La formación de una cicatriz glial ( gliosis ) es un proceso celular reactivo que implica astrogliosis y que se produce después de una lesión en el sistema nervioso central . Al igual que con las cicatrices en otros órganos y tejidos, la cicatriz glial es el mecanismo del cuerpo para proteger e iniciar el proceso de curación en el sistema nervioso.
En el contexto de la neurodegeneración, se ha demostrado que la formación de la cicatriz glial tiene efectos tanto beneficiosos como perjudiciales. En particular, las células dentro de la cicatriz secretan muchas moléculas inhibidoras del desarrollo neurológico que impiden la recuperación física y funcional completa del sistema nervioso central después de una lesión o enfermedad. [ cita necesaria ] Por otro lado, la ausencia de la cicatriz glial se ha asociado con deficiencias en la reparación de la barrera hematoencefálica . [1]
La cicatriz glial se compone de varios componentes que se analizan brevemente a continuación.
Los astrocitos reactivos son el principal componente celular de la cicatriz glial. [2] Después de una lesión, los astrocitos sufren cambios morfológicos, extienden sus procesos y aumentan la síntesis de proteína ácida fibrilar glial (GFAP). GFAP es una importante proteína de filamento intermedio que permite a los astrocitos comenzar a sintetizar más estructuras de soporte citoesqueléticas y extender pseudópodos . En última instancia, los astrocitos forman una densa red de extensiones de su membrana plasmática que llena el espacio vacío generado por las células neuronales muertas o moribundas (un proceso llamado astrogliosis). La fuerte proliferación de astrocitos también modifica la matriz extracelular que rodea la región dañada al secretar muchas moléculas, incluidas laminina , fibronectina , tenascina C y proteoglicanos . [3] [4] Estas moléculas son importantes moduladores del crecimiento neuronal. En consecuencia, su presencia después de una lesión contribuye a la inhibición de la regeneración. [5] [6]
Otra advertencia importante de la respuesta astrocítica a las lesiones del SNC es su heterogeneidad. En particular, la respuesta de los astrocitos a la lesión varía dependiendo de factores como la naturaleza de la lesión y el microambiente en el lugar de la lesión. [7] [8] Además, los astrocitos reactivos en las inmediaciones de la lesión aumentan la expresión genética, agravando así la respuesta de otros astrocitos y contribuyendo a la heterogeneidad. En particular, los astrocitos más cercanos a la lesión generalmente secretan más moléculas inhibidoras hacia la matriz extracelular. [2]
La microglia es el segundo tipo de célula más prominente presente dentro de la cicatriz glial. Son el sistema nervioso análogo de los macrófagos del sistema inmunológico . La microglía se activa rápidamente cerca de la lesión y secreta varias citoquinas , lípidos bioactivos, factores de coagulación, intermediarios reactivos del oxígeno y factores neurotróficos . [9] La expresión de estas moléculas depende de la ubicación de las células microgliales en relación con la lesión, siendo las células más cercanas a la lesión las que secretan la mayor cantidad de dichas moléculas biológicamente activas. [ cita necesaria ]
Las diversas moléculas biológicamente activas secretadas por la microglía estimulan y reclutan células endoteliales y fibroblastos . Estas células ayudan a estimular la angiogénesis y la secreción de colágeno en el área lesionada. En última instancia, la cantidad de capilares que se extienden hacia el área lesionada es el doble que la de las regiones ilesas del sistema nervioso central. [10]
La membrana basal es una característica histopatológica de la matriz extracelular que se forma en el centro de la lesión y cubre parcialmente los procesos astrocíticos. Se compone de tres capas con la lámina basal como capa prominente. Molecularmente, la membrana basal está creada por protómeros de glicoproteínas y proteoglicanos. Además, el colágeno IV y la laminina forman dos redes independientes dentro de la membrana basal como soporte estructural. Otros componentes moleculares de la membrana basal incluyen fibulina -1, fibronectina , entactina y proteoglicano perlecano de sulfato de heparina. En última instancia, los astrocitos se adhieren a la membrana basal y el complejo rodea los vasos sanguíneos y el tejido nervioso para formar la cobertura inicial de la herida. [2]
La función última de la cicatriz glial es restablecer la integridad física y química del SNC. Esto se hace generando una barrera a través del área lesionada que sella el límite entre el tejido nervioso y el no nervioso. Esto también permite la regeneración de la barrera selectiva para prevenir más infecciones microbianas y la propagación del daño celular. Además, la cicatriz glial estimula la revascularización de los capilares sanguíneos para aumentar el soporte nutricional, trófico y metabólico del tejido nervioso. [2]
La cicatriz glial también impide el recrecimiento neuronal. Después de un traumatismo en el SNC, los axones comienzan a brotar e intentan extenderse a través del sitio de la lesión para reparar las regiones dañadas. Sin embargo, la cicatriz impide la extensión axonal por medios físicos y químicos. Los astrocitos forman una densa red de uniones comunicantes que genera una barrera física para el recrecimiento axonal. Además, los astrocitos secretan varias moléculas inhibidoras del crecimiento que impiden químicamente las extensiones axonales. Además, se espera que el componente de la membrana basal genere una barrera física y química adicional a las extensiones axonales. [2]
La formación de la cicatriz glial es un proceso complejo. Se han identificado varias clases principales de mediadores moleculares de la gliosis y se analizan brevemente a continuación.
Dos subclases neuronalmente importantes de la familia de moléculas de factores de crecimiento transformantes son el TGFβ-1 y el TGFβ-2, que estimulan directamente los astrocitos, las células endoteliales y los macrófagos. Se ha observado que el TGFβ-1 aumenta inmediatamente después de una lesión en el sistema nervioso central, mientras que la expresión de TGFβ-2 ocurre más lentamente cerca del sitio de la lesión. Además, se ha demostrado que el TGFβ-2 estimula los proteoglicanos inhibidores del crecimiento por parte de los astrocitos. [11] Se ha demostrado que la reducción experimental de TGFβ-1 y TGFβ-2 reduce parcialmente la cicatrización glial. [12]
Las interleucinas son otra familia potencial de mensajeros celulares que inducen cicatrices. En particular, la interleucina-1, una proteína producida por fagocitos mononucleares , ayuda a iniciar la respuesta inflamatoria en los astrocitos, lo que lleva a la astrogliosis reactiva y la formación de la cicatriz glial. [13] [14]
La familia de citocinas de inductores de cicatrices gliales incluye el interferón-γ (IFNγ) y el factor de crecimiento de fibroblastos 2 (FGF2). Se ha demostrado que el IFNγ induce la proliferación de astrocitos y aumenta la extensión de la cicatrización glial en modelos de cerebro lesionado. [15] Además, la producción de FGF2 aumenta después de una lesión en el cerebro y la médula espinal. También se ha demostrado que FGF2 aumenta la proliferación de astrocitos in vitro . [16] [17]
El factor neurotrófico ciliar (CNTF) es una proteína citosólica que no se secreta. Se ha demostrado que el CNTF promueve la supervivencia de cultivos neuronales in vitro y también puede actuar como factor diferenciador y trófico en las células gliales. Además, se ha demostrado previamente que CNTF afecta la diferenciación de células precursoras gliales in vitro ; sin embargo, sólo recientemente se ha determinado la influencia del CNTF en el entorno in vivo . Invierno y col. utilizaron ratones transgénicos que sobreexpresaban CNTF, así como controles de tipo salvaje que tenían niveles de CNTF elevados artificialmente mediante inyección, fueron sometidos a daño neuronal usando ZnSO 4 (un factor degenerativo neuronal conocido), que se inyectó por vía intranasal en el epitelio olfatorio . Luego se evaluó la expresión del ARNm de GFAP , un marcador común de la cicatriz glial, en el bulbo olfatorio . Se determinó que los ratones con niveles elevados de CNTF duplicaron su expresión de ARNm de GFAP. Estos datos sugieren que el CNTF puede mediar en la formación de cicatrices gliales después de un daño al SNC. [18]
Nestina es una proteína de filamento intermedio (IF) que ayuda con la polimerización IF y la estabilidad de las macromoléculas. Los filamentos intermedios son una parte integral de la motilidad celular, un requisito para cualquier migración o reacción celular importante. Nestin normalmente está presente durante el desarrollo (SNC) y se reactiva después de tensiones menores en el sistema nervioso. Sin embargo, Frisen et al. determinaron que la nestina también se regula positivamente durante tensiones severas, como lesiones que involucran la formación de la cicatriz glial. Las lesiones de la médula espinal torácica media y las lesiones del nervio óptico , pero no las lesiones del nervio ciático , han mostrado aumentos marcados en la expresión de nestina dentro de las primeras 48 horas después del traumatismo. Además, se demostró que la regulación positiva de la nestina dura hasta 13 meses después de la lesión. Estos datos sugieren que la regulación positiva de nestina puede estar asociada con cicatrices gliales en el SNC. [19]
Se han ideado varias técnicas para impedir la formación de cicatrices. Estas técnicas se pueden combinar con otras técnicas de neuroregeneración para ayudar con la recuperación funcional.
La olomoucina, un derivado de purina, es un inhibidor de la quinasa dependiente de ciclina (CDK). CDK es una proteína promotora del ciclo celular que, junto con otras proteínas que favorecen el crecimiento, se activa de forma anormal durante la formación de cicatrices gliales. [ cita necesaria ] Estas proteínas pueden aumentar la proliferación de astrocitos y también pueden provocar la muerte celular , exacerbando así el daño celular en el sitio de la lesión. Se ha demostrado que la administración de olomoucina por vía peritoneal suprime la función CDK. Además, se ha demostrado que la olomoucina reduce la muerte de las células neuronales, reduce la proliferación astroglial (y por lo tanto reduce la astrogliosis) y aumenta la expresión de GAP-43, un marcador proteico útil para el crecimiento de neuritas. Además, la proliferación reducida de astrocitos disminuye la expresión de proteoglicanos de sulfato de condroitina (CSPG), principales moléculas de la matriz extracelular asociadas con la inhibición de la neurorregeneración después de un traumatismo en el SNC. [20]
Trabajos recientes también han demostrado que la olomoucina suprime la proliferación microglial dentro de la cicatriz glial. Esto es particularmente importante porque la microglía juega un papel importante en el daño secundario después de la lesión del SNC, durante el tiempo de formación de la cicatriz. Las células microgliales se activan mediante varias citoquinas proinflamatorias (algunas de las cuales se analizaron anteriormente). Los modelos de lesión de la médula espinal en ratas han mostrado mejoras notables después de la administración de olomoucina. Una hora después de la administración, la olomoucina suprimió la proliferación microglial y redujo el edema tisular normalmente presente durante las primeras etapas de la formación de cicatrices gliales. Además, 24 horas después de la administración, se observó una reducción en la concentración de interleucina-1β . Además, también se ha demostrado que la administración de olomoucina disminuye la muerte de las células neuronales . [21]
La fosfodiesterasa 4 es un miembro de la familia de proteínas fosfodiesterasas que escinden enlaces fosfodiéster . Este es un paso importante en la degradación del monofosfato de adenosina cíclico (AMPc), una importante molécula de señalización intracelular; por el contrario, bloquear la PDE4 aumentará el AMPc. Anteriormente se ha demostrado que el aumento de los niveles intracelulares de AMPc en las neuronas induce el crecimiento axonal. [22] En 2004, Nikulina et al. demostró que la administración de rolipram , un inhibidor de la PDE4, puede aumentar los niveles de AMPc en las neuronas después de una lesión de la médula espinal . Esto es parcialmente posible porque el rolipram es lo suficientemente pequeño como para atravesar la barrera hematoencefálica e inmediatamente comenzar a catalizar reacciones en las neuronas. La administración de rolipram durante 10 días en roedores con lesión de la médula espinal produjo un crecimiento axonal considerable asociado con una reducción de la cicatrización glial 2 semanas después de la lesión. Actualmente se desconoce el mecanismo de esta reducción de la cicatrización glial, pero los posibles mecanismos incluyen extensiones axonales que impiden físicamente la proliferación de astrocitos reactivos, así como eventos de señalización química para reducir la astrogliosis reactiva. [23]
La ribavirina es un análogo de nucleósido de purina que generalmente se usa como medicamento antiviral. Sin embargo, también se ha demostrado que disminuye la cantidad de astrocitos reactivos. Se demostró que la administración diaria durante al menos cinco días después de un traumatismo cerebral reduce significativamente la cantidad de astrocitos reactivos. [24]
Se ha implementado un retrovirus GFAP antisentido (PLBskG) para reducir la expresión del ARNm de GFAP para suprimir el crecimiento y detener los astrocitos en la fase G1 del ciclo celular. Sin embargo, una advertencia importante para la aplicación clínica del uso de retrovirales son los efectos no discriminatorios de PLBskG tanto en los astrocitos normales como en los lesionados. Se necesitan más estudios in vivo para determinar los efectos sistémicos de la administración de PLBskG. [25]
Como se señaló en la sección anterior, el factor de crecimiento transformante β2 (TGFβ2) es un importante estimulante de la cicatriz glial que afecta directamente la proliferación de astrocitos. Logan y cols. desarrollaron anticuerpos monoclonales contra TGFβ2, se generaron heridas cerebrales en cerebros de ratas y los anticuerpos se administraron a través de los ventrículos, diariamente durante 10 días. Los análisis posteriores mostraron una marcada reducción de la cicatrización glial. En particular, la deposición de proteínas de la matriz extracelular ( laminina , fibronectina y proteoglicanos de sulfato de condroitina ) estaba más cerca del valor inicial (niveles de expresión de proteínas en un animal ileso). Además, se observó una reducción de los astrocitos y la microglía, así como una reducción de la inflamación y la angiogénesis . [26]
Se cree que la interleucina-6 (IL-6) es un mediador molecular de la formación de cicatrices gliales. Se ha demostrado que promueve la diferenciación de células madre neurales en astrocitos. [ cita necesaria ] Se ha utilizado un anticuerpo monoclonal, MR16-1, para apuntar y bloquear los receptores de IL-6 en modelos de lesión de la médula espinal de ratas. En un estudio de Okada et al. , a los ratones se les inyectó por vía intraperitoneal una dosis única de MR16-1 inmediatamente después de generar una lesión en la médula espinal. El bloqueo de los receptores de IL-6 disminuyó la cantidad de astrocitos presentes en la lesión de la médula espinal y esta disminución se asoció con una reducción de la cicatrización glial. [27]
Se ha demostrado que la condroitinasa ABC degrada las cicatrices gliales. [28] [29] Se ha demostrado que la degradación de la cicatriz glial con condroitinasa promueve la recuperación de una lesión de la médula espinal, [30] especialmente cuando se combina con otras técnicas como conductos de guía nerviosa , trasplantes de células de Schwann , [31] y autoinjertos de nervios periféricos. [32]