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Mecanismos de muerte celular
en la enfermedad de Alzheimer
M. R. Luquin , E. Martínez-Vila, L. Saldise
Departamento de Neurología y Neurocirugía. Clínica Universitaria. Facultad de Medicina. Universidad de Navarra.
RESUMEN. Los mecanismos moleculares implicados en la degeneración neuronal que existe en los
cerebros de pacientes con enfermedad de A lzheimer no son conocidos. Se ha postulado un efecto
tóx ico directo del 13-am iloide , un incremento del estrés oxidati vo celular, un mecanis mo de excitotoxidad, alteración de los mecanismos de transducción
y últimamente se ha sugerido que la muerte neuronal en la enfe rmedad de Alzhe imer puede ser apoptótica.
SUMMARY. Molecular mechani sm s involved in
neurona l degeneration in A lzheimer's disease remain sti ll unknown. A toxic effect induced by 13
amyloid, oxidative stress, excitotoxicity and alterations in signal transduction mechan isms are the
main factors linked to neuronal death. In addition, it
has been suggested that apoptosis may a lso participate as a part of the cascade of events resulting
in neurodegeneration.
(Re v
~lcd
Unh• Navarr:1 19')7; <11: .11-'15).
Correspondencia
M. Rosario Luquin
Departamento de Neurología y Neurocirugía
Clínica Universitaria
31080 Pamplona
Introducción
La enfermedad de Alzheimer (EA) es la causa más
frecuente ele demencia en nuestro medio. Estudios epidemiológicos recientes indican que la EA afecta a un
12.5% de la población mayor ele 65 años aumentando
hasta un 47.5% en la población mayor de 85 años (1).
Existen numerosos factores que se han rel acionado
con el desarrollo posterior de EA como el envejecimiento, factores genéticos, antecedentes ele traumatismos craneales, exposición previa a anestésicos etc. Sin
34 REVISTA DEMEDICINA DE LA UNIVERSIDAD DE NAVARRA ENERO-MARZO 1997
embargo, resulta imprescindible realizar un abordaje
ele los mismos desde un punto de vista molecu lar que
explique qué mecanismos ocurren en la EA que p onen
a las neuronas en alto riesgo de neurodegeneraci ón.
13·amiloide
La EA es una enfermedad degenerativa progresiva
caracterizada por el depósito cerebral de amiloicle en
las placas neuríticas y la pared vascular. El constituyente más importante ele los depósitos ele amiloide es
un péptido ele 39-42 aminoácidos, aproximadamente,
denominado proteína 13-amiloide (AI3) (2). A unque la
presencia ele Al3 está asociada a neuronas que degeneran, el mecanism o de neuroclegeneración subyacente es desconocido. Existe una gran controversia en relación a la posible toxicidad del 13-amiloide. Para
algunos autores el 13-amiloicle y la forma ción de la placa son la causa ele la neuroclegeneración, mientras que
para otros, ambos son el resultado de la disfunción
neuronal. Ambas hipótesis intentan explicar cómo se
procesa la proteína precursora del amiloide (AAP) , cóm o funciona en el cerebro normal y cómo .se degrada
poster iormente para formar el 13-amiliocle que constituye el centro de la placa en cerebros con EA (3,1). La
formación de A4 ó 13-amilo ide parece ser la consecuencia de un procesamiento anómalo ele la proteína
precursora, probablemente secundaria a una alteración
de la membrana celular que condiciona una proteolísis aberrante ele la porciún transmembranosa ele la proteína precursora (5,6).
Estudios i n uifro sobre la actividad biológica del 13amiloide han dem ostrado que posee propiedades neurotóxicas y sorprendentemente puede actuar también
como una sustancia neurotrófica (7). Estudios iniciales
en cultivos ele células de hipocampo demostraron que
Al3 sintético en su forma soluble, inducía un acortamiento en la supervivencia neuronal cuando se utilizaba l3 1-42 ó 13 1_28 (8). Posteriormente, se comprobó que
el 13 1_12 inducía un aumento significativo ele la arborización dendrítica en las mismas condiciones experi34
mentales (9). Sin embargo, este aparente e fecto neurotrófico es te mporal y sustituido rápidamente por un
efecto neurotóxico.
El 13-amiloidc existe primariamente como agregados
insolubles. Po r tanto la acción neurotóxica/ ncuroLrófica del 13-amiloide puede depender de su estado de
agregación. En cultivos de células de hipocampo en
desarro llo e l 13 1_42 soluble induce un crecimiento neurítico sin incremento ele la supervivencia neuronal. Por
el contrario, células tratadas con la forma 13 1. 42 insolub le experime ntan una marcada degeneración neuronal
(10,11). Ivlás recientemente Pike y cols (12) han demostrado que la neurotoxicidad ligada al 13-amilioclc
puede prevenirse al bloquear la formación ele agregados insolubles ó al revertir el estado ele agregación de
los pépticlos 13. De este modo, los péptidos solubles
Al3 podrían ejercer inicialmente un efecto neurotrófico
y eventualmente facilitar la nemoclegeneración, mientras que los péptidos Al3 agregados podrían iniciar la
neu rodegeración incluso en ne uronas sanas.
Estrés Oxidativo
La hipótesis de que e l estrés oxidativo es responsable de la neurodegeneración observada en la EA está
basada en la observación ele que algunos procesos que
indu cen la formación ele radicales libres, como traumatismos craneales y envejecimie nto, han sido considerados como hlctores de riesgo para la EA, y por la
similitud q ue existe entre la EA y el síndrome ele
Down, en el que existe un incremento en la producción de radicales libres (13).
Los radicales libres se definen como áLamos ó moléculas que contienen uno o más orbitales externos
con un electrón no pareado. Son com puestos muy
inestables que tienden a reaccionar rápidamente con
las moléculas vecinas para captar los electrones que
les falta, produciendo la oxidación de las mismas. Los
radicales libres mas importantes en biología humana
son el radical superóxido (02 ·), radical hidroxilo
(OH"), oxido nítrico (NO) tiil (RS) y triclorometil
(CCI 3). Ilabitualmenre, los radicales libres reaccionan
con sustancias no radicales, transfonnándolas en nuevos radicales libres, que originan reaccio nes en cadena, en las cuales la sustancia no radical se transforma
en un radical libre, que a su vez oxida a otra sustancia
no radical (14).
Los metales ele transición juegan un papel muy importante en las reacciones oxidativas mediadas por radicales libres. Estos presentan dos estados de valencia
que se encargan de la tra nsfe rencia de electrones en
35
las reacciones de oxidación/ reducción. T.os más importantes son el hierro (Fe2 + y foe3+), el cobre (Cu+ y
Cu2+) y el manganeso (Mn+ y Mn2+). Las reacciones ele
las sales fe rrosas con H20 2 , que originan radicales
OH" se denominan reacciones ele Fenton (15,16).
Los organismos vivos se protegen de la presencia ele
hierro libre gracias a proteínas de transporte (transferrina) y almacenamiento (ferritina y hemosiderina). Sin
embargo, e l estrés oxidativo puede por sí mismo facilitar la presencia ele hierro libre para generar más reacciones oxiclativas (17,18). Por e jemplo, rad icales libres como el 0 2- y el NO inducen reacciones
oxidativas que pueden actua r interrumpiendo la caclena oxiclativa (cbain-breal?eJs: por ejemplo su pcróxido
dismu tasa, catalasa y glutation peroxiclasa) ó por reacció n d irecta con los radicales libres (sccwengers, p.e.
ácido ascórbico, alfatocofcrol y betacaroteno).
Envejecimiento y estrés oxidativo
Los lípidos, las proteínas y el DNA son las principales dianas ele los radicales libres y fundamentalmente
de los radicales hidroxilo (19). El hecho de que las
membranas celulares sean muy ricas en ácidos grasos
polinsaturaclos, hace que la peroxidación lipídica sea
fácilmente inducible.
El desa rrollo ele reacciones ele pcroxidación lipídica
en rda cié>n con la edad es un hecho comprobado. Algunos auto res han encontrado en cerebros ele roedores aí'iosos, un incremento de los índices de p eroxiclació n lipíclica, disminución de los niveles ele glutation
peroxidasa , disfunción mitocondrial y disminución de
enzimas antioxidantes (20,21 ,22). Por otro lado, e n
humanos se ha descrito una alteración en la distri bución celular de ferritina y proteínas ligadoras de hierro
en astrocitos y oligodendrocitos, en relación con la
celad (23).
Un índice claro de la existencia ele a lte raciones en
el metabolismo lipíclico y posible acumulación de peróxidos lipídicos con la edad, es el acúm ulo de lipofucsina. Existe una perfecta correlación entre acúmulo
de lipofucsina y la edad del organismo, pero no se conoce la causa exacta por la que este pigmento se acumula en e l SNC (24) . En animales ele expe rimentación
el depósito ele lipofucsina aumenta considerablemente
cuando éstos son alimentados con dieta deficitaria en
vitamina E, y se reduce considerablemente si reciben
suplemento vitamínico (25,26). Estos rcsullados demuestran la existencia de un incremento del estrés oxidativo con e l e nvejecimiento. Sin e mbargo, cua ndo los
mecanismos antioxidantes ele defensa permanecen inREVISTA DE MEDICINA DE LA UNIVERSIDAD DE NAVARRA ENERO.MARZO 1997 35
tactos, el cerebro no muestra alteraciones patológicas
significativas. De este mod o, las enfermedades degenerativas del SNC ocurrirían en un cerebro envejecido
si los mecanismos antioxida ntes no son capaces de
ne utraliza r el exceso de producción de radicales libres
(27,28,29).
Estrés Oxidativo en la enfet·medad de Alzheimer
Las neuronas son especialme nte vul nerables al estrés oxidativo y al daño por rad icales libres ya que
contienen niveles bajos de glutation peroxidasa, principal responsable de la e liminación de peróxidos citosólicos (30) Por o tro lado, las membranas neuronales
contie nen una proporción alta de ácidos g rasos polinsaturaclos susceptibles a la acción ele radicales libres,
lo que las hace más susceptibles al daño oxidativo.
Además, e l alto consumo de oxígeno por parte de las
neuronas, aumenta enormemente el estrés oxidativo
en las mismas (31,32).
Existen diferentes fuentes ele rad icales libres que deben considerarse e n la patogénes is de la EA. En primer
lugar, la concentració n ele hierro, potente inductor de
las reacciones de oxidación/ reducción, está incrementado en las neuronas q ue presentan degene ración neurofibrilar (33). En segundo lugar, este incremento de
hierro podría inducir alteraciones e n la estructura ele
las proteínas que son catalizadas por metales iónicos al
reducir los azúcares (34). Además las células ele la microglía, que son una fuente importante de radicales libres, están incremenradas e n núme ro en la EA. Po r último, el aumento de aluminio en las ne uronas con
degeneración neurofibrilar puede ejercer una acción
estimulado ra ele la peroxidación lipídica inducida por
hierro (35).
Las alteraciones de la membrana celular q ue se observan en las neuronas que degeneran y en las neuritas, probablemente como consecuencia de la peroxiclació n lipídica, producen una entrada ele Ca 2 + al
inte ri or de la célula que desestabiliza el citoesqueleto
de la célula y activa e nzimas específicos. Estos enzimas, a su vez, potencian la peroxidación de la membrana y en consecuencia la prod ucción de radicales libres (36,37).
Recientemente Hesley y cols (38) han descrito que
e l 13-amilo ide, en solución acuosa, es ca paz de p ro ducir radicales libres e inactivar enzimas como glutamina
sintetasa. Asimismo, e n cultivos celulares la toxicidad
del 13-amiliocle puede ser bloqueada por agentes antioxidantes como la vitamina E, lo que sugiere que su
aparente toxicidad está ligada a la capacidad pro-oxi36 REVISTA DE MEDICINA DELA UNIVERSIDAD DE NAVARRA ENERO-MARZO 1997
dante intrínseca del 13-a miloicle (39). El incre me nto ele
producció n de rad icales libres podría además inducir
una disfunción ele los transp o rtadores ele glutamato
que potenciaría los fenómenos de excitotoxiciclacl (40).
Además de existir un incremento de producción de
rad icales libres, los mecan ismos ele defensa celular
frente al estrés oxidativo están también alterados en
los cerebros con EA. Se ha descrito una reducción de
los niveles plasmáticos de vitamina E, vitami na A y carotenos en pacientes con EA (41), aunque otros autores no ha n encontrado diferencias s ignificativas en los
niveles cerebrales ele vitamina E en relación a los control es e42).
Por otro lado, en d iversos trabajos se describe un incremento de la actividad superóxido dismutasa (SOD)
en cere bros (43,41) y fibroblastos (45) de pacientes
con EA. Aunq ue la acción de la SOD es fundamentalmente proteger al cerebro del radical superóxiclo (convierte el radical superóxiclo e n TI 20 2 y agua), su acción
pro tectora depende en gran medida de la adecuada actividad de o tros enzimas como catalasa 6 glu tation peroxidasa, qu e convierten el H 20 2 generad o por la SOD
en agua. De este modo, si la concentración de SOD está incre mentada po r e nzima de los niveles de catalasa
y GSH, se produciría un incremento de H 2 0 2 y de rad icales O IJ• que a su vez iniciarían la peroxidació n lipídica.
Existe amplia evide ncia de un incremento de los
niveles de SOD Cu/ Zn en hipocampo y cortex tempo ral de cerebros con EA y de su imp licació n e n los
mecanismos que median la muerte neuronal en la EA
( 46). Estudios ele hibridació n in s itu han demostrado
que el RNAm correspondiente a la SOD Cu/Zn está
incrementado en cortex tempo ral e hipocampo de cerebros con EA y parece que este enzima está localizado preferentemente en las n e uronas más vulnerables a la nc urodegeneración (17). Además,
la
d istribució n de l RNAm de SOD Cu/Z n e n el cerebro
guarda una perfecta correlación con la de los dep6sitos de 13-amiloide e48), lo q ue sugiere una participación directa del estrés oxidativo en la muerte neuro na l que ocurre en la EA.
Por ú ltimo, se ha descrito recientemente una disminu ción en la actividad de la citocromo e oxidasa m itocondrial en cerebros de pacientes con EA (49). Aunque
la relación entre esta alteración y la patogénesis de la
EA no es clara, es probable que esta disfunció n mitoconclrial produ zca alteraciones metabólicas severas, incluyendo un incremento en la vulnera bilidad a excitotoxinas, aumento de producció n de rad icales libres y
36
daño oxidativo de las memhranas mitocondriales. Todo ello, unido al h allazgo de mutacio nes mitocond riales p untuales e n a lgunos casos de EA (50), s ugiere que
las alteraciones en el funcionamiento mitoconclrial que
aparecen en el e nvejecimiento normal, p odrían contribuir a la patogénesis ele la EA.
Excitotoxicidad
El aminoácido excitatorio 1-glu tamato, no media solamente la mayor parte de las señales excitadoras e n el
cere bro, sino que también ha .sido identificado como
una potente ne urotoxina. Estudios in vitro e in vivo,
han identificado la exicitotoxiciclacl como un proceso
patol6gico q ue contribuye a la pérd ida neuronal en un
amplio espectro de agresiones neurológicas como isquemia, traumatismos, anoxia e hipoglucemia (51).
El glutamato y el resto de aminoácidos excitatorio.s
ejercen su acción e n e l SNC por la activació n ele receptores específicos de membrana que se dividen en dos
grupos: ¡, •notrópicos (ligados a canales iónico.s) y metabotrópit' • 1 . 1<·oplado a proteínas G). El me jor caracterizado de los tres es el receptor NMDA el cua l es penn eable a Na+, K+ y Ca2+ de un forma voltaje dependiente.
La activación ele receptores NMDA permite la entrada
de iones Ca 2+ y Na+ al interior ele las neuronas, siendo
su estimulación excesiva una de las causas que contribuyen a la sobrecarga neuronal ele Ca 2+ (52).
En cultivos celulares, Cotman y col.s (53) han demostrado que dosis .suhle tales ele glutamato inducen
m ue rte ne uronal masiva si se añade al medio de cu ltivo proteína [3-amiloide 1_,¡ 2. Del mis mo modo, las neuronas corticales .sometidas a una deprivación de glucosa experime nta n una degene ración masiva si se
asocia amiloide [3 1 _~ 2 al medio de cultivo (54).
La toxicidad mediada por glutamato y potenciada
por los péptidos [3, parece re lacionarse con la capacidad de estos últimos e n desestabilliza r los n iveles intracelulares ele Ca2+ , haciendo a las neuronas más vulne rables a la toxicidad mediada p or Ca2+. Esta
hipótesis queda confinnada por resultados en cultivos
celulare.s, e n los que la pote nciación ele la neurotoxicidacl por los péptidos [3 desaparece al eliminar el Ca 2+
del medio de cultivo (55) .
Todos estos hallazgos sugieren q ue e l A[3 desestabiliza la capacidad ele las neuronas para regular adecuadamente los niveles de Ca 2+ haciéndolas más vulnerables a cualquie r agres10n que increme nte la
concentración de Ca2+ intracelula r. Sin embargo, hay
que tene r en cuenta que la relación entre los faclores
que alteran la concentración intracelu la r de calcio y la
ca pacidad de inducir una respuesta neurotóxica no es
sie mpre perfecta. Por ejemplo, estudios in vitro han
demostrado que NMDA, t-ACDP (agonista metabotrópico) y carbacol incrementan por separado los niveles
intracelulares de Ca2+; pe ro cuando .se combinan no
presentan e l hipotético efecto aditivo sobre el dail.o
neu ro nal. Por otro lado, el pretratamiento con t-ACDP
ó carbacol protege a las neuronas del dar'io producido
por NMDA (56).
Estos resultados no solamente muestra n la complejidad ele los mecan ismos que regulan la concentración
intracelular de calcio, sino que .señalan la importa ncia
que desempeñan en la m uerte neuronal ta nto los niveles intracelulares de calcio como la vía metabólica
implicada en el incremento de Jos mismos. Por último,
en base a l efecto protector del carbacol frente a la toxicidad inducida por NMDA, podría hipotetizarse que
la pérdi da del "in put" coliné rgico, como .sucede en la
EA, contribuiría a incrementar la vulnerabiliclacl ele las
neuronas todavía funcionantes al glutamato (57).
A lteración de los mecanismos de
t ra nsducción
Se denomina n mecanismos de transclucción aquellos por los que estímulos extracelu lares generan mensajeros intracelulares que regulan la función y .supervivencia celular. Los me nsajeros intracelulares .son de
gran importancia en e l SNC, ya que están integrados
en dife rentes aspectos de la plasticidad .sináptica, como liberación de neurotransmisores, apertura/cierre ele
ca nales iónico.s, crecimiento neurítico, etc.
Los factores ne urotróficos y la estimu lación ele receptores por neurotransmisores, inicia una cascada ele
eventos produciendo un aumento de segundos mensajeros intracelulares, activación de proteín-kina.sa.s y cambio en el estado de fosforilación de las proteínas. Es
concebible que cualquier alteración en esta cascada intracelu lar pueda alterar la fu nción celular y contribuir a
la mue1te neuronal e incluso desempeñar un papel d ave en el desarrollo ele Jos marcadores histológicos de la
EA como la degeneració n neurofibrilar y el deposito
de amiloide. Por otro lado, la al te ración de Jos mecanismos de transclucción explica ría por q ué los tratamie ntos sustitutivos con fármacos que intenta n restablecer la función coliné rgica perdida no han sido
eficaces en la EA.
Neurotranstnisores y receptot·es
El hallazgo más constante e n los cerebros de pacientes con EA es la dismin ución de la actividad colinREVISTA DEMEDICINA DE LA UNIVERSIDAD DE NAVARRA ENERO-MARZO 1997 '!1
acetil-transferasa (> 95%) e n reg iones corticales y
subcorticales, consecuencia ele la degeneración de
núcleos colinérgicos tro ncoencefá licos como el basal
de IVIeynert (58). Sin embargo, otros neurotransmisores como norad renalina, serotonina , GABA, glutamato y neuro p éptidos con sus corresp o ndientes receptores (5-HT 1, 5-HT2 , GAI3A, a 1, a 2 y ¡32 adrenérgicos)
ta mbién están red ucidos en el corLex ele pacientes
con EA (59,60).
Quizás el sistema de neurotransmisión más ampliamente estud iado en los últ imos años es el sistema gluta matérgico. El glu tamato es un neurotransmisor localizado en las n euronas p iramidales y media la
neurotransmisión intracortical y corticofugal. El hecho
de qu e la pérd ida ele neuronas pira midales sea un hallazgo prominente en la EA, ha sugerido la posibilidad
ele que la alteración de la tra ns misión glutamatérgica
pueda contribuir a la progresión de la enfermedad
(61). Sin embargo, aunque existen tra bajos que demuestra n una hiperfunciún glutamatérgica en la EA, la
mayoría ele los estud ios han encontrado que a l igual
q ue sucede con el resto de neurotransmisores, el sistema ele ne urotransmisión glutamatérgico es hip oactivo en la EA (62). Por ello, no puede esta blecerse q ue
el déficit especifico ele un ne urotransmisor ó ele sus recepto res asociados sea respo nsable de la extensa pérdida neuronal qu e existe en la EA.
Pt·oteínas G
La interacción de ligandos con sus receptores transmembrana para genera r respuestas intracelulares, puede realizarse a través ele unión a proteínas G ó mecliante la asociación de los mismos a canales ió nicos.
Los recepto res GABA y glutamatérgicos son ejemplos
ele receptores ligados a canales iónicos, regu lando ele
esta manera el flu jo de iones Ca2+ y Cl- a través de la
membrana celular. Por el contrario, los receptores colinérgicos, dopaminérgicos, noradrenérgicos, seroronérgicos e histam.inérgicos son recepto res acoplados a
pro teínas G y generan segundos mensajeros los cuales
a su vez modulan la actividad de proteín-kinasas y la
concentración de Ca2+ intracelular (63). Por tanto, las
proteínas G constituyen el p ri mer lazo ele un ión e ntre
la activació n ele una gran variedad de receptores y la
modulación ele los sistemas efectores intracelulares.
Las proteínas G están constituidas por tres subunidacles diferentes a, !3 y -y, siendo la subuniclacl a la que
da la esp ecificidad. En cerebros de pacientes con EA
los niveles de las subunidad a (Ga) en cortex fro ntal,
hipocampo y cerebelo no muestran modificaciones
38 REVISTADEMEDICINA DELA UNIVERSIDAD DENAVARRA ENERO.MARZO 1997
significativas en relación a sujetos de edad si milar (64).
Sin embargo, aunque los niveles ele Ga no presentan
alteraciones e n la EA, la integridad fu ncional ele las
m ismas no está garantizada.
Estud ios m ás recientes han demostrado q ue el acoplamiento de los recep to res muscarínicos y D 1 a proteínas G está interrump ido e n cortex fron tal ele cerebros con EA (65 ,66), lo q ue explicaría la reducción ele
la actividad de la ade nila to ciclasa (med iada por estimulación de proteínas G) o bservada en d ive rsas regiones ele cerebros con EA (67). Posteriormente , técnicas h istoquím icas d e hibridaciém in situ han
demostrado u n aumento significativo de l RNAm corresp ondiente a la sub uniclad a ele Gs en células piramida les ele cortcx temporal e hipocampo ele cereun
bros con EA . Este ha ll azgo, rep resenta ría
mecanismo comp ensatorio al déficit func ional de la
estimulación de aclenilato ciclasa mediada por proteína G, y podría .interpretarse como un acopla miento
receptor-proteína G a normal. Sin embargo, no se conoce si la alteración e n este proceso ele acoplamiento es especifico ele la EA ó consecuencia ele la patología subyacente a la EA ya q ue esta alteración podría
in terpretarse como una reacción a la cleafere ntización
ne uro nal. Por o tro lado , estos cambios en proteínas G
parecen ser recepto r-específico ya que el acoplamiento a proteínas G de los recepto res corticales a 2
acl renérgicos y 5HT 1A no está alterado en cerebros de
pacientes con EA (69,70).
Aunque los niveles ele proteínas G no muestran alteraciones sign ificativas en los cerebros con EA, su capacidad funciona l parece estar alterada. La integridad
del citocsquelcto y de la membrana celular es indispensable para que exista un normal funcio namiento
en el acoplamie nto a p ro teínas G. Por otra parte, las
proteínas G modula n d irectamente la estructu ra del citoesqueleto e inte raccionan con los complejos proteicos ele la membrana q ue contienen colágeno y actina
(71). Dos ele las proteínas G, Gs y Gi, pueden interaccionar con tubulina para intercambiar GTP, proceso
que a su vez puede influ ir en la actividad de la proteínas G (72) . La tubulina es e l principal constituyente
de los microtúbu los, por tanto es concebible que cambios en la estructu ra del citoesq ueleto, como las descritas en la EA, puedan .inducir modificaciones en la interacción con proteínas G. Además en la EA se ha
descrito una unión aberrante ele tubulina-GPT (73) y
una alteració n en la composición y fluidez ele la membrana (74) que interferiría n con la transd ucción normal
ele set'iales extracelulares vía proteínas G.
38
Segundos mensajeros
Vía del AMPc
En el cortex fronta l de cerebros con EA se ha descrito una reducción significativa en la actividad de la
adenilato ciclasa acoplada a proteína Gs (75). Esta disminución no pa rece deberse a la pérdida neuronal a
nivel frontal, ya que la activ idad de la adenilato ciclasa está preservada en otras estructuras como el hipocampo y cortex temporal donde la disminución del número ele neu ronas es considerable. Parece por tanto,
que e n la EA existe una al teración en los mecanismos
de interacción proteína G-adenilato ciclasa ó bien cambios conformacionales en el acoplamiento de Gs a
adenilato ciclasa en una región específica cerebral. Esta última posibilidad resulta interesante ya que e l acoplamiento normal a proteínas G podría ser dependiente
de la integridad del complejo membrana-citoesquelcto e l
cual e~tá alte rado en la EA (76).
Alteración de la vía de los fosfatidilinositoles
El calcio desempeña un papel primordial en las acciones mediadas por diversos ne urotransmisores y hormonas. Los incrementos de la concentración ele calcio
intracelular dentro ele un rango permisivo, son necesarias para el crecimiento y plasticidad neuronal. Sin embargo, cuando se produce un aumento mantenido ele
la concentración libre de calcio pueden producirse alteraciones del citocsc¡ue le to, degeneración neurítica y
e n último termino la muerte neuronal (77).
Se ha s ugerido que modificaciones en la hidrólisis
ele fosfoinosítidos (PI) puede producir una alteración
en los mecanismos ele regulación de ea2+ intracelular
y contribuir a la neuroclegeneración en la EA. La hidrólisis de fosfoinosíticlos está regulada por la actividad de una fam ilia de enzimas conocida como fosfolipasa fosfoinosíticlo e (PLe). De este modo, la
estimulación del receptor por un agonista induce la activación de una fosfolipasa e específica que hiclroliza
el fosfaticlil inosito l 4,5 bifosfato [Pdlns(4,5)P 2] a inositol 1,4,5 trifosfato [(Ins (1,1,5)P31 y cliacilglicerol
(DAG). El DAG formado permanece en la membrana
donde puede activar isoenzimas ele proteín-kinasa e,
las cuales comprenden una va riedad ele fosfolípido-kinasas dependiemes ele calcio que regulan numerosas
funciones celulares y desempeñan un papel cru cial en
la plasticidad y muerte neuronal. A su vez, Ins(4,5) P3
estimula la liberación de calcio del retículo encloplasmático al estimu lar un receptor ele canal iónico (78).
La importancia de la vía ele fosfatidil inositoles e n la
39
regu laciún de la concentracton ele calcio intracelular
apoya la hipótesis ele que cualquier alteración en el
acoplamiento de la transmisiún colinérgica a este sistema de transclucción, puede ser responsable ele los
cambios degenerativos que aparecen en la EA. El hecho ele que los fibroblastos de pacientes con EA muestren concentraciones de calcio anorma lmente bajas
(79), sugiere una alteración, probablemente genética,
del manejo de calcio intracel ular. Sin embargo, no explicaría por qué las alteraciones morfolúgicas se centran casi ele forma exclusiva en e l SNC.
e rews y cols (80) han postulado que la neuroclegeneración que existe en la EA puede seguir la siguiente
secuencia de eventos. En primer lugar la alteración,
probablemente de origen genético, en el ma nejo ele
calcio intracelular induciría la formación ele 13-amiloicle
el cual a su vez inhibiría la hidrólisis ele PI ligada a la
estimu lación colinérgica. La fa lta ele hidrólisis ele PI
produciría un incremento ele aferencias excita torias en
las neuronas colinérgicas del tronco del encéfalo que
conllevaría una pérdida progresiva de las mismas. Por
tanto, la continua exposición de las neuronas colinérgicas a aferentes excitatorias, en ausencia de un feedbac/z negativo, daría lugar a una lenta y progresiva pérdida de señales ele tra nsducción colinérgicas en cortex
e hipocampo. Al cabo ele varias décadas, el aumento
del número de placas ele amiloide en el cerebro, comp rometería de for ma importante la neurotransmisión
colinérgica e incrementaría las aferencias excitatorias
hacia neuronas colinérgicas centrales. La consecuencia
final sería una disminución adicional del contenido ele
acetilcolina cerebral. Es conocido que la acetilcolina
e je rce una acción muy importante sobre la viabilidad
de todo el cortcx cerebral y fundamentalmente del hipocampo, como lo demuestran estudios realizados en
animales en los que lesiones del núcleo basal ele Meynert inducen una degeneración lenta y progresiva de
neuronas corticales (81). Por tanto, el hallazgo de que
13-amiloide altera la hidrólisis ele fosfoinosítidos inducida por estimulación colinérgica, es consistente con la
idea de que la acumulación progresiva ele 13-amiloicle
induce una pérdida progresiva de cstimu lación colinérgica. Esta, a su vez, produce una d isminución de
neuronas colinérgicas y posteriormente de otros tipos
celulares en cortex e hipocampo.
Los cerebros ele pacientes con EA muestran una pérdida neuronal gene ralizada que se acompaña además
de un hipometabolismo celular, el cual es dependiente en gra n medida de la actividad sináptica neuronal.
Además, la estimulación muscarínica y la actividad de
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fosfaticlil inositolcs ejercen una acCion importante sobre la actividad metabólica cortical. Por tanto, una susceptibilidad inicial ele las células al calcio y la alteración ele la cascada ele fosfatidil inositoles inducida por
e l [3-amiloicle, podría inducir una pérdida inicial ele
neuronas colinérgicas centrales, que a su vez provocaría posteriormente un dai'lo neuronal adicional debido a la disfunció n cada vez más importante ele la cascada ele inosito les inducida por el déficit ele
acetilcolina. Así mismo, existiría una disminución de
activación ele rece ptores muscarínicos y en consecuencia la pérdida ele actividad trófica derivada ele la
activació n ele la cascada de inositoles.
Terceros mensaj eros: proteín k inasas
La proteín kinasa e (PKe) se enc uentra ampliamente distribuida en el cerebro y modula diferentes aspectos de la plasticidad sináptica como los mecanismos de
neurotransmis ión , crecimiento y diferenciación celular,
memoria y aprendiza je, y es indudablemente la kinasa
más extensamente estudiada en la EA (83,84).
El hallazgo más constante en ce rebros con EA es la
disminución de los nive les de PKC a expensas fundamentalmente de la fracción particulate. Además la fosforilación de la proteína P86, principal sustrato ele
PKe, está específicamente reducida en homogeneizados de cerebros con EA, y no se altera en otras enfermedades co mo la clemencia tipo Pide o la clemencia
multinfarto (85).
Existen 4 isofo rmas diferentes de protein kinasas e
( a , [31, [3II, y -y) con una compartimentación neuronal
especifica en el sistema ne1vioso central (83,84). De todas ellas, la isoforma [3H es la única que repetidamente se ha encontrado reducida en cerebros con EA, a
expensas ele la fracción particulate. La localización de
las diferentes isoformas de PKe en relación a las placas es diferente. Por ejemplo, anticuerpos anti-PKe (a)
tiñen enteramente las placas y las células gliales que la
rodean, anti-[31 ti.i'l.cn las neuritas distróficas de la placa y los anticuerpos anti-[3II tiñen el centro de la placa que se corresponde perfectamente con el depósito
de amiloide (86). Por otro lado, el estudio de la colocalización de las diferentes isoformas ele PKe con las
placas difusas, las cuales se consideran un marcador
inicial ele la patología ele la EA, ha demostrado que éstas presentan una inmunorreaclividacl positiva anti-[311
lo que sugiere una afectación precoz de PKC ([3IJ) en
la EA (87). Estos resultados son apoyados por los hallazgos de que en pacientes con placas difusas pero
clínicamente no demenciaclos, los niveles de PKe([3II)
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y la fosforilación in vin-o ele sustratos endógenos (1'8G)
están recluciclos (RR) . Sin embargo, hay qu e tener en
cuenta que existe n otras isoformas ele PKC no dependientes ele calcio (89), con una concentración en hipocampo más elevada que las calcio-dependientes, que no
han sido estudiadas en la EA y que podrían tener un papel importante en los mecanismos moleculares relacionados con el proceso neurodegerativo subyacente .
O tras porteín kinasas como caseín kinasa II (eK.ll)
también están alteradas en la EA. Los niveles de CKTT
están reducidos en el ce rebros de EA. Así mismo, su
distribuci(m inmunohistológi ca tambié n está alterada
con un a disminución ele inmunorre activiclacl anti-CKII
en neuronas que no presentan clegeneraci(m neurofibrilar y un incremento s ignificativo en los ovillos neurofibrilares (90, 91) .
Posiblemente las tirosin kinasas son las kinasas más
importantes en la regulación del crecimiento y supervivencia celular. Estas son componentes intrínsecos ele
los receptores de polipéptidos y factores de crecimiento y están significativamente reducidas en cerebros con EA (92,93).
Cuartos mensaj e ros: fosforilación protéica
La fosforilación protéica es el último producto de la
activación de proteín-kinasas producida por la unión
de neurotransmisores y factores neurotróficos a sus
respectivos receptores. En el caso ele cerebros con EA
se han descrito alteraciones muy severas en la fosforilación de proteínas como tau, proteú1as asociadas a microtúbulos, neurofilamentos, proteína P60 y P86 (94).
La fosfoproteína asociada al crecimiento, GAP43 , es
sustrato ele PKe y eK.II. Aunque su función exacta en
el control ele la supervivencia celular no es bien conocicla, los niveles de esta proteína incrementan durante
la axogenesis y en la regeneración post-traumatismo,
lo que sugiere un papel funcional ele esta proteína en
el crecimiento y desarrollo celular (95). Por otro lado,
es conocido que los cambios en el estado de fosforilación de GAP43 son parte importante en los mecanismos moleculares que median la potenciación a largo
plazo, modelo celular ele memoria y aprendizaje (9G).
En la corteza de cerebros con EA , los niveles de
GAP43, medidos mediante técnicas immunohistoquímicas, están reducidos e n el neocort.ex e incrementados en hipocampo y placas neuríticas donde existe reine,vación. Este incremento local ele GAP43 puede ser
responsable de la inervación aberrante descrita en cerebros con EA (97,9R). La alteraciún en el estado de
fosforilación de GAP43 puede comprometer también la
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función ele segundos mensajeros, ya que esta proteína
regula la actividad de proteínas G y se une a la calmodulina e n la terminal s ináptica . En este sentido, res ulta interesante el hecho ele que la isoforma PKC que
fosforila GAP43 es la PKC I3I/f3ll, que a su vez es la
isoforma más afectada en la EA.
El incremento e n la fosforilación ele proteínas puede ser consecuencia ele un incremento en la actividad
ele proteín kinasas, disminución de la actividad ele fosfoproteín fosfatasa, alteración en la estructura protéica
ó modificaciones e n la compartime ntación ele estos enzimas. Todavía n o se ha podido de mostrar que la actividad de la fosfoproteín fosfatasa sea responsable de la
hi perfosforilación de difere ntes proteínas en e l cerebro
ele pacientes con EA (99).
En resumen , podríamos concluir que existe amplia
evidencia de la afectación ele diferentes moléculas ele
los sistemas ele transclucción en el cerebro ele pacientes con EA y muchas ele ellas muestran además una actividad excesiva . Parece, po r tanto, poco probable que
la muerte neuronal e n la EA sea el resultado de un deterioro gene ral en la actividad celular. Datos experime ntales recientes sugieren que la hiperactividacl ele
diferentes componentes de los sistemas ele transducción son responsables ele distintos tipos ele muerte celular como a poptosis o excitotoxicidacl (lOO). En el caso de la EA se ha postulado que la hiperfunción de los
sistemas ele transducciún podrían estar desencadenados por la proteína precursora del amiloide (APP) o de
sus fragmentos, ele tal forma que la hiperactiviclad celular en la EA sería consecuencia de la presencia ele
una APP aberrante.
Apoptosis
Durante la última década, nume rosos trabajos han
demostrado que las células puede n morir por dos meca nismos dife rentes : necrosis y apoptosis. La necrosis
es responsable ele la muerte celular que aparece tras
una agresión aguda, como trauma, isquemia , cte. Por
e l contrario, la apoptosis aparece e n relación a una alteración metabólica interna que pone en marcha un
programa celular de autoclestrucción. Aunque en el sistema ne rvioso central, la apoptosis se ha re lacionado
clásicamente con los cambios que aparecen durante el
desarrollo, existe evidencia reciente ele que la apoptosis puede jugar un papel muy importante en enfermedades ckgenerativas del sistema nervioso central como
la EA (101,102).
La apoptosis constitu ye un sistema ele autorregulació n del número de neuronas y de su supervivencia.
41
En la actualidad se acepta que las células conservan su
ca pacidad de autoclestrucciún a lo largo de toda su vida , existiendo d iferentes factores que pueden activarla
o suprimirla (103). Las células que entran en apoptosis
muestran de forma característica un abombamie nto de
la membra na celular acompai'lado ele una condensación del núcleo y el citoplasma y agregación ele la cromatina a la membrana nuclear forma ndo masas granulares de nsas Por acción de enclonucleasas la cromatina
se fragmenta en oligonucleóticlos ele una dete rminada
longitud. Esto contrasta con e l proceso descrito en la
necrosis, en la cual existe un edema ele las mitocond rias, seguido de destru cción de membrana nucle ar y
citoplasmática y lisis de lisosomas y rihosomas, con la
consiguiente liberación ele detritus celulares y reacció n
inflamatoria local. De esta forma, las células que experimentan una muerte celular apoprótica, conse1van
la integridad de la membrana hasta el último estadía
de degeneración . Posteriormente estas células son fagocitadas in vivo por las células veci nas y lisaclas espontáneame nte in vitro. Por C.ltimo, hay que tener en
cuenta que la mue rte ce lular apoptótica no ocurre al
aza r, sino que afecta ele forma preferente a células viejas, preneoplásicas o parcialmente lesionadas (101).
Aunque la apoptosis ocurre e n diferentes sitemas, la
mayoría de los estudios se han rea lizado en timocilos
y han permitido caracterizar la secuencia de mecanismos moleculares que condu cen en último té rmino a la
muerte celular. En cultivos ele timocitos, los corticoesteroieles induce n apoptosis en un p eriodo ele varias
horas (104). Este proceso es calcio-cle pendientc y es
inhibido al bloquear la síntesis protcíca o de RNA, lo
que sugiere una participación activa por parte ele la célula en el proceso ele apoptosis. El au mento de calcio
intracelular activa una enelonucleasa dependiente de
calcio que rompe el DNA en fragmentos peq ueños ereanclo un efecto en escalera en la e lectroforesis en gel
de agarosa. Sin e mbargo, un aumento incontrolado de
calcio intracelular da luga r a una muerte celular por
necrosis, lo que sugiere que al igual que sucede en los
fenómenos ele excitotoxicidael, la cinética y compa rtimentación del calcio intracelular son factores críticos
en determinar la respuesta celular y únicamente el incremento de calcio por activación ele vías específicas
es capaz de inducir apoptosis (101).
La hipótesis ele que la apoptosis puede contribui r a
la ne urodegeneración en la EA resulta atractiva por un
núme ro ele razones. En primer lugar, la apoptosis es
compatible con la pérdida ne uronal progresiva de ne uronas aisladas que ocurre en la EA, en oposición a la
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pé rdida de grupos neuronales observadas tras diferentes agresiones al sistema nervioso central. Del mismo
modo, la capacidad ele determinadas toxinas de inducir
apoptosis en una gran variedad de células, sugiere un
papel imrortante de las mismas en la patogénesis ele la
EA. Tal es el caso del ~-amiloide y del aluminio, los cauJes inducen cambios bioquímicos y morfológicos compatibles con apoptosis en cultivos celulares (105).
Existe evidencia ele que la apoptosis puede contribuir
a la neuroclegeneración en la EA. Por ejemplo, la glicoprotcína 2 (SGP-2), que se expresa en tejidos en apoptosis (lOG), está aumentada en hipocampo ele pacientes
con EA y en la enfermedad de Pick (107,108) y se ha elemostrado que la exposición ele neuronas a ~-amiloid e
induce cambios bioquímicos y morfológicos sugestivos
de apoptosis (105). Recie ntemente, Anderson y cols
(109) han demostrado cambios morfológicos en células
del hipocampo de pacientes con EA, sugestivos de
- - - - -- -
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apoptosis. Estos mismos autores han descrito por técnicas de inmunocitoquímica que las neuronas del co1tex
entorrinal ele cerehros con EA que son marcadas con
TdT (deoxinucleoticlil transferasa, marca específicamente los fragmentos ele DNA) también expresan c~Jun.
La apoptosis inducida por ~ -a milo ide en cultivos celulares se acampana de un expresión selectiva y prolongada de c-jun (1 10), mientras que las neuronas resistentes a ~-ami loicle no lo expresan (1 11). Los
hallazgos de Anderson y cols (109) sugieren, por tanto, que c-Jun particip a e n un progra ma apoptótico de
muerte celular, y en el caso de la EA las ne uronas marcadas con TdT sería n aquellas que han iniciado un
programa apoptótico de muerte celular en el que participa e-Jun. Por último, la capacidad de determinadas
toxinas pa ra producir apoptosis e n una gran variedad
de neuronas, sugiere un papel impo rtante de las mismas en la patogénesis de la EA.
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