposición a agentes externos, una dieta desequilibrada o el envejecimiento producen una disfunción en la actividad mitocondrial que da lugar a SILVIA FERNANDEZ, JOSE LUIS TREJO un aumento de ROS. Las enzimas antioxidantes mitocondriales y el sistema redox eliminan la toxicidad de dichas moléculas y las transforma en otras inocuas para la célula. Si el aumento de estrés oxidativo persiste, el sistema de detoxificación se satura y provoca la muerte neuronal; a largo plazo, se presentan patologías neurológicas, que se agravan por una retroalimentación positiva que mantiene o incrementa los niveles de ROS. aparecerían los síntomas; pensemos, por ejemplo, en la ataxia de Friedreich, corea de Huntington o esclerosis lateral amiotrófica. Del tratamiento paliativo ante los primeros síntomas se beneficiarían la demencia de Alzheimer y el parkinson. Resumiendo, uno de los factores comunes en todas las enfermedades neurodegenerativas es la producción de ROS y aumento de estrés oxidativo. En la búsqueda de un tratamiento, el IGF-I se nos ofrece como un candidato idóneo. Este péptido protege a las neuronas de manera directa, a través de la glía o por ambas vías. Rebaja la inflamación y el estrés oxidativo. La concentración de IGF-I en suero disminuye con la edad y en algunas 84 enfermedades neurodegenerativas. En un modelo de envejecimiento en ratas, se observó un gran aumento de daño oxidativo en el cerebro e hígado asociado a alteraciones en enzimas antioxidantes, que se pudo revertir administrando dosis bajas de IGF-I, con la normalización de la actividad antioxidante y de la función mitocondrial consiguiente. En el caso de la enfermedad de Alzheimer, el tratamiento con IGF-I aumenta la concentración de Trx1 y Grx1, previniendo así la muerte neuronal. Se ha informado también que el IGF-I desempeña una función en el músculo dañado. En cierto modelo de esclerosis lateral amiotrófica, la sobreexpresión de IGF-I La formación de nuevas neuronas en el cerebro adulto representa un proceso complejo, en el que los precursores neurales que residen en la región subventricular de los ventrículos laterales y el giro dentado hipocampal se dividen, mientras su progenie migra y finalmente se diferencia y madura hasta integrarse en circuitos preexistentes. La neurogénesis importa para conocer las enfermedades neurodegenerativas. Los descubrimientos han desmentido el axioma recibido sobre la “nula capacidad regenerativa” del cerebro adulto. Y se ha abierto la esperanza sobre la capacidad de reponer neuronas perdidas en procesos normales o patológicos. Añádase que asistimos a una revisión del concepto de neurodegeneración, para incluir en el mismo la “falta de plasticidad neural”. Así, una disminución progresiva de la capacidad del cerebro para responder plásticamente al desgaste asociado al envejecimiento o a la constante demanda de procesamiento de la información, acarrearía la cascada de acontecimientos que conforman la neurodegeneración molecular, celular y cognitiva. Con ese MENTE Y CEREBRO 38 / 2009 Htt Ht H ttt polyQ SO SOD OD1 mut. OD -si -ss nucleína P Par Pa a kin kina a FFra rratax taxxina ta ina in a -am a ilo ami il ide I IGF- Neurodegeneración primaria y neurodegeneración secundaria Por lo que respecta a enfermedades de neurodegeneración primaria, la enfermedad de Alzheimer se asocia con alteraciones en la proliferación celular y el control del ciclo celular de los precursores neurales, cambios detectados post-mortem. Los ratones transgénicos que expresan el gen mutado de la presenilina-1 tienen afectada la neurogénesis como consecuencia de atrofia neuronal, apoptosis y astrogliosis. Otro modelo animal, los ratones que sobreexpresan formas mutadas del precursor del -amiloide, presentan un incremento anómalo de proliferación celular que no ha sido vinculado a un incremento en la neurogénesis adulta. Los experimentos in vitro sugieren que el péptido -amiloide es tóxico para los precursores neurales. En cuanto a la enfermedad de Parkinson, con una progresiva pérdida de neuronas dopaminérgicas, los pacientes sufren hiposmia (pérdida de olfato) en las etapas iniciales, lo que ha sido relacionado con una alteración en la neurogénesis adulta, que produce interneuronas dopaminérgicas en estructuras cerebrales olfativas. Los estudios post-mortem demuestran una caída de precursores neurales en el hipocampo. En experimentos sobre ratones se ha comprobado que la falta de dopamina restringe la neurogénesis olfativa e hipocampal. En cuanto a patologías originadas por neurodegeneración secundaria, como la isquemia, se ha demostrado en los diferentes tipos estudiados (isquemia global local, derivada de daño traumático u otras lesiones) que existe un aumento de MENTE Y CEREBRO 38 / 2009 RO ROS OS OS Es Est E sttrés rés o ré ox oxida xid dativo vo A AT ATP TP T P IGF-I IGF I Daño celular arr Ap Apo pop pttosis pto osis sis / Nec Ne ros ro is is Neurodegeneración SILVIA FERNANDEZ, JOSE LUIS TREJO, CONCEPCION PEREZ-MEDEL nuevo enfoque, han engrosado la lista de enfermedades relacionadas con la neurodegeneración la depresión y otras. De ahí que la neurogénesis en el cerebro adulto ocupe ahora el centro en la etiología de las enfermedades neurodegenerativas (véase el recuadro “Enfermedades neurodegenerativas y neurogénesis”). Se ha observado que cursan éstas con una alteración de la capacidad neurogénica de la formación hipocampal, íntimamente relacionada con el aprendizaje y la memoria. IGF-I como terapia en enfermedades neurodegenerativas allí donde el estrés oxidativo pueda constituir un riesgo importante Se han encontrado modificaciones en la expresión, en la función o en ambas de proteínas que son la causa o el efecto de diversas patologías neurodegenerativas. Las modificaciones observadas guardan relación directa con una deficiente actividad mitocondrial, un aumento de estrés oxidativo de ROS y una disminución en la producción de energía en forma de ATP. El daño celular que se produce puede llevar a la muerte neuronal por apoptosis y, por tanto, a un proceso de neurodegeneración. El IGF-I relajaría el estrés oxidativo, evitaría la muerte neuronal y, por ende, el desarrollo o agravamiento de ciertas enfermedades neurodegenerativas. proliferación neurogénica en respuesta a la muerte celular en áreas adyacentes a los focos de la lesión. Las células migran hacia las áreas afectadas. El proceso tiene lugar desde unos días después de la lesión hasta semanas tras el suceso. No es de extrañar, pues, que numerosos factores de crecimiento y otras moléculas que promueven la proliferación, la supervivencia o ambas, de los precursores neurales en el cerebro adulto se hayan encontrado en las áreas adyacentes a una lesión isquémica. Entre los factores aludidos, citaremos IGF-I, BDNF, EGF, FGFb, VEGF, NO y hormonas. Si la depresión se considera una incapacidad para enfrentarse a la novedad o la complejidad, la neurogénesis hipocampal adulta se toma por una de las formas conspicuas de plasticidad adaptativa del cerebro adulto. Sobre modelos animales, se ha demostrado que los procesos de estrés, ansiedad o ambos, que pueden conducir a una manifestación similar a la depresión, ocasionan alteraciones en la neurogénesis hipocampal adulta. El trabajo realizado en nuestro laboratorio ha permitido mostrar, además, que los ratones que carecen de IGF-I, clave para la neurogénesis adulta, se revelan más depresivos y con mayor nivel de ansiedad que sus congéneres normales, cuando sufren una drástica reducción del número de neuronas recién nacidas en el hipocampo. Se da una estrecha relación entre ciertos factores de crecimiento, neurogénesis adulta y enfermedades neurodegenerativas. La falta o disminución de los niveles de algunos factores de crecimiento podrían estar detrás de tales patologías o de la aparición de alguno de sus síntomas, al tiempo que serían responsables de una merma de la capacidad neurogénica del cerebro adulto. Recordemos la vinculación directa entre el IGF-I y la enfermedad de Alzheimer y con la neurogénesis hipocampal. Pruebas del mismo tenor se han cosechado para otros factores (el 85 Enfermedades neurodegenerativas y neurogénesis Enfermedad de Alzheimer Apoptosis Placas de -amiloide Deplección de precursores Enfermedad de Parkinson Precursores activos Sustancia nigra Estriado Muerte y degeneración neuronal en ncia nigra sustancia Sustancia nigra normal Isquemia Isqu ue emia Vasculatura Vascu ulatura del del cerebro de c b Factores tróficos Barrera Barrer rre erra a hematoencefálica hem matoencefálica e Zona de penumbra A Astrocito Células precursoras oras La enfermedad de Alzheimer genera multitud de déficits relacionados con el número de neuronas activas. No sólo las neuronas maduras sufren procesos de muerte, también los precursores neurales del cerebro adulto pueden disminuir en su número como consecuencia del desarrollo de las placas de -amiloide y los ovillos neurofibrilares. En la enfermedad de Parkinson la degeneración neuronal y muerte de las neuronas de la sustancia nigra conJOSE LUIS TREJO, CONCEPCION PEREZ-MEDEL duce a la deaferentación progresiva del estriado, con la consiguiente pérdida de suministro de dopamina. Aunque en esta patología se ha detectado una activación de precursores neurales en el estriado. De modo similar, tras un suceso de isquemia, la zona adyacente al foco isquémico, o zona de penumbra, es inundada con factores tróficos que podrían activar el reclutamiento de nuevos precursores celulares —residentes en la propia área o procedentes del torrente sanguíneo— que atravesarían la barrera hematoencefálica para repoblar el parénquima nervioso afectado. 86 BDNF) o en otras patologías (isquemia y el VEGF). Se desconoce la causa primaria de tales enfermedades neurodegenerativas y la de sus sintomatologías propias. Ignoramos la función real de la formación de nuevas neuronas en el hipocampo adulto. La idea de una relación directa entre neurogénesis y neurodegeneración se apoya en los tratamientos efectivos para aliviar la sintomatología cognitiva o comportamental de las enfermedades neurodegenerativas, que producen también una recuperación de la capacidad neurogénica deteriorada. El deterioro cognitivo de la enfermedad de Alzheimer ha sido tratado, por ejemplo, mediante la exposición a ambientes enriquecidos, enriquecimiento que es un conocido estímulo de la neurogénesis hipocampal adulta. Dicha mejoría cognitiva no depende de la eliminación de placas seniles en el cerebro de los animales tratados, que presentan, en cambio, un considerable aumento de factores de crecimiento, entre ellos IGF-I, y de la neurogénesis en el hipocampo. En cuanto a los modelos animales de la enfermedad de Parkinson, se ha descubierto que existe cierta capacidad de reparación endógena en las áreas cerebrales afectadas, en forma de neurogénesis regenerativa de nuevas neuronas dopaminérgicas que exhiben marcadores propios de las neuronas perdidas. El tratamiento paliativo con BDNF o PDGF en ratones con lesiones simulando los síntomas del Parkinson genera nuevas neuronas en el estriado, pero no en la sustancia nigra. El enriquecimiento ambiental, por su parte, incrementa la generación de precursores sin contribuir de modo neto a la neurogénesis en la sustancia nigra. El ejercicio físico y el enriquecimiento ambiental se han mostrado también útiles en la prevención de isquemia inducida. Tratando modelos murinos de isquemia de diferentes tipos con diversos factores de crecimiento, no sólo se recupera la función de las áreas lesionadas, sino que se incrementa también la formación y migración de nuevas neuronas en la zona adyacente al foco isquémico. En relación a la esclerosis lateral amiotrófica, se ha demostrado cierta repoblaMENTE Y CEREBRO 38 / 2009 Neuroinflamación e IGF-I La inflamación constituye un mecanismo de defensa del organismo en respuesta a agresiones tisulares. Se caracteriza por la invasión de células inmunitarias circulantes (linfocitos y macrófagos) y la inducción o activación de mediadores (citoquinas). La fase aguda de la inflamación limita la proliferación de patógenos y se caracteriza por la producción de proteínas en el hígado, activación del sistema nervioso simpático, cambios en la función cardiovascular, alteración del sistema neuroendocrino (principalmente activación del eje hipotálamo-hipófisis-adrenal MENTE Y CEREBRO 38 / 2009 TNF IGF-I Calcineurina Calcineurina Microglía TNF Inflamación Astrocitos reactivos IGF-I Neuroprotección Neurona Endotelio Un daño cerebral provoca la secreción de citoquinas proinflamatorias, como el ANA FERNANDEZ, JOSE LUIS TREJO ción con nuevas neuronas motoras en las regiones degeneradas. Puesto que el tratamiento con IGF-I en casos de ELA causa un notable incremento de la supervivencia celular, al tiempo que es un potente promotor de la neurogénesis adulta, la investigación de las terapias se ha iniciado en la neurogénesis de médula espinal adulta. Por su parte, los tratamientos antidepresivos y ansiolíticos han sido vinculados con un incremento en la neurogénesis hipocampal adulta. Los datos avalan la consideración de la deficiencia en neurogénesis como una probable causa de la depresión. Los antidepresivos incrementan la tasa de proliferación de los progenitores neurales, sin modificar la capacidad de supervivencia de su progenie. Y se ha sugerido que la acción de los antidepresivos podría depender de factores de crecimiento como BDNF e IGF-I, así como del eje hipotálamo-hipofiso-adrenal y los glucocorticoides, todos ellos factores que directamente influyen en la neurogénesis. Merece especial atención la acción antidepresiva y ansiolítica del ejercicio físico. Nuestro grupo ha puesto de relieve que ambas acciones del ejercicio son mediadas por IGF-I a través de un mecanismo que implica neurogénesis hipocampal. En dicho estudio, los animales con mayor grado de ansiedad y menor neurogénesis se sometieron a sesiones de ejercicio físico, obteniéndose una acción ansiolítica sólo en los grupos en los que se recuperó la neurogénesis hipocampal. Posible secuencia de la activación temporal de la calcineurina y de la acción neuroprotectora del IGF-I en un proceso inflamatorio TNF por la microglía reactiva. El TNF, a su vez, estimularía (flecha roja) a la calcineurina de astrocitos y desencadenaría la cascada inflamatoria. La secreción de IGF-I local por astrocitos, microglía y fuentes periféricas incrementaría la actividad de la calcineurina (flecha azul) que pondría en marcha las rutas neuroprotectoras. El resultado sería la protección de las neuronas en las zonas de lesión. que lleva a la producción de esteroides antiinflamatorios), cambios en la conducta dirigidos a conservar la energía como aumento de sueño, sopor, apetito reducido y fiebre. Estas respuestas inflamatorias tienen claros beneficios en los estados infecciosos cuando se activan de una manera regulada y durante un tiempo definido. Sin embargo, una inflamación sostenida y excesiva es causa de numerosas enfermedades. Durante años se consideró al sistema nervioso central (SNC) exento de inmunidad, es decir, no susceptible de inflamación sistémica ni de respuestas inmunitarias. Pero la investigación ha demostrado que en respuesta al daño, infección o enfermedad, las células del SNC producen mediadores inflamatorios: citoquinas proinflamatorias, prostaglandinas, radicales libres y moléculas del sistema del complemento. Estas, a su vez, inducen la síntesis de quimoquinas y moléculas de adhesión, reclutan células inmunitarias y activan células gliales. La diferencia fundamental entre la inflamación sistémica y cerebral estriba en el reclutamiento de los leucocitos, mucho más lento en el SNC. Para compensar, el SNC activa la microglía y libera mediadores inflamatorios. Sabemos ya que la neuroinflamación en el SNC contribuye al progreso de enfermedades degenerativas agudas o crónicas y quizá de algunos trastornos psiquiátricos. Pero no se conocen los mecanismos que desencadenan allí las respuestas inflamatorias. La mayoría de los mediadores inflamatorios tienen pocos efectos en el SNC sano y se expresan a muy bajo nivel. Sin embargo, se inducen rápidamente en respuesta al daño o infección y ejercen diversas acciones. Neuronas, astrocitos, microglía y oligodendrocitos del cerebro producen mediadores inflamatorios y expresan re- 87 Posible papel del IGF-I sérico en el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer Las dietas hipercalóricas alteran la entrada de IGF-I al líquido cefalorraquídeo IGF-I Alteraciones a nivel tisular IGNACIO TORRES, JOSE LUIS TREJO, CONCEPCION PEREZ-MEDEL Polimorfismos del receptor IGF-I se asocian a demencia en mujeres IGF-I Plexo coroideo AB Tauopatía Pérdida cognitiva Demencia de Alzheimer Edad Dieta Actividad física Estrés Enfermedades Herencia Vaso cerebral Angiogénesis IGF-I/Insulina Inflamación Estrés oxidativo Metabolismo de AB alterado Nutrientes Alteraciones a nivel celular La demencia de Alzheimer está asociada a la edad, caracterizada, a su vez, por una profunda bajada en los niveles de IGF-I y en la sensibilidad de las células a este factor trófico. El hecho de que el cerebro de los enfermos de Alzheimer reciba menos señal trófica IGF-I se debería a que presentan una pérdida aún más pronunciada de lo que ocurre con la edad. Sabemos que los agentes ambientales (infecciones o estrés), estilo de vida (sedentarismo y dietas inadecuadas) y factores hereditarios pueden incidir en la cantidad de IGF-I que llegue al cerebro. La falta de IGF-I afectaría primero a los lugares por donde entra al cerebro: los vasos y el plexo. A partir de ahí se extendería el problema a las células gliales y neuronas por un proceso en cascada que terminaría en muerte de las neuronas. ceptores de citoquinas, aunque a niveles muy bajos. En condiciones patológicas, la microglía y macrófagos de la sangre son activados por el daño o infección en el SNC y son reclutados rápidamente en el sitio de lesión. La presencia de células dañadas insta la activación de la microglía residente. En este estado, la microglía produce citoquinas (interleuquina 1, IL-1, factor de necrosis tumoral, TNF, óxido nítrico, NO) y factores de crecimiento (IGF-I) que ejercen efectos nocivos o protectores en las células vecinas. Las citoquinas atraviesan la barrera hematoencefálica, que se encuentra alterada en condiciones patológicas. El SNC se ve afectado, pues, por mediadores producidos en el cerebro y por mediadores que se originan en la periferia. Los astrocitos son el tipo celular más abundante en el SNC. En condiciones fisiológicas, aportan energía en forma de carbohidratos a las neuronas, regulan el flujo sanguíneo cerebral y controlan la homeostasis de iones y agua. Además, 88 los astrocitos desempeñan una función importante en la modulación de la actividad neuronal a través de la recaptación y liberación de neurotransmisores, como el glutamato y el adenosín trifosfato (ATP). En varios tipos de enfermedades neurológicas, los astrocitos experimentan una transición a un estado “reactivo”, en el que se parecen a las células del sistema inmunitario. De los astrocitos residentes se distinguen por su hipertrofia, proliferación moderada (astrogliosis) y una expresión génica alterada. En el estado reactivo, los astrocitos secretan factores tróficos (IGF-I), que promueven la supervivencia neuronal, factores proinflamatorios (TNF) y factores neurotóxicos (especies reactivas de oxígeno y nitrógeno). También expresan el complejo mayor de histocompatibilidad II (MHC II); se erigen así en células presentadoras de antígeno, capacitadas para dirigir los procesos inflamatorios dentro del SNC. A lo largo de los últimos diez años hemos asistido a una explosión en la investigación de enfermedades neurodegenerativas. Aparte de su origen primario, todas presentan neuroinflamación, definida como la presencia de microglía activada, astrocitos reactivos y mediadores inflamatorios. Se desconoce si la neuroinflamación es la causa o el efecto de las enfermedades neurodegenerativas. La enfermedad de Alzheimer, una de las patologías neurodegenerativas mejor caracterizadas, es la causa más común de demencia en personas ancianas. Las notas peculiares son las placas seniles, depósitos extracelulares de la proteína -amiloide y los ovillos neurofibrilares, agregados de proteína tau hiperfosforilada. Se ha observado que las placas seniles tienen a su alrededor microglía y astrocitos activados y unos niveles elevados de proteínas del sistema del complemento, citoquinas y radicales libres. De ello se desprende que la neuroinflamación podría dirigir un ciclo “autodestructivo”, en el que varios factores (agregados de proteína, neuronas dañadas) activarían a la microglía para que liberase mediadores inflamatorios, que a su vez exacerbarían el depósito de más -amiloide y el daño neuronal. Entre las citoquinas proinflamatorias asociadas a las placas se encuentran la IL-1 y el TNF. En la sangre de pacientes de EA se ha visto un descenso en los niveles de IGF-I. Nosotros hemos observado, además, que la deficiencia del factor, la resistencia al mismo o ambas impide el aclaramiento de la -amiloide en el cerebro de roedores, con el resultado de una patología de tipo EA. A tenor del curso de la inflamación, los factores gliales pueden ser beneficiosos o nocivos para las neuronas. Un equilibrio entre la señalización pro y antiinflamatoria de las células afectadas en el cerebro determinará el resultado. Si la cascada proinflamatoria generada por microglía y astrocitos se acopla a las señales neuroprotectoras que emiten estos dos tipos de células más las que envían las células endoteliales y las neuronas, la balanza se inclinará hacia la resolución del proceso. MENTE Y CEREBRO 38 / 2009 Hemos observado que la inhibición de la expresión de IGF-I en zonas inflamatorias del cerebro aumenta la reactividad astroglial. Ese fenómeno se relaciona con los efectos antagónicos del IGF-I sobre el TNF en astrocitos en los cuales está implicada la proteína fosfatasa calcineurina (véase el recuadro “Posible secuencia de la activación temporal de la calcineurina y de la acción neuroprotectora del IGF-I en un proceso inflamatorio”). Las señales que activan calcineurina incluyen factores neuroprotectores (IGF-I) y citoquinas inflamatorias (TNF), aunque se encuentran presentes en distintos tiempos. El TNF se eleva en pocas horas después del daño cerebral y los niveles de IGF-I aumentan varios días después. Ese patrón de activación dependiente de calcineurina podría permitir la terminación de la fase aguda inflamatoria por la acción antiinflamatoria del IGF-I y quizá de otras señales neuroprotectoras. Así en estados iniciales del proceso de inflamación, la calcineurina es activada por TNF. Una vez que el IGF-I producido por la microglía activada y otras células locales (astrocitos) y por fuentes periféricas se acumulase en las zonas de lesión, se potenciaría la estimulación de la calcineurina. Esta activación por IGF-I de una calcineurina ya activada resultaría probablemente en la cancelación de la cascada inflamatoria y la potenciación de las rutas neuroprotectoras. Dada la gran importancia de los procesos inflamatorios en las enfermedades neurodegenerativas, el conocimiento de los mecanismos celulares y moleculares por los que el IGF-I produce una acción antiinflamatoria permitiría el desarrollo de nuevos tratamientos para reducir el daño neurológico asociado con la inflamación. El IGF-I en la enfermedad de Alzheimer La estrecha relación que hemos establecido entre el IGF-I y la demencia de Alzheimer surgió a partir de un cúmulo de coincidencias en el transcurso del estudio del IGF-I en el cerebro. Al analizar los mecanismos del paso del IGF-I desde la sangre hasta el cerebro, nos percatamos de que lo que creíamos un sistema testigo MENTE Y CEREBRO 38 / 2009 del efecto del IGF-I en la permeabilidad de la barrera hematoencefálica estaba, en realidad, modulado por el propio IGF-I. Corresponde al sistema en cuestión eliminar el péptido -amiloide del cerebro y transportarlo para su degradación ulterior. Y pensamos en una posible relación entre el aclaramiento (o eliminación fisiológica) del -amiloide y el IGF-I sérico. Siguiendo esa pista hemos llegado a una propuesta específica sobre el origen de esta demencia senil. Consideramos que una deficiencia en la entrada, la acción o ambas del IGF-I en las barreras hematoencefálicas, debido a una insuficiencia de IGF-I o a una resistencia al factor, bastaría para explicar los cambios patológicos que se observan en la enfermedad de Alzheimer (véase el recuadro “Posible papel del IGF-I sérico en el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer”). Hemos demostrado nuestra propuesta en experimentos sobre roedores de laboratorio, donde el bloqueo selectivo de la señalización del IGF-I a jóvenes adultos sanos produce los cambios característicos del alzheimer. Si se restauraba la señalización del IGF-I, se volvía a la normalidad. En particular, los fallos en la acción del IGF-I en las barreras comportaron una menor eliminación del -amiloide cerebral y, por lo tanto, una amiloidosis. La amiloidosis puede producir sinaptoxicidad y activar cambios patológicos que desemboquen en la muerte neuronal. Además, los recortes en la entrada cerebral de IGF-I sérico, en la sensibilidad cerebral al mismo o en ambas entrañan una menor actividad neuroprotectora de este factor trófico. Y esto último, a su vez, acarrea consecuencias negativas: desde un plano celular (pérdida de sensibilidad a la insulina, inflamación, estrés oxidativo y otros) hasta el de sistema (cognición). El deterioro cognitivo ligado a la falta de señal de IGF-I sérico resulta crítico. Nuestro modelo es el único que reproduce todos los cambios vistos en la enfermedad humana de aparición tardía, que además, a diferencia de las formas familiares de alzheimer, se origina en un fondo genético sin mutaciones conocidas. Por lo tanto, podemos explicar la aparición y desarrollo de la demencia de Alzheimer con un solo cambio; una disminución de la actividad neuroprotectora del IGF-I iniciada a nivel de las barreras hematoencefálicas. El hecho de que el IGF-I sea una señal homeostásica esencial para el tejido nervioso hace que aparezca unido a la patología neurodegenerativa, ya sea de forma primaria o secundaria. Su carácter neuroprotector inespecífico le convierte en un candidato terapéutico muy atractivo para situaciones con cambios patológicos de amplio espectro. Los estudios clínicos bien controlados podrán decirnos si lo que indican los tratamientos en modelos animales puede trasladarse a la práctica clínica. Silvia Fernández es investigadora del Instituto Cajal donde trabaja en el laboratorio de Neuroendocrinología. José Luis Trejo es científico titular del CSIC en el Instituto Cajal y dirige el grupo de Neurogénesis del Individuo Adulto. Ana M.ª Fernández es investigadora del programa Ramón y Cajal en el Instituto Cajal, trabajando en el laboratorio de Neuroendocrinología. Ignacio Torres Alemán es profesor de Investigación del CSIC en el Instituto Cajal donde dirige el laboratorio de Neuroendocrinología que se centra en el estudio del papel neuroprotector del IGF-I en el cerebro adulto. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA INSULIN-LIKE GROWTH FACTOR-I, COGNITION AND BRAIN AGING. V. Sytze, A. Ale- man en European Journal of Pharmacology, vol. 490, págs. 87-95; 2004. THE INSULIN-LIKE GROWTH FACTOR SYSTEM AND ITS PLEIOTROPIC FUNCTIONS IN BRAIN. V. C. Russo, P. D. Gluckman, E. L. Feldman y G. A. Werther en Endocrine Reviews, vol. 26, págs. 916-943; 2005. ASPECTS OF GROWTH HORMONE AND INSULIN-LIKE GROWTH FACTOR-I RELATED TO NEUROPROTECTION, REGENERATION, AND FUNCTIONAL PLASTICITY IN THE ADULT BRAIN . N. D. Aberg, K. G. Brywe y J. Isgaard en Scientific World Journal, vol. 6, págs. 53-80; 2006. 89