HIPOXIA

FISIOLOGIA

E.M: JOSE FELIX RODRIGUEZ RAMIREZ

MEDICO CIRUJANO

DEFINICION

El aporte de O2 se define como el producto del gasto cardiaco por el contenido de O2 arterial. Esto puede explicar que la hipoxia puede deberse de un déficit local o generalizado del flujo sanguíneo

El termino hipoxia se emplea cuando el aporte de O2 a los tejidos es insuficiente. Aunque toda hipoxemia implica hipoxia (hipoxia hipoxemica), no toda hipoxia se debe a hipoxemia.

La hipoxia frecuentemente, aunque no siempre, va de la mano de la hipercapnia, concentración elevada de dióxido de carbono.

Tipos de hipoxia TIPO DEFINICION CAUSAS TIPICAS

Hipoxia hipoxica Baja PO2 arterial Altitud elevada, hipoventilación alveolar, disminución de la capacidad de difusión en el pulmón, relación anormal entre ventilación y perfusión

Hipoxia anémica Disminución del O2 total unido a la hemoglobina

Pérdida de sangre; anemia (baja Hb o alteración en la unión HbO2); intoxicación por monóxido de carbono

Hipoxia isquémica Reducción del flujo sanguíneo Insuficiencia cardiaca (hipoxia en todo el organismo); shock(hipoxia periférica); trombosis (hipoxia de un solo órgano)

Hipoxia histotoxica Incapacidad de la células de utilizar el O2 debido a la acción de tóxicos

Intoxicación con cianuro u otros tóxicos metabólicos

3 categorías dan como resultado una disminución de oxigeno arterial:Cantidad inadecuada de oxígeno a los alveolos Problemas en el intercambio de oxigeno entre los alveolos y los capilares pulmonares Transporte inadecuado de oxígeno a la sangre

La hipoxia es la causa mas frecuente de muerte en humanos, quienes no se pueden recuperar completamente si se les priva de oxigeno por 5 a 8 minutos.

Al pasar una situación de carencia de oxígeno, y con el fin de mantener el estado energético celular, aquellos organismos (o tejidos de un organismo) que no están adaptados a situaciones de hipoxia recurren a la estimulación de la glucolisis anaeróbica para producir suficiente ATP. FENOMENO PASTEUR (rápido consumo de las reservas de carbohidratos y acumulación de productos finales acidicos)

Algunos organismos adaptados a situaciones de hipoxia/anoxia transitorias, como el mejillón, se ralentiza su metabolismo en ausencia de oxigeno; se trata de un mecanismo de ahorro energético conocido como depresión metabólica (diversificación de reservas y rutas fermentativas alternas al acido láctico)

El mecanismo para controlar el crecimiento de los vasos sanguíneos de acuerdo a las necesidades de oxígeno para el tejido. La falta de oxígeno provoca la secreción de VEGF (el cual estimula angiogenesis)

Hipoxia en musculo liso vascular

• VASOS PULMONARES: contracción para expulsar sangre fuera de regiones con poca ventilación. Inhibe canales de K+ (evita salida), ocasionando despolarización y activa los canales de calcio dependiente de voltaje favoreciendo la contracción. Los intermedios reactivos de oxigeno pueden activar los canales de K+ (normoxia).

• EN VASOS PERIFÉRICOS: por bajo nivel de oxigeno ocasiona vasodilatación en los tejidos que lo necesitan (cerebral y coronario), ocasionando apertura de canales de K+ dependiente de ATP por bajos niveles de ATP en la hipoxia.

Cuerpo carotideo y neuroepiteliales

Cuerpo carotideo: (censor de O2), alta vascularidad (en bifurcación arteria carotidea), los sensores mas comunes son las tipo I (glomus) que presentan alto nivel de catecolaminas y acetilcolina.

Cuerpo neuroepiteliales: (bifurcación en vías respiratorias) envían información al centro respiratorio por liberación se serotonina.

En hipoxia inhibe canales de K+ (no sale) ocasionando despolarización y aumento de calcio citosólico lo cual liberara n-t y activación de fibras aferentes.

El sensor del GLOMUS y CUERPOS NEUROEPITELIALES se asocian a NADPH oxidasa lo cual genera IRO (intermedios reactivos de oxigeno) (normal) y activa canales de K + (lo libera), pero en hipoxia lo inhibe.

ADAPTACION HIPOXIA

Consiste en 2 procesos:

•Incrementa fuente energética: Incrementa la actividad anaeróbica de glicolisis

•Disminuye consumidores de energía: síntesis proteínas, RNA/DNA y disminuye actividad ATPasa transportadora de iones (Na+/K+ y Ca++)

Incremento de enzimas glucoliticas (regulación alosterica de la fosfofrutokinasa y expresión de HIF-1) para sostener la producción de ATP.

La fosfofructokinasa es activada por ADP y AMP y se inhibe con ATP (control de adenilato), el activador mas potente es la 2,6 bifosfokinasa (PFK2) se regula por fosforiacion por AMP-protein kinasa (AMPK) pero su expresión es mayor al activar HIF-1.

AMPK 2,6 bifosfato kinasa fosfofructokinasa enzimas glucoliticas

▼

Estimula: GLUT 4, hexokinasa y cadena respiratoria. Inhibe: síntesis de ácidos grasos

▼

Captación de glucosa

El principal factor transcripcional encargado de mediar las respuestas a la hipoxia es el Factor Inducible por Hipoxia: HIF-1, regulan la síntesis de una amplia serie de proteínas, que abarcan desde enzimas respiratorias y transportadores hasta hormonas involucradas en la regulación a escala del organismo de la circulación y la eritropoyesis.

Genes activados por HIF-1:•Tirosin hidroxilasas: síntesis de dopamina en células tipo I de cuerpo carotideo•Enzimas glucoliticas: piruvato kinasa, fosfofructokinasa, transportadores de glucosa GLUT 1 y 4•VEGF, PDGF: inducción de angiogénesis•NOS: incrementa vasodilatación•Eritropoyetina y receptores de transferrina

HIF-1ª sólo es detectable en hipoxia debido a que en estas de normoxia y reoxigenación HIF-1ª es modificado en sus estructura por enzimas sensoras de O2, luego ubiquitinizado y finalmente degradado en el proteosoma.

En situación de hipoxia, HIF-1ª se acumula en núcleo después de 2 minutos de hipoxia o anoxia:

•Condiciones de redox adecuada

•Estabilización de HIF-1ª por inhibición de hidroxilasas

•Disociación de chaperona HSH90 (union a proteínas de estres)

•Fosforilación de HIF-1ª

•Unión de HIF-1ª con HIF-1b en el nucleo

•Asociacion con cofactores CBP/p300

O2 union a propil hidroxilasas

estabilización (hidroxilacion)

ubiquitinizacion degradación proteosomal

El HIF-1ª no hidroxilado

fosforilado (mediado por MAPK (mitogen-activated protein kinase) y AKT kinasa

(Protein Kinase B))

translocación al núcleo y dimerización con HIF-1b

unión al cofactor CBP/p300 (acetil transferasa, acetilación de histonas para

transcripción de locus genómico)

unión a HBS (sitios de unión HIF) presente en elementos de respuesta

hipoxica (HRE)

FUNCIONES DE HIF-1

• Favorecer la oxigenación tisular

• Angiogénesis

• Remodelamiento vascular

• Eritropoyesis y metabolismo del hierro. Producción de transportadores de O2.

• Metabolismo energético (glicolítico)

• Proliferación celular

• Viabilidad y apoptosis celular

• Citoprotección y amortigua y daño hipóxico

• Adaptación a la hipoxia en los tumores.

• Crecimiento y metástasis tumoral

• Embriogénesis: es esencial para la vasculogénesis, morfogénesis de estructuras cardíacas y neurales (tubo neural).

Inhibición de:•FIH: factor inhibidor del FIH-1 •PH: prolina hidroxilasa

Genes involucrados en la hematopoyesis y metabolismo de Fe++

En hipoxia estimula los siguientes genes:

•Eritropoyetina (EPO): eritropoyesis

•Trasnferrina: transporte de Hierro

•Receptor de transferrina: absorción de hierro

•Ceruloplasmina para cambiar de ferroso a férrico

Genes involucrados en biología vascular

• Factor de crecimiento del endotelio vascular (VEGF): angiogénesis

• NOS: producción de óxido nítrico

• Endotelina-1: regulador del tono vascular

HIF-1: modula la angiogénesis, tono vascular y remodelación vascular.

HIPOXIA EN HUESO

La histogénesis inicial, la osificación endocondral se caracteriza por una gradiente baja de oxígeno, esto favorece la hipertrofia del condrocito previa a la aparición de trabéculas de reemplazo

En caso de lesión la tensión de oxigeno tisular disminuye, los mecanismos de formación aumenta. La hipoxia induce la aparición de moléculas que median los mecanismos de formación aumentan, dado a que requiera una recuperación eficaz.

La remodelación permite ajustar el tamaño de los huesos de acuerdo al esfuerzo al que es sometido.

En el adulto a partir de los 35 a 40 años la formación ósea disminuye y predomina la resorción, lo que ocasiona una pérdida gradual de masa ósea

La presión parcial de oxigeno del aire inspirado decrece después de entrar por los pulmones, los tejidos viven con una presión de oxigeno aprox de 2-9% (normoxia) (14-65 mmHg), siendo normal de la PO2 en medula osea entre 2-6% (14-45.6 mmHg) y en reparación osea es de 0.7% (5.3 mmHg)

La osificación endocondral, consiste en la condensación mesenquimal de células indiferenciadas, seguida de proliferación de condrocitos, diferenciación de condrocitos hipertróficos y mineralizados.

Los condrocitos maduros expresan factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) y metaloproteinasas de matriz (MMPs). El VEGF induce la invasión de vasos sanguíneos en el cartílago y las MMPs ayudan en la degradación de la matriz cartilaginosa.

Aplicaciones del oxígeno:

•Proliferación celular

•Biotransformacion

•Morfogénesis

•Determina el metabolismo aerobico

•Activación enzimas: hidrolasas, oxigenasas y ciclooxigenasas

•Su reducción interfiere con la síntesis de colágena (hidroxilacion de lisina y prolina)

•Señalizador molecular (factor inducible por hipoxia)

Respuesta a la hipoxia

•De detección o sensor de oxigeno

•De regulación, controlando la expresión de genes

•Efector multiple, estimulación moleculas vasodilatadoras en la afinidad hemoglobina-oxigeno.

Hipoxia transitoria en: ejercicio, apnea del sueño, sepsis, traumatismo, por la altura o tejidos menos oxigenados (cancer)

Compensación: respiración, hemodinamia, metabolismo intermedio y renal

Beneficio de la hipoxia sobre el metabolismo óseo

La hipoxia es el estimulador del acoplamiento angiogénesis-osteogenesis.

Si la angiogénesis se inhibe el resultado será la persistencia del tejido óseo en su etapa fibrosa en lugar de seguir en la mineralización

En la osificación endocondral las células mesenquimales adyacentes a la zona de cartílago hipertrófico viven en ambiente hipoxico, por lo cual expresan altos valores de VEGF.

En zonas de lesión de hueso se produce una interrupción vascular que crea un gradiente hipoxico en donde la tensión de oxigeno del centro de la herida es más baja, lo que lleva a estimular la expresión de moléculas.

Mediadores de la angiogénesis y osteogenesis: factor de crecimiento de fibroblastos (FGF), factor de crecimiento transformante (TGF), factor de crecimiento simular a la insulina (IGF), factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF) y factor de crecimiento vascular del endotelio. Otros reguladores: hormona paratiroidea y del crecimiento

MEDIADORES DE LA ANGIOGENESIS Y OSTEOGENESIS

VEGF Activa angiogénesis y modula mineralización. Regula el reclutamiento, supervivencia y actividad de células endoteliales, osteoblastos y osteoclastos. Aumenta la proliferación y diferenciación osteoblastica.

FGF Regula proliferación, migración y diferenciación de células osteoblasticas.

TGF TGFβ y BMP-2 – BMP-7. Estimulan la proliferación y diferenciación de células osteoprogenitoras y mesenquimales, promueven la anguiogenesis. El BMP 2 y 7 tienen acción directa osteogenica, el BMP 7 mejora sinérgicamente la angiogénesis del FGF-2 y TGFβ

Eje hipoxia-angiogenesis osteogenesis: Rol central del factor inducible por hipoxia (HIF)

Complejo proteico heterodimero conformado por: subunidad HIF-1β (nuclear) y subunidad HIF-α (citosolica) divide en HIF-1α, HIF-2α, HIF-3α

El HIF-α es sensible al oxígeno, siendo degradada constantemente.

En estado normal la HIF-α sufre hidroxilacion por la PHD-2 y por la FIT-1, luego la proteína de von Hippel-Lindau (pVHL) lo marca para su degradación por el proteosoma

La PHD-2 y la FIT-1requiere oxígeno para su función. En normoxia la HIF-α es continuamente degradada. Pero en la hipoxia las enzimas se inactivan y no reaccionan sobre la HIF-α y esta se acumula en el citosol.

INVESTIGACIONES

Se ha evaluado células obtenidas del periostio de la calota de ratas Sprague-Dawley. Estas fueron cultivadas y sometidas, un grupo, a hipoxia (5% de O2) y, el otro grupo, a normoxia (20% de O2).

Se estudió la expresión de ARNm y de la síntesis proteica de HIF y de VEGF, entre otras moléculas. Se hizo controles al 1º, 2º, 3º y 4º días para evaluar la expresión de ARMm, siendo en los cuatro controles mayores la presencia de HIF y VEGF en hipoxia comparado con normoxia. Sobre el 4º día se determinó la síntesis proteica e igualmente esta fue mayor en hipoxia comparado con normoxia

HIF1

VEGF

Runx2

ALP

BSP

OCN

Periostin

Al estudiar los efectos de la hipoxia (simulando oxígeno ambiental a 3 850 msnm) en un grupo de personas en actividad física (bicicleta estacionaria) comparada con un grupo a nivel del mar, se halló incremento en los niveles de HIF-1 y de VEGF en el grupo de personas que realizaron el ejercicio en el ambiente simulado a 3 850 msnm

Se ha investigado la expresión de HIF-1α y de VEGF en células madres mesenquimales de ratones. Las células fueron incubadas en una cámara bajo hipoxia (2% y al 5% de O2) y otro grupo celular bajo normoxia (21% de O2), durante 6 a 24 horas. Se encontró que los niveles de la HIF-1α y de VEGF estaban aumentados en los cultivos a 5% de O2, pero se inhibieron a 2% de O2, al igual que en normoxia

En otro estudio, se comparó las células madre mesenquimales obtenidas de médula ósea (MSCs) de la cresta iliaca por medio de una biopsia por aspiración de donantes sanos de 19 a 32 años de edad.

Se dividió las células en tres grupos: uno expuesto a normoxia y dos expuestos a hipoxia (2% de O2), en uno de cuales las células fueron manipuladas genéticamente para que sobreexpresen HIF (grupo HIF-MSCs).

Se encontró que los niveles de expresión de VEGF y de c-Met (un gen que codifica un receptor para el factor de crecimiento de hepatocitos; dicho factor interviene en las etapas iniciales de la angiogénesis en varios tejidos) fueron mayores en el grupo HIF-MSCs sobre el grupo expuesto a hipoxia pero no manipulado genéticamente; a su vez, este grupo expresó mayor VEGF y c-Met que el expuesto a normoxia