La degeneración walleriana es un proceso activo de degeneración que se produce cuando una fibra nerviosa se corta o aplasta y la parte del axón distal a la lesión (que en la mayoría de los casos está más alejada del cuerpo celular de la neurona ) se degenera. [1] Un proceso relacionado de muerte retrógrada o degeneración retrógrada conocido como "degeneración similar a la walleriana" ocurre en muchas enfermedades neurodegenerativas, especialmente aquellas en las que el transporte axonal está alterado, como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) y la enfermedad de Alzheimer . [2] Los estudios de cultivo primario sugieren que la falla en el suministro de cantidades suficientes de la proteína axonal esencial NMNAT2 es un evento iniciador clave. [3] [4]
La degeneración walleriana ocurre después de una lesión axonal tanto en el sistema nervioso periférico (SNP) como en el sistema nervioso central (SNC). Ocurre en la sección del axón distal al sitio de la lesión y generalmente comienza dentro de las 24 a 36 horas posteriores a la lesión. Antes de la degeneración, la sección distal del axón tiende a permanecer eléctricamente excitable. Después de la lesión, el esqueleto axonal se desintegra y la membrana axonal se rompe. La degeneración axonal es seguida por la degradación de la vaina de mielina y la infiltración por macrófagos . Los macrófagos, acompañados por células de Schwann , sirven para limpiar los restos de la degeneración. [5] [6]
Las células de Schwann responden a la pérdida de axones mediante la extrusión de sus vainas de mielina, la regulación negativa de los genes de la mielina, la desdiferenciación y la proliferación. Finalmente, se alinean en tubos (bandas de Büngner) y expresan moléculas de superficie que guían las fibras regenerativas. [7] En los 4 días siguientes a la lesión, el extremo distal de la porción de la fibra nerviosa proximal a la lesión envía brotes hacia esos tubos y estos brotes son atraídos por los factores de crecimiento producidos por las células de Schwann en los tubos. Si un brote llega al tubo, crece en él y avanza aproximadamente 1 mm por día, alcanzando finalmente y reinervando el tejido objetivo. Si los brotes no pueden llegar al tubo, por ejemplo porque el espacio es demasiado amplio o se ha formado tejido cicatricial, la cirugía puede ayudar a guiar los brotes hacia los tubos. La regeneración es eficiente en el SNP, con una recuperación casi completa en caso de lesiones que ocurren cerca de la terminal nerviosa distal. Sin embargo, la recuperación casi no se observa en la médula espinal . Una diferencia crucial es que en el SNC, incluida la médula espinal, las vainas de mielina son producidas por oligodendrocitos y no por células de Schwann.
La degeneración walleriana recibe su nombre de Augustus Volney Waller . En 1850, Waller experimentó con ranas cortando sus nervios glosofaríngeo e hipogloso . Luego observó los nervios distales del sitio de la lesión, que se separaron de sus cuerpos celulares en el tronco encefálico. [5] Waller describió la desintegración de la mielina, a la que se refirió como "médula", en partículas separadas de varios tamaños. Los axones degenerados formaban gotitas que podían teñirse, lo que permitía estudiar el curso de las fibras nerviosas individuales.
Aunque la mayoría de las respuestas a las lesiones incluyen una señalización de entrada de calcio para promover el resellado de las partes cortadas, las lesiones axónicas inicialmente conducen a una degeneración axonal aguda (DAA), que es una rápida separación de los extremos proximal (la parte más cercana al cuerpo celular) y distal dentro de los 30 minutos de la lesión. [8] Después de la separación, se forman estructuras de bulbo distrófico en ambas terminales y se sellan las membranas transectadas. [9] Se produce una breve fase de latencia en el segmento distal durante la cual permanece eléctricamente excitable y estructuralmente intacto. [10] La degeneración sigue con la hinchazón del axolema y, finalmente, la formación de esferoides axónicos en forma de cuentas . El proceso lleva aproximadamente 24 horas en el SNP y más tiempo en el SNC. Las vías de señalización que conducen a la degeneración del axolema actualmente son poco conocidas. Sin embargo, la investigación ha demostrado que este proceso de DAA es independiente del calcio. [11]
La desintegración granular del citoesqueleto axonal y de los orgánulos internos ocurre después de la degradación del axolema. Los cambios tempranos incluyen la acumulación de mitocondrias en las regiones paranodales en el sitio de la lesión. El retículo endoplasmático se degrada y las mitocondrias se hinchan y finalmente se desintegran. Se produce la despolimerización de los microtúbulos y pronto es seguida por la degradación de los neurofilamentos y otros componentes del citoesqueleto. La desintegración depende de las proteasas ubiquitina y calpaína (causada por la afluencia de iones de calcio), lo que sugiere que la degeneración axonal es un proceso activo y no pasivo como se malinterpretó previamente. [12] Por lo tanto, el axón sufre una fragmentación completa. La tasa de degradación depende del tipo de lesión y también es más lenta en el SNC que en el SNP. Otro factor que afecta la tasa de degradación es el diámetro del axón: los axones más grandes requieren un tiempo más largo para que el citoesqueleto se degrade y, por lo tanto, tardan más en degenerarse.
La mielina es una membrana fosfolipídica que envuelve los axones para proporcionarles aislamiento. Es producida por las células de Schwann en el SNP y por los oligodendrocitos en el SNC. La eliminación de la mielina es el siguiente paso en la degeneración walleriana después de la degeneración axonal. La limpieza de los restos de mielina es diferente en el SNP y el SNC. El SNP es mucho más rápido y eficiente en la limpieza de los restos de mielina en comparación con el SNC, y las células de Schwann son la causa principal de esta diferencia. Otro aspecto clave es el cambio en la permeabilidad de la barrera hemato-tibial en los dos sistemas. En el SNP, la permeabilidad aumenta a lo largo del muñón distal, pero la alteración de la barrera en el SNC se limita solo al sitio de la lesión. [11]
La respuesta de las células de Schwann a la lesión axonal es rápida. Se estima que el período de tiempo de respuesta es anterior al inicio de la degeneración axonal. Se cree que las neurregulinas son responsables de la activación rápida. Activan los receptores ErbB2 en las microvellosidades de las células de Schwann, lo que da como resultado la activación de la proteína quinasa activada por mitógenos (MAPK). [13] Aunque se observa actividad de MAPK, el mecanismo de detección de lesiones de las células de Schwann aún no se comprende por completo. La "detección" es seguida por una disminución de la síntesis de lípidos de mielina y finalmente se detiene dentro de las 48 horas. Las vainas de mielina se separan de los axones en las incisiones de Schmidt-Lanterman primero y luego se deterioran y acortan rápidamente para formar estructuras similares a cuentas. Las células de Schwann continúan limpiando los restos de mielina degradando su propia mielina, fagocitan la mielina extracelular y atraen a los macrófagos a los restos de mielina para una mayor fagocitosis. [11] Sin embargo, los macrófagos no se sienten atraídos por la región durante los primeros días; por lo tanto, las células de Schwann desempeñan el papel principal en la limpieza de la mielina hasta entonces.
Se ha observado que las células de Schwann reclutan macrófagos mediante la liberación de citocinas y quimiocinas después de detectar una lesión axonal. El reclutamiento de macrófagos ayuda a mejorar la tasa de limpieza de los restos de mielina. Los macrófagos residentes presentes en los nervios liberan más quimiocinas y citocinas para atraer más macrófagos. El nervio degenerado también produce moléculas quimiotácticas de macrófagos. Otra fuente de factores de reclutamiento de macrófagos es el suero. Se observó un reclutamiento retardado de macrófagos en ratones deficientes en células B que carecían de anticuerpos séricos. [11] Estas moléculas de señalización juntas causan una afluencia de macrófagos, que alcanza su punto máximo durante la tercera semana después de la lesión. Mientras que las células de Schwann median la etapa inicial de limpieza de los restos de mielina, los macrófagos entran para terminar el trabajo. Los macrófagos son facilitados por las opsoninas , que marcan los restos para su eliminación. Los 3 grupos principales que se encuentran en el suero incluyen complemento , pentraxinas y anticuerpos . Sin embargo, sólo el complemento ha demostrado ayudar en la fagocitosis de los restos de mielina. [14]
Murinson et al. (2005) [15] observaron que las células de Schwann mielinizadas o no mielinizadas en contacto con un axón lesionado entran en el ciclo celular, lo que conduce a la proliferación. La duración observada para las divisiones de las células de Schwann fue de aproximadamente 3 días después de la lesión. [16] Las posibles fuentes de la señal de proliferación se atribuyen a los receptores ErbB2 y ErbB3. Esta proliferación podría mejorar aún más las tasas de limpieza de la mielina y desempeña un papel esencial en la regeneración de los axones observada en el SNP. Las células de Schwann emiten factores de crecimiento que atraen nuevos brotes axónicos que crecen desde el muñón proximal después de la degeneración completa del muñón distal lesionado. Esto conduce a una posible reinervación de la célula u órgano diana. Sin embargo, la reinervación no es necesariamente perfecta, ya que es posible que se produzcan errores durante la reinervación de los axones proximales a las células diana.
A diferencia de las células de Schwann, los oligodendrocitos necesitan señales axónicas para sobrevivir. En sus etapas de desarrollo, los oligodendrocitos que no logran hacer contacto con el axón y no reciben señales axónicas sufren apoptosis . [17]
Los experimentos sobre la degeneración walleriana han demostrado que, tras una lesión, los oligodendrocitos sufren una muerte celular programada o entran en un estado de reposo. Por lo tanto, a diferencia de las células de Schwann, los oligodendrocitos no consiguen limpiar las vainas de mielina y sus restos. En experimentos realizados en ratas, [18] se encontraron vainas de mielina durante hasta 22 meses. Por lo tanto, las tasas de limpieza de las vainas de mielina del SNC son muy lentas y podrían ser la causa de un obstáculo en las capacidades de regeneración de los axones del SNC, ya que no hay factores de crecimiento disponibles para atraer a los axones proximales. Otra característica que finalmente resulta es la formación de cicatrices gliales . Esto dificulta aún más las posibilidades de regeneración y reinervación.
Los oligodendrocitos no logran reclutar macrófagos para la eliminación de desechos. La entrada de macrófagos en general en el sitio de lesión del SNC es muy lenta. A diferencia del SNP, la microglía desempeña un papel vital en la degeneración walleriana del SNC. Sin embargo, su reclutamiento es más lento en comparación con el reclutamiento de macrófagos en el SNP en aproximadamente 3 días. Además, la microglía puede activarse pero hipertrofiarse y no transformarse en células completamente fagocíticas. Las microglías que se transforman, limpian los desechos de manera efectiva. La diferenciación de la microglía fagocítica se puede lograr mediante la prueba de expresión del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC) de clase I y II durante la degeneración walleriana. [19] La tasa de depuración es muy lenta entre la microglía en comparación con los macrófagos. La posible fuente de variaciones en las tasas de depuración podría incluir la falta de actividad de opsonina alrededor de la microglía y la falta de aumento de la permeabilidad en la barrera hematoencefálica . La disminución de la permeabilidad podría dificultar aún más la infiltración de macrófagos en el sitio de la lesión. [11]
Estos hallazgos han sugerido que el retraso en la degeneración walleriana en el SNC en comparación con el SNP no se debe a un retraso en la degeneración axonal, sino más bien a la diferencia en las tasas de depuración de la mielina en el SNC y el SNP. [20]
La regeneración sigue a la degeneración. La regeneración es rápida en el SNP, lo que permite tasas de hasta 1 milímetro por día de recrecimiento. [21] También pueden necesitarse injertos para permitir una reinervación adecuada. Esta es apoyada por las células de Schwann a través de la liberación de factores de crecimiento. La regeneración del SNC es mucho más lenta y está casi ausente en la mayoría de las especies de vertebrados. La causa principal de esto podría ser el retraso en la limpieza de los restos de mielina. Los restos de mielina, presentes en el SNC o SNP, contienen varios factores inhibidores. La presencia prolongada de restos de mielina en el SNC posiblemente podría obstaculizar la regeneración. [22] Un experimento realizado en tritones , animales que tienen capacidades rápidas de regeneración axonal del SNC, encontró que la degeneración walleriana de una lesión del nervio óptico tomó hasta 10 a 14 días en promedio, lo que sugiere además que la limpieza lenta inhibe la regeneración. [23]
En los nervios sanos, el factor de crecimiento nervioso (NGF) se produce en cantidades muy pequeñas. Sin embargo, tras una lesión, la expresión del ARNm del NGF aumenta de cinco a siete veces en un período de 14 días. Los fibroblastos nerviosos y las células de Schwann desempeñan un papel importante en el aumento de la expresión del ARNm del NGF. [24] Los macrófagos también estimulan a las células de Schwann y los fibroblastos para que produzcan NGF a través de la interleucina-1 derivada de los macrófagos. [25] Otras moléculas neurotróficas producidas por las células de Schwann y los fibroblastos en conjunto incluyen el factor neurotrófico derivado del cerebro , el factor neurotrófico derivado de la línea de células gliales , el factor neurotrófico ciliar , el factor inhibidor de la leucemia , el factor de crecimiento similar a la insulina y el factor de crecimiento de fibroblastos . Estos factores juntos crean un entorno favorable para el crecimiento y la regeneración axonal. [11] Además de los factores de crecimiento, las células de Schwann también proporcionan una guía estructural para mejorar aún más la regeneración. Durante su fase de proliferación, las células de Schwann comienzan a formar una línea de células llamadas Bandas de Bungner dentro del tubo laminar basal. Se ha observado que los axones se regeneran en estrecha asociación con estas células. [26] Las células de Schwann regulan positivamente la producción de la molécula de adhesión a la superficie celular ninjurina, lo que promueve aún más el crecimiento. [27] Estas líneas de células guían la regeneración del axón en la dirección adecuada. La posible fuente de error que podría resultar de esto es un posible desajuste de las células objetivo, como se mencionó anteriormente.
Debido a la falta de estos factores promotores favorables en el SNC, la regeneración se ve frenada en dicho sistema.
Los ratones pertenecientes a la cepa C57BL/ Wld s han retrasado la degeneración walleriana, [28] y, por lo tanto, permiten el estudio de las funciones de varios tipos de células y los procesos celulares y moleculares subyacentes. La comprensión actual del proceso ha sido posible a través de la experimentación en la cepa de ratones Wld s . La mutación ocurrió primero en ratones en Harlan-Olac, un laboratorio que produce animales en el Reino Unido. La mutación Wld s es una mutación autosómica dominante que ocurre en el cromosoma 4 del ratón. [29] [30] La mutación genética es una triplicación en tándem de 85 kb, que ocurre de forma natural. La región mutada contiene dos genes asociados: nicotinamida mononucleótido adenililtransferasa 1 (NMNAT1) y factor de ubiquitinación e4b (UBE4B). Una región de enlace que codifica 18 aminoácidos también es parte de la mutación. [6] Se ha demostrado que el efecto protector de la proteína Wld S se debe al sitio activo de síntesis de NAD + de la región NMNAT1 . [31]
Aunque la proteína creada se localiza dentro del núcleo y es apenas detectable en los axones, los estudios sugieren que su efecto protector se debe a su presencia en los compartimentos axónico y terminal. [32] [33] La protección proporcionada por la proteína Wld S es intrínseca a las neuronas y no a las células de soporte circundantes, y solo protege localmente al axón, lo que indica que una vía intracelular es responsable de mediar la degeneración walleriana. [34] [35]
La mutación no causa daño al ratón. El único efecto conocido es que la degeneración walleriana se retrasa hasta tres semanas en promedio después de la lesión de un nervio. Al principio, se sospechó que la mutación Wld s ralentiza la infiltración de macrófagos, pero estudios recientes sugieren que la mutación protege los axones en lugar de ralentizar los macrófagos. [6] El proceso por el cual se logra la protección axonal es poco conocido. Sin embargo, los estudios sugieren que la mutación Wld s conduce a una mayor actividad de NMNAT1, lo que conduce a un aumento de la síntesis de NAD + . [31] Esto a su vez activa el proceso dependiente de SIRT1 dentro del núcleo, lo que provoca cambios en la transcripción genética. [31] El NAD + por sí mismo puede proporcionar protección axonal adicional al aumentar los recursos energéticos del axón. [36] Sin embargo, trabajos más recientes plantean dudas de que tanto NMNAT1 como NAD + puedan sustituir al gen Wld s de longitud completa . [37] Estos autores demostraron mediante métodos tanto in vitro como in vivo que el efecto protector de la sobreexpresión de NMNAT1 o la adición de NAD + no protegía a los axones de la degeneración. Sin embargo, estudios posteriores demostraron que NMNAT1 es protector cuando se combina con un péptido de localización axonal, lo que sugiere que la clave de la protección proporcionada por Wld S era la combinación de la actividad de NMNAT1 y la localización axonal proporcionada por el dominio N-terminal de la proteína quimérica. [38]
La protección axonal proporcionada retrasa el inicio de la degeneración walleriana. Por lo tanto, la activación de las células de Schwann debería retrasarse, ya que no detectarían las señales de degradación axonal de los receptores ErbB2. En experimentos con ratones con mutación Wld s , la infiltración de macrófagos se retrasó considerablemente hasta seis u ocho días. [39] Sin embargo, una vez que la degradación axonal ha comenzado, la degeneración sigue su curso normal y, en lo que respecta al sistema nervioso, la degradación sigue a las tasas descritas anteriormente. Los posibles efectos de este inicio tardío son capacidades regenerativas más débiles en los ratones. Los estudios indican que la regeneración puede verse afectada en ratones Wld S , pero es probable que esto se deba a que el entorno es desfavorable para la regeneración debido a la existencia continua de la fibra distal no degenerada, mientras que normalmente se eliminan los desechos, lo que deja paso al nuevo crecimiento. [40]
La vía de degeneración walleriana ha sido iluminada aún más por el descubrimiento de que la proteína que contiene el motivo alfa y TIR estéril 1 (SARM1) desempeña un papel central en la vía de degeneración walleriana. El gen se identificó por primera vez en un análisis de mutagénesis de Drosophila melanogaster y, posteriormente, la eliminación de su homólogo en ratones mostró una protección robusta de los axones transectados comparable a la de Wld S. [ 41] [42]
SARM1 cataliza la síntesis e hidrólisis de ADP-ribosa cíclica (cADPR) de NAD + a ADP-ribosa . [43] La activación de SARM1 desencadena localmente un colapso rápido de los niveles de NAD + en la sección distal del axón lesionado, que luego sufre degeneración. [44] Más tarde se demostró que este colapso en los niveles de NAD + se debía a que el dominio TIR de SARM1 tenía actividad intrínseca de escisión de NAD + . [45] La proteína SARM1 tiene cuatro dominios, una señal de localización mitocondrial, una región N-terminal autoinhibitoria que consiste en motivos armadillo/HEAT, dos motivos alfa estériles responsables de la multimerización y un receptor Toll/Interleucina-1 C-terminal que posee actividad enzimática. [45] La activación de SARM1 es suficiente para colapsar los niveles de NAD + e iniciar la vía de degeneración walleriana. [44]
La actividad de SARM1 ayuda a explicar la naturaleza protectora del factor de supervivencia NMNAT2 , ya que se ha demostrado que las enzimas NMNAT previenen el agotamiento de NAD + mediado por SARM1 . [46] Esta relación se ve respaldada además por el hecho de que los ratones que carecen de NMNAT2, que normalmente no son viables, son completamente rescatados por la eliminación de SARM1, colocando la actividad de NMNAT2 aguas arriba de SARM1. [47] Otras vías de señalización prodegenerativa, como la vía de la MAP quinasa, se han relacionado con la activación de SARM1. Se ha demostrado que la señalización de MAPK promueve la pérdida de NMNAT2, promoviendo así la activación de SARM1, aunque la activación de SARM1 también desencadena la cascada de la MAP quinasa, lo que indica que existe algún tipo de bucle de retroalimentación. [48] [49] Una explicación para el efecto protector de la mutación Wld S es que la región NMNAT1, que normalmente se localiza en el soma, sustituye al factor de supervivencia lábil NMNAT2 para prevenir la activación de SARM1 cuando la región Ube4 N-terminal de la proteína WldS lo localiza en el axón. El hecho de que la supervivencia mejorada de los axones de Wld S se deba a la renovación más lenta de Wld S en comparación con NMNAT2 también ayuda a explicar por qué la eliminación de SARM1 confiere una protección más prolongada, ya que SARM1 estará completamente inactivo independientemente de la actividad del inhibidor, mientras que Wld S eventualmente se degradará. Las posibles implicaciones de la vía SARM1 con respecto a la salud humana se pueden encontrar en modelos animales que exhiben lesión cerebral traumática , ya que los ratones que contienen deleciones de Sarm1 además de Wld S muestran un daño axonal disminuido después de la lesión. [50] Mutaciones específicas en NMNAT2 han vinculado el mecanismo de degeneración walleriana a dos enfermedades neurológicas.