La eritropoyetina en neuroprotección es el uso de la glicoproteína eritropoyetina (Epo) para neuroprotección . La Epo controla la eritropoyesis o producción de glóbulos rojos.
Se pensaba que la eritropoyetina y su receptor estaban presentes en el sistema nervioso central según experimentos con anticuerpos que posteriormente demostraron ser inespecíficos. Si bien la eritropoyetina alfa es capaz de atravesar la barrera hematoencefálica mediante transporte activo , [1] las concentraciones en el sistema nervioso central son muy bajas. La posibilidad de que la Epo pudiera tener efectos sobre los tejidos neuronales dio lugar a experimentos para explorar si la Epo podría ser protectora de los tejidos. La presencia notificada de Epo dentro del líquido cefalorraquídeo de los bebés y la expresión de Epo-R en la médula espinal sugirieron un papel potencial de la Epo dentro del SNC, por lo que la Epo representaba una terapia potencial para proteger los fotorreceptores dañados por el pretratamiento hipóxico. [2]
En algunos estudios con animales, se ha demostrado que la Epo protege a las células nerviosas de la toxicidad del glutamato inducida por la hipoxia . [2] [3] También se ha informado que la Epo mejora la recuperación nerviosa después de un traumatismo espinal. Celik y asociados investigaron la apoptosis de las neuronas motoras en conejos con un modelo de isquemia espinal global transitoria. [4] El estado neurológico funcional de los animales que recibieron RhEpo fue mejor después de la recuperación de la anestesia y siguió mejorando durante un período de dos días. Los animales que recibieron solución salina demostraron un estado neurológico funcional deficiente y no mostraron mejoras significativas. Estos resultados sugirieron que RhEpo tiene una acción beneficiosa tanto aguda como retardada en la lesión isquémica de la médula espinal.
En contraste con estos resultados, numerosos estudios han sugerido que la Epo no tuvo ningún beneficio neuroprotector en modelos animales y que no se detectó EpoR en los tejidos cerebrales utilizando anticuerpos anti-EpoR que demostraron ser sensibles y específicos. [ cita requerida ]
Aunque se ha informado de la detección de EpoR en el cerebro embrionario, su papel en el desarrollo cerebral no está claro. En un estudio, la Epo estimuló las células progenitoras neuronales y previno la apoptosis en el cerebro embrionario de ratones. [5] Los ratones sin EpoR demostraron anemia grave, desarrollo cardíaco defectuoso y, finalmente, muerte alrededor del día embrionario 13,5 por apoptosis en el hígado , endocardio , miocardio y cerebro fetal. Ya en el día embrionario 10,5, la falta de EpoR puede afectar el desarrollo cerebral al aumentar la apoptosis cerebral fetal y disminuir el número de células progenitoras neuronales. Al exponer cultivos de neuronas corticales embrionarias positivas para EpoR a la estimulación mediante la administración de Epo, las células disminuyeron la apoptosis, a diferencia de la disminución de la generación de neuronas en las células negativas para EpoR.
Sin embargo, se ha cuestionado si EpoR puede o no ser un factor determinante para la función del sistema nervioso . [6] La contribución de Epo y EpoR a la neuroprotección y el desarrollo no se entiende tan claramente como su papel en la eritropoyesis en el tejido hematopoyético . En una línea de ratones que expresaron EpoR exclusivamente en células hematopoyéticas, los ratones se desarrollaron normalmente, tenían cerebros normales y función cerebral y eran fértiles, a pesar de la falta de EpoR en tejido no hematopoyético. Expresión diferencial de EpoR entre células eritroides. En particular, la concentración plasmática de Epo está regulada por la expresión de EpoR no hematopoyético cuando el pico de concentraciones plasmáticas para anemia inducida en ratones mutantes y de tipo salvaje. La expresión de EpoR en tejido no hematopoyético es prescindible en el desarrollo normal del ratón, pero la sensibilidad de los progenitores eritroides a Epo está regulada por la expresión de EpoR.
Se ha informado que los mutantes de eritropoyetina R103-E y S100-E (aunque S100 en Epo no existe) no son eritropoyetina pero conservan la función neuroprotectora. La Epo con la mutación R103 es un potente inhibidor de la unión de la Epo de tipo salvaje a su receptor. Aunque se ha demostrado que el mutante de Epo R103-E expresado en el vector viral inhibe la progresión/desarrollo del daño del tejido nervioso en muchos modelos, no se ha demostrado que recupere el tejido nervioso después del daño. Dados los riesgos asociados, sería una tontería administrar/expresar el mutante como medida preventiva de la lesión neuronal. Por lo tanto, desde un punto de vista médico o comercial, no es posible obtener mutantes de Epo neuroprotectores seguros y factibles.
Se ha hecho mucho hincapié en los péptidos de eritropoyetina que no son eritropoyéticos, pero que sí son neuroprotectores. El péptido de EPO con los aminoácidos 92-111 es neuroprotector, mientras que su potencia eritropoyética es diez veces menor que la del tipo salvaje.
Se ha descubierto que una secuencia corta de péptidos de la molécula de eritropoyetina llamada JM4 no es eritropoyética pero teóricamente es neuroprotectora y se está preparando para estudios clínicos de etapa 1 y 2. [7] [8]
La eritropoyetina y su receptor también se encuentran en el sistema nervioso periférico , específicamente en los cuerpos y axones de los ganglios de la raíz dorsal, y en niveles aumentados en las células de Schwann después de una lesión del nervio periférico. [9] La distribución de EpoR fue diferente de la de Epo, específicamente en algunos cuerpos celulares neuronales en el ganglio de la raíz dorsal , células endoteliales y células de Schwann de nervios normales. Lo más importante es que los experimentos con inmunotinción revelaron que la distribución y concentración de EpoR en las células de Schwann no cambia después de una lesión del nervio periférico. Sin embargo, esos estudios son de importancia cuestionable ya que los anticuerpos no eran específicos de EpoR. Otra investigación sugirió que Epo se regula positivamente de acuerdo con la expresión de ARNm en astrocitos y neuronas inducidas por hipoxia, mientras que EpoR no lo hace. [10] Una correlación entre la expresión de Epo-R en células ganglionares y la unión a receptores sensoriales en la periferia como los cuerpos de Pacini y los husos neuromusculares sugiere que Epo-R está relacionado con la regulación del tacto. [11]
Después de una lesión nerviosa, el aumento de la producción de Epo puede inducir la activación de ciertas vías celulares, mientras que la concentración de EpoR no cambia. En las células de Schwann, el aumento de los niveles de eritropoyetina puede estimular la proliferación de células de Schwann a través de la activación de JAK2 y ERK/MAP quinasa, que se explicará más adelante. De manera similar a la estimulación de las células precursoras de glóbulos rojos (eritrogénesis), la eritropoyetina estimula la proliferación de células de Schwann no diferenciadas. [11]
Aunque el mecanismo no está claro, es evidente que la eritropoyetina tiene una acción antiapoptótica después de una lesión de los nervios centrales y periféricos. Se ha demostrado que la comunicación cruzada entre las cascadas de señalización de JAK2 y NF-κB es un posible factor en la lesión de los nervios centrales. También se ha demostrado que la eritropoyetina previene la degeneración axonal cuando es producida por células de Schwann vecinas con óxido nitroso como señal de lesión axonal. [12]
La eritropoyetina ejerce su función neuroprotectora directamente activando moléculas transmisoras que desempeñan un papel en la eritrogénesis e indirectamente restaurando el flujo sanguíneo. [13] Se estudió la administración subcutánea de RhEpo sobre la autorregulación del flujo sanguíneo cerebral después de una hemorragia subaracnoidea experimental. En diferentes grupos de ratas Sprague-Dawley macho, la inyección de Epo después de la inducción de la hemorragia normalizó la autorregulación del flujo sanguíneo cerebral, mientras que las tratadas con un vehículo no mostraron autorregulación.
La vía de la eritropoyetina en los sistemas nerviosos central y periférico comienza con la unión de la Epo al receptor de Epo. Esto conduce a la fosforilación enzimática de PI3-K y NF-κB y da como resultado la activación de proteínas que regulan la apoptosis de las células nerviosas. [14] Investigaciones recientes muestran que la Epo activa las cascadas de JAK2 que activan NF-κB, lo que conduce a la expresión de CIAP y c-IAP2, dos genes inhibidores de la apoptosis. Investigaciones realizadas en neuronas del hipocampo de ratas demuestran que el papel protector de la Epo en la muerte celular inducida por hipoxia actúa a través de las quinasas reguladas por señales extracelulares ERK1, ERK2 y la proteína quinasa Akt-1/PKB. [15] La acción de la Epo no se limita a promover la supervivencia celular y que la inhibición de la apoptosis neuronal subyace a los efectos protectores de latencia corta de la Epo después de una lesión cerebral. En consecuencia, las acciones neurotróficas pueden demostrar efectos de latencia más prolongada, pero es necesario realizar más investigaciones sobre su seguridad y eficacia clínicas.
Además del efecto antiapoptótico, la Epo reduce la respuesta inflamatoria durante diferentes tipos de lesión cerebral a través de la vía NF-κB. [16] La vía NF-κB activada por la fosforilación de Epo/EpoR desempeña un papel en la regulación de la respuesta inflamatoria e inmunitaria, además de prevenir la apoptosis debido al estrés celular. [17] Las proteínas NF-κB regulan la respuesta inmunitaria a través del control de los linfocitos B y la proliferación de los linfocitos T. Todas estas proteínas son importantes para la expresión de genes específicos para la regulación de la respuesta inmunitaria e inflamatoria.
Como agente neuroprotector, la eritropoyetina tiene muchas funciones: antagoniza la acción citotóxica del glutamato, mejora la expresión de enzimas antioxidantes, reduce la tasa de producción de radicales libres y afecta la liberación de neurotransmisores. Ejerce su efecto neuroprotector indirectamente a través de la restauración del flujo sanguíneo o directamente activando moléculas transmisoras en neuronas que también desempeñan un papel en la eritrogénesis. Aunque la apoptosis no es reversible, la intervención temprana con procedimientos terapéuticos neuroprotectores como la administración de eritropoyetina puede reducir el número de neuronas que experimentan apoptosis. [11]
Se ha demostrado que la administración sistémica de RhEpo reduce la apoptosis de las células ganglionares de la raíz dorsal. [18] Si bien los animales tratados con RhEpo no estaban inicialmente protegidos de la alodinia mecánica después del aplastamiento del nervio espinal, se demostró una tasa de recuperación significativamente mejorada en comparación con los animales no tratados con RhEpo. Esta terapia con RhEpo aumentó la fosforilación de JAK2, que se ha descubierto que es un paso de señalización clave en la neuroprotección inducida por Epo mediante un mecanismo antiapoptótico. Estos hallazgos demuestran que la terapia con Epo es un tratamiento factible del dolor neuropático al reducir la prolongación del dolor después de una lesión nerviosa. Sin embargo, es necesario realizar más estudios para determinar el momento y la dosis óptimos para el tratamiento con RhEpo.
En los bebés con un desarrollo neurológico deficiente, la prematuridad y la asfixia son problemas típicos. Estas afecciones pueden provocar parálisis cerebral , retraso mental y deterioro sensorial. La terapia de hipotermia para la encefalopatía neonatal es una terapia probada para la lesión cerebral neonatal. Sin embargo, investigaciones recientes han demostrado que altas dosis de eritropoyetina recombinante pueden reducir o prevenir este tipo de lesión cerebral neonatal si se administran temprano. [19] Una alta tasa de apoptosis neuronal es evidente en el cerebro en desarrollo debido a la sobreproducción inicial. Las neuronas que son eléctricamente activas y hacen conexiones sinápticas sobreviven, mientras que las que no experimentan apoptosis. Si bien este es un fenómeno normal, también se sabe que las neuronas en el cerebro en desarrollo tienen un mayor riesgo de sufrir apoptosis en respuesta a una lesión. Una pequeña cantidad de RhEpo puede atravesar la barrera hematoencefálica y proteger contra la lesión hipóxico-isquémica. El tratamiento con Epo también ha demostrado preservar el volumen cerebral hemisférico 6 semanas después del accidente cerebrovascular neonatal . [20] Demostró efectos neuroprotectores y una dirección hacia la neurogénesis en el accidente cerebrovascular neonatal sin dificultades asociadas a largo plazo.
También se ha demostrado que la administración sistémica de RhEpo reduce el deterioro conductual asociado a las lesiones en ratas con lesiones en el hipocampo. [21] El estudio confirmó que la administración de Epo mejoró las capacidades conductuales y cognitivas postraumáticas en comparación con un control salino que no experimentó ninguna mejora, aunque no tuvo un efecto detectable en la adquisición de tareas en animales no lesionados. La Epo puede reducir o eliminar las consecuencias de las lesiones mecánicas en el hipocampo , pero también demuestra posibles efectos terapéuticos en otros dominios cognitivos.
Se ha demostrado que la Epo protege específicamente a las neuronas dopaminérgicas , que están estrechamente relacionadas con el trastorno por déficit de atención con hiperactividad . [19] Específicamente en ratones, la Epo demostró efectos protectores sobre las neuronas dopaminérgicas nigrales en un modelo de ratón de la enfermedad de Parkinson . [22] Este experimento reciente puso a prueba la hipótesis de que la RhEpo podría proteger a las neuronas dopaminérgicas y mejorar el resultado neuroconductual en un modelo de rata de la enfermedad de Parkinson. La administración intraestriatal de RhEpo redujo significativamente el grado de asimetría rotacional, y las ratas tratadas con RhEpo demostraron una mejora en el uso hábil del antebrazo. Estos experimentos demostraron que la administración intraestriatal de RhEpo puede proteger a las neuronas dopaminérgicas nigrales de la muerte celular inducida por 6-OHDA y mejorar el resultado neuroconductual en un modelo de rata de la enfermedad de Parkinson.
Actualmente, la metilprednisolona (Medrol) es el único fármaco utilizado para tratar los traumatismos de la médula espinal. [11] Es un corticosteroide que reduce el daño a las células nerviosas y disminuye la inflamación cerca de los sitios de la lesión. Por lo general, se administra dentro de las primeras 8 horas después de la lesión, pero muestra malos resultados tanto en pacientes como en modelos experimentales. Ha surgido cierta controversia en relación con el uso de metilprednisolona debido a sus riesgos asociados y malos resultados clínicos, pero es el único medicamento disponible.
Si se administra dentro de un período de tiempo específico en experimentos con eritropoyetina en el sistema nervioso central, la EPO tiene una respuesta favorable en lesiones cerebrales y de la médula espinal como traumatismos mecánicos o hemorragias subaracnoideas. [23] La investigación también demuestra un papel terapéutico en la modulación de la excitabilidad neuronal y en actuar como factor trófico tanto in vivo como in vitro. [23] Esta administración de eritropoyetina funciona inhibiendo la apoptosis de las neuronas motoras y sensoriales a través de la estimulación de vías metabólicas antiapoptóticas intracelulares. La acción de la eritropoyetina sobre las células de Schwann y la respuesta inflamatoria después de un traumatismo neurológico también apunta a la estimulación inicial de la regeneración nerviosa después de una lesión del nervio periférico. [11]
La eritropoyetina y su receptor tienen un papel esencial en la neurogénesis , específicamente en la neurogénesis posterior a un accidente cerebrovascular y en la migración de neuroblastos a áreas de lesión neuronal. [24] Se encuentran defectos graves en la neurogénesis embrionaria en animales que no tenían genes Epo o EpoR. En animales con deficiencia de EpoR, la eliminación de genes EpoR específicos del cerebro condujo a una reducción en el crecimiento celular en la zona subventricular y una neurogénesis deteriorada después del accidente cerebrovascular. Esta neurogénesis posterior al accidente cerebrovascular se caracterizó por una migración deteriorada de neuroblastos en la corteza periinfarto. Estos resultados concuerdan con el enfoque clásico de las contribuciones de Epo/EpoR en el desarrollo, ya que demostraron un requisito de Epo/EpoR para el desarrollo neuronal embrionario, la neurogénesis adulta y la regeneración neuronal después de una lesión. Las dosis altas de eritropoyetina exógena podrían demostrar un papel neuroprotector al unirse a un receptor que contiene el receptor beta común pero carece de EpoR. Este tipo de estudios en animales sin Epo y EpoR han demostrado y están dilucidando aún más el papel neuroprotector de Epo/EpoR en la genética y el desarrollo.
Si bien los efectos neuroprotectores de la administración de Epo en modelos de lesión y enfermedad cerebral han sido bien descritos, actualmente se están investigando los efectos de Epo en la neurorregeneración . La administración de Epo durante la transacción del nervio óptico se utilizó para evaluar las propiedades neuroprotectoras in vivo, así como para demostrar las capacidades neurorregenerativas. [25] La inyección intravítrea de Epo aumentó los somas de las células ganglionares de la retina y la supervivencia de los axones después de la transacción. Una pequeña cantidad de axones penetró en el sitio de la transacción y se regeneró hasta 1 mm en el nervio distal. En un segundo experimento, Epo duplicó el número de axones de células ganglionares de la retina que se regeneraron a lo largo de una longitud de nervio injertado en el nervio óptico retrobulbar. Esta evidencia de Epo como agente neuroprotector y neuroregenerativo es extremadamente prometedora para Epo como terapia en la lesión y reparación del nervio central.
Se ha demostrado que la eritropoyetina tiene un papel neuroprotector tanto en el sistema nervioso central como en el periférico a través de vías que inhiben la apoptosis. Se ha demostrado con éxito que tiene efectos neuroprotectores en muchos modelos de lesión cerebral y en algunos experimentos. También es capaz de influir en la estimulación neuronal y promover la regeneración de los nervios periféricos. La EPO tiene muchos usos potenciales y podría proporcionar una respuesta terapéutica para las lesiones del sistema nervioso. Sin embargo, es necesario realizar más estudios para determinar el momento y la dosis óptimos para el tratamiento con EPO.
La neuroprotección es también un concepto utilizado en oftalmología en relación con el glaucoma . La única neuroprotección actualmente probada en el glaucoma es la reducción de la presión intraocular. Sin embargo, existen teorías de que existen otras posibles áreas de neuroprotección, como la protección contra la toxicidad inducida por la degeneración de las fibras nerviosas del glaucoma. Los modelos de cultivo celular muestran que se puede evitar la muerte de las células ganglionares de la retina mediante ciertos tratamientos farmacológicos. La inyección intraperitoneal de Epo en ratones DBA/2J protegió/ralentizó la degeneración de las células ganglionares de la retina (RGC). [26] La sobreexpresión de Epo y mutantes de Epo en el ojo a través de vectores virales es tóxica para la retina.
La eritropoyetina es una molécula muy potente (una unidad ~ 10 ng) y se sabe que es extremadamente tóxica en dosis altas. Dado que un control tan estricto de la expresión es imposible, la terapia génica con vectores virales no es una opción.