Los quimiorreceptores periféricos (de los cuerpos carotídeos y aórticos ) se denominan así porque son extensiones sensoriales del sistema nervioso periférico en los vasos sanguíneos donde detectan cambios en las concentraciones químicas. [1] Como transductores de patrones de variabilidad en el entorno circundante, los cuerpos carotídeos y aórticos cuentan como quimiosensores de manera similar a las papilas gustativas y los fotorreceptores . [2] Sin embargo, debido a que los cuerpos carotídeos y aórticos detectan variaciones dentro de los órganos internos del cuerpo, se consideran interoceptores . [3] Las papilas gustativas , los bulbos olfatorios , los fotorreceptores y otros receptores asociados con las cinco modalidades sensoriales tradicionales , por el contrario, son exteroceptores en el sentido de que responden a estímulos externos al cuerpo. [3] El cuerpo también contiene propioceptores , que responden a la cantidad de estiramiento dentro del órgano , generalmente músculo , que ocupan. [3]
En cuanto a su función particular, los quimiorreceptores periféricos ayudan a mantener la homeostasis en el sistema cardiorrespiratorio al monitorear las concentraciones de sustancias químicas transportadas por la sangre. [4] Estos sensores polimodales responden a variaciones en una serie de propiedades de la sangre, incluido el bajo nivel de oxígeno ( hipoxia ), el alto nivel de dióxido de carbono ( hipercapnia ) y el bajo nivel de glucosa ( hipoglucemia ). [4] La hipoxia y la hipercapnia son las condiciones más estudiadas y comprendidas detectadas por los quimiorreceptores periféricos. La glucosa se analiza en una sección posterior. Los nervios aferentes llevan señales de regreso desde los cuerpos carotídeo y aórtico al tronco encefálico , que responde en consecuencia (por ejemplo, aumentando la ventilación ). [3]
Tanto los cuerpos carotídeos como los cuerpos aórticos aumentan la descarga sensorial durante la hipoxia. [5] Los cuerpos carotídeos se consideran el quimiorreceptor periférico primario y se ha demostrado que contribuyen más a una respuesta hipóxica . Sin embargo, en la ausencia crónica del cuerpo carotídeo, el cuerpo aórtico puede realizar una función reguladora respiratoria similar, lo que sugiere que también posee mecanismos eficaces de transducción de señales . [5] Las diferentes ubicaciones de los dos cuerpos los posicionan idealmente para aprovechar información diferente; los cuerpos carotídeos, ubicados en una de las arterias principales del cuello , controlan la presión parcial dentro de los vasos arteriales, mientras que el cuerpo aórtico, ubicado en el arco aórtico , controla la concentración de oxígeno más cerca del corazón . [3] Cada uno de estos cuerpos está compuesto por una colección similar de células, y es el procesamiento de señales posterior a la transducción lo que diferencia sus respuestas. Sin embargo, se sabe poco sobre los detalles específicos de cualquiera de estos mecanismos de señalización. [6]
Los cuerpos carotídeo y aórtico son grupos de células ubicadas en la arteria carótida común y el arco aórtico , respectivamente. [6] Cada uno de estos quimiorreceptores periféricos está compuesto por células glómicas de tipo I y células de tipo II similares a la glía. [6] Las células de tipo I transducen las señales del torrente sanguíneo y están inervadas por fibras nerviosas aferentes que conducen de regreso (en el cuerpo carotídeo) al nervio del seno carotídeo y luego al nervio glosofaríngeo y al bulbo raquídeo del tronco encefálico . El cuerpo aórtico, por el contrario, está conectado al bulbo raquídeo a través del nervio vago . [3]
También reciben información de fibras nerviosas eferentes que regresan al mismo conjunto de nervios. Todo el grupo de células está infiltrado con capilares para proporcionar acceso al torrente sanguíneo; la alta densidad capilar hace que esta sea una de las áreas del cuerpo con mayor flujo sanguíneo. [6] Las células de tipo I están densamente repletas de vesículas que contienen varios neurotransmisores, incluyendo dopamina , ATP , serotonina , catecolamina , liberados durante la transducción . [1] Las células de tipo I a menudo están conectadas a través de uniones gap , lo que podría permitir una comunicación rápida entre células al transducir señales. [6]
Las células de tipo II se encuentran en una proporción de aproximadamente 1 a 4 con las células de tipo I. Sus cuerpos largos generalmente se encuentran en estrecha asociación con las células de tipo I, aunque no las encierran por completo. [6] Carecen de las vesículas de las células de tipo I que se utilizan en la comunicación de neurotransmisores , [1] pero los estudios indican que funcionan como células madre quimiorreceptoras y pueden responder a la exposición prolongada a la hipoxia proliferando en células de tipo I. [7] También pueden reforzar la comunicación rápida entre células de tipo I al amplificar la liberación de uno de los neurotransmisores primarios en la señalización quimiorreceptiva, el ATP. [6]
La sensibilidad y la fisiología de los quimiorreceptores periféricos cambian a lo largo de la vida. [8]
La respiración en los neonatos es irregular, propensa a la respiración periódica y a la apnea . [8] En el útero y al nacer, la respuesta del cuerpo carotídeo a la hipoxia no está completamente desarrollada; se necesitan unos días o unas semanas para aumentar su sensibilidad a la de un cuerpo carotídeo adulto. Durante este período de desarrollo, se propone que los neonatos dependen en gran medida de otros quimiorreceptores sensibles al oxígeno, como el cuerpo aórtico o los quimiorreceptores centrales . [5] Sin embargo, los quimiorreceptores que no son del cuerpo carotídeo a veces no son suficientes para asegurar una respuesta ventilatoria adecuada; las muertes por SMSL ocurren con mayor frecuencia durante los días o semanas en los que el cuerpo carotídeo aún se está desarrollando, y se sugiere que la falta de actividad adecuada del cuerpo carotídeo está implicada en esta condición. A menudo se informa que las víctimas de SMSL han mostrado algunos de los problemas característicos del desarrollo del cuerpo carotídeo, que incluyen respiración periódica , mucha apnea del sueño , alteración del despertar durante el sueño y baja sensibilidad a la hipoxia. Los cuerpos carotídeos de las víctimas de SMSL también suelen mostrar anomalías fisiológicas, como hipo e hipertrofia . Muchos de los hallazgos sobre la relación del cuerpo carotídeo con el SMSL informan que el desarrollo del cuerpo carotídeo se ve afectado por factores ambientales que ya se sabía que aumentan el riesgo de SMSL, como el nacimiento prematuro y la exposición al humo, sustancias de abuso, hiperoxia e hipoxia, por lo que puede parecer inicialmente como si los estudios del cuerpo carotídeo solo estuvieran extendiendo lo que sabemos sobre el SMSL a otro dominio. Sin embargo, comprender los mecanismos que perjudican el desarrollo del cuerpo carotídeo podría ayudar a dilucidar cómo se podrían mejorar ciertos aspectos de la atención neonatal , particularmente de los prematuros . Por ejemplo, la oxigenoterapia puede ser un ejemplo de una técnica que expone a los bebés prematuros a niveles tan altos de oxígeno que les impide adquirir la sensibilidad adecuada a los niveles normales de oxígeno. [9]
Después de la semana 20 de gestación , las mujeres embarazadas presentan un aumento de la frecuencia respiratoria basal y de la sensibilidad a la hipoxia y la hipercapnia , y los estudios sugieren que esto se debe, al menos en parte, a cambios en la sensibilidad de los quimiorreceptores periféricos. Se han encontrado cambios similares en la sensibilidad en mujeres a las que se les administraron niveles de hormonas que imitaban la etapa del embarazo en la que se comienzan a manifestar estos efectos, lo que sugiere que la sensibilidad del cuerpo aórtico y de la carótida está modulada por procesos neuroendocrinos . [5] Sin embargo, los hallazgos que vinculan los quimiorreceptores periféricos con las variaciones en la respiración inducidas por el embarazo podrían ser simplemente correlacionales, por lo que se necesitan más estudios para identificar la causa detrás de esta relación.
Los quimiorreceptores periféricos fueron identificados como necesarios para la regulación de la respiración mucho antes de que sus mecanismos para adquirir información del torrente sanguíneo comenzaran a entenderse. [4] Tanto los cuerpos carotídeos como los aórticos están compuestos de células de tipo I y tipo II y se cree que transducen señales de las sustancias químicas de la sangre de la misma manera, aunque la comunicación de señales posterior a la transducción puede diferir. [6] La transducción quimiosensorial en estos receptores sigue siendo un área activa de investigación, y no todos los estudios están de acuerdo, pero hay un creciente apoyo a un mecanismo de transducción dependiente del consumo mitocondrial de oxígeno que afecta a la enzima AMPK . [4]
La transferencia de la señal a la médula requiere que el neurotransmisor se libere de las vesículas en las células de tipo I, y como con muchas otras células neuronales, esto se desencadena por una afluencia de calcio en la célula después de la despolarización de la membrana . [6] El proceso de identificación de la transducción de señales en interoceptores como los quimiorreceptores periféricos requiere retroceder desde la despolarización de la membrana para descubrir los pasos anteriores, a menudo internos a la célula, que transducen los químicos de la sangre a una señal neuronal. Hasta este punto, la mayoría de las investigaciones coinciden en que la despolarización de la membrana es causada por la inhibición de los canales de potasio que de otra manera mantienen el potencial de reposo . [4] En cuanto al paso anterior a la inhibición del canal de potasio, se proponen muchos mecanismos, ninguno de los cuales recibe el apoyo unánime de la comunidad investigadora. [7] Múltiples tipos de canales de potasio responden a la hipoxia , con diferencias significativas entre diferentes especies y una serie de tipos diferentes para cada especie. [4] La expresión de los canales de potasio también cambia a lo largo de la vida. [8] Algunos estudios proponen que la hemo-oxigenasa 2 es el transductor ; Sin embargo, dado que su eliminación en ratones no afecta la sensibilidad al oxígeno de los quimiorreceptores, [10] esta hipótesis está abierta a dudas. Otra enzima, la proteína quinasa activada por AMP (AMPK), proporciona un mecanismo que podría aplicarse no solo a todos los tipos de canales de potasio, sino también a otros tejidos sensibles al oxígeno en el cuerpo, como la vasculatura pulmonar y las células cromafines neonatales . AMPK es una enzima que se activa por un aumento en la relación AMP : ATP resultante del aumento de la respiración celular . Una vez activada, la enzima promueve la producción de ATP y suprime las reacciones que lo consumen. La activación de AMPK también es un candidato más atractivo porque puede activar los dos tipos más comunes de canales de potasio. Otro estudio identificó que AMPK abre y cierra los canales de potasio a través de la fosforilación , lo que subraya aún más el vínculo entre los dos. Sin embargo, el papel de AMPK en la detección de oxígeno en células de tipo 1 también se ha puesto en duda recientemente. [11]
La función de esta enzima posiciona a las células de tipo I para aprovechar de manera única sus mitocondrias. Sin embargo, la AMPK es una enzima que se encuentra en muchos más tipos de células que los quimiorreceptores porque ayuda a regular el metabolismo . La diferencia puede residir en el metabolismo de la célula, en lugar de en la enzima AMPK; los quimiorreceptores periféricos muestran tasas de fondo muy altas de consumo de oxígeno, respaldadas por su densa red de capilares . Dado que su tasa base de respiración celular es tan alta, su AMPK sería más sensible a las reducciones en el oxígeno transportado por la sangre, lo que le permitiría responder a pequeñas variaciones en el contenido de oxígeno antes de que otras células comiencen a sentir los efectos de su ausencia. [4] De esta manera, la transducción en las células quimiorreceptoras periféricas es relativamente única. No requiere ninguna proteína especializada que cambie de forma en presencia de luz o un sitio receptor específico para un saborizante particular. Sus componentes necesarios incluyen simplemente las mitocondrias y una enzima utilizada para regular su actividad común a todas las células aeróbicas, un conjunto de canales de potasio y calcio y neurotransmisores comunes a muchos tipos de células nerviosas, y una versión bien dotada de la vasculatura que sustenta a todas las células aeróbicas. [4] Una investigación futura debería identificar por qué las células de tipo I exhiben una tasa metabólica tan alta en comparación con otros tipos de células, ya que esta puede ser la característica verdaderamente única del receptor. Y, por lo tanto, un receptor para la fuente de energía más básica de un organismo aeróbico está compuesto por un conjunto de estructuras celulares comunes en todo el cuerpo.
Los quimiorreceptores periféricos se someten a estrés en una serie de situaciones que implican un acceso bajo al oxígeno, incluido el ejercicio y la exposición a grandes altitudes. [5] Bajo estrés hipóxico sostenido, independientemente de la causa, los quimiorreceptores periféricos muestran una gran plasticidad ; tanto aumentarán el tamaño de las células quimiosensoras como su número. [5] Aunque los investigadores anteriormente no estaban seguros de cómo los cuerpos carotídeos y aórticos llegaron a aumentar su número tan rápidamente, hallazgos recientes apuntan a las células de tipo II, que anteriormente se pensaba que solo tenían un papel de apoyo y ahora se cree que conservan las propiedades de las células madre y pueden diferenciarse en células transductoras de tipo I. [7]
Varios estudios sugieren que los quimiorreceptores periféricos desempeñan un papel en la ventilación durante el ejercicio. Sin embargo, hay desacuerdo sobre si desempeñan un papel excitatorio o inhibidor . Varios estudios apuntan al aumento de la circulación de catecolaminas o potasio durante el ejercicio como un posible efector sobre los quimiorreceptores periféricos; sin embargo, los detalles de este efecto aún no se comprenden. Todas las sugerencias de la participación de los quimiorreceptores periféricos concluyen que no son los únicos responsables de esta respuesta, enfatizando que estos receptores son solo uno en un conjunto de células sensibles al oxígeno que pueden responder en momentos de estrés. Recopilar información sobre la actividad del cuerpo aórtico y carotídeo en humanos vivos que hacen ejercicio es complicado y, a menudo, solo indica evidencia indirecta, por lo que es difícil sacar conclusiones expansivas hasta que se haya acumulado más evidencia y, con suerte, con técnicas más avanzadas. [5]
Además de los efectos ventilatorios, los quimiorreceptores periféricos pueden influir en las respuestas neuroendocrinas al ejercicio que pueden influir en actividades distintas a la ventilación. [5] La circulación de la hormona promotora de glucosa , el glucagón , y un neurotransmisor, la noradrenalina , aumenta en perros con inervación del cuerpo aórtico y carotídeo, lo que sugiere que los quimiorreceptores periféricos responden a niveles bajos de glucosa y pueden responder a otras señales neuroendocrinas además de lo que tradicionalmente se considera su única función de regulación ventilatoria. [5]
Los quimiorreceptores periféricos trabajan en conjunto con los quimiorreceptores centrales , que también controlan el CO2 en sangre, pero lo hacen en el líquido cefalorraquídeo que rodea el cerebro . Una alta concentración de quimiorreceptores centrales se encuentra en la médula ventral , el área del tronco encefálico que recibe información de los quimiorreceptores periféricos. [12] En conjunto, estos monitores de oxígeno en sangre contribuyen con señales nerviosas al centro vasomotor de la médula que puede modular varios procesos, incluida la respiración, la resistencia de las vías respiratorias , la presión arterial y la excitación . [3] A nivel evolutivo, esta estabilización de los niveles de oxígeno, que también da como resultado una concentración de dióxido de carbono y un pH más constantes , fue importante para controlar el flujo de oxígeno en la respiración aire-agua, el sueño y para mantener un pH ideal para la estructura de las proteínas , ya que las fluctuaciones en el pH pueden desnaturalizar las enzimas de una célula. [3] [13]