Mecanismos de Muerte Neuronal Asociados a La Hipoglicemia

83

Ma. Luisa Haces del Blanco, et al.Arch Neurocien (Mex)

Vol 10, No. 2: 83-91, 2005

Mecanismos de muerte neuronal asociados a lahipoglucemia

Ma. Luisa Haces del Blanco, Lourdes Massieu-Trigo*

Arch Neurocien (Mex)Vol. 10 No. 2: 83-91, 2005

INNN, 2005

Recibido: 1 octubre 2004. Aceptado: 22 octubre 2004.

*Departamento de Neurociencias, Instituto de Fisiologa Celular,Universidad Nacional Autnoma de Mxico, Mxico D.F., Mxico.Correspondencia: Ma. Luisa Haces del Blanco. Departamento deNeurociencias. Instituto de Fisiologa Celular. Universidad NacionalAutnoma de Mxico. Apartado Postal 70-253, 04510, MxicoD.F., Mxico. E-mail. [email protected]

RESUMEN

La concentracin fisiolgica de la glucosa sanguneaen los humanos (80-90 mg/dl) se mantiene en este ran-go a travs de mecanismos sistmicos altamenteregulados. Cuando estos mecanismos no operan ade-cuadamente, la glucosa sangunea disminuye dandolugar a un estado de hipoglucemia. La disminucin deglucosa por debajo de los 20 mg/dl induce un estadode coma hipoglucmico caracterizado por el ceseo aplanamiento de la actividad cerebral elctrica. Dichoestado puede revertirse a travs de la administracinintravenosa de glucosa. Como consecuencia de un epi-sodio hipoglucmico ocurre dao neuronal debido aque el cerebro es altamente dependiente del aportesanguneo de glucosa; la cual es la fuente de energaprincipal necesaria para su correcto funcionamiento.Una gran variedad de funciones celulares se alteran encondiciones de deficiencia energtica; como tales: elmantenimiento de los gradientes inicos, la liberaciny recaptura de neurotransmisores, la regulacin de laconcentracin intracelular de calcio y la funcinmitocondrial. Muchas evidencias sealan la articipa-cin del glutamato como excitotoxina en la muerteneuronal hipoglucmica y recientemente; se ha pro-puesto que el estrs oxidativo juega un papel importanteen este proceso. En esta revisin analizamos losfactores que contribuyen al desarrollo de dao cerebralen hipoglucemia.

Palabras clave: hipoglucemia, dao neuronal, estrsoxidativo, excitotoxicidad.

MECHANISMS INVOLVED IN NEURONALDAMAGE ASSOCIATED TO HYPOGLYCEMIA

ABSTRACT

In physiological conditions blood glucose concen-tration (80-90 mg/dl) is maintained through highlyregulated systemic mechanisms. Disruption of, thesemechanisms leads to hypoglycemia, whose decreasesto levels lower to 20 mg/dl blocks the electrical activityof the brain. This condition is known as hypogly-cemic coma and can be overcome by intravenousadministration of glucose. Subsequently to the hypogly-cemic episode, it occurs brain damage determined bythe high dependency of brain on glucose blood supply,which is the main energy source necessary for its normalfunctioning. Many neuronal functions are compromisedduring energy failure such as the maintenance of ionicgradients, the release and reuptake of neurotrans-mitters, the intracellular buffering of calcium, andthe mitochondrial function. Excitotoxical glutamateactivity in hypoglycemic neuronal damage is welldocumented, and a role of oxidative stress in thisprocess has recently raised. The contribution of the-se processes to hypolgycemic brain damage is the mainsubject of this review.

Key words: hypoglycemia, brain damage, oxidativestress, excitotoxicity.

a concentracin fisiolgica de glucosa ensangre oscila entre 80-90 mg/dl (normo-glucemia) y se modifica en diversas situa-

Artculo de revisin

L

Artemisamedigraphic en lnea

84

Mecanismos de muerte neuronal asociados a la hipoglucemiaArch Neurocien (Mex)Vol 10, No. 2: 83-91, 2005

pdf elaborado por medigraphic

ciones. La ingesta de alimentos induce un aumento enlos niveles de glucosa alrededor de 200 mg/dl(hiperglucemia), mientras que en el ayuno prolongadosu nivel disminuye hasta 60-40 mg/dl (hipoglucemiamoderada). Si el nivel de glucosa disminuye an ms(menor 20 mg/dl) se puede presentar una hipoglu-cemia severa que se acompaa del cese de laactividad elctrica del cerebro o de coma hipoglu-cmico. Existen mecanismos compensatoriosencargados de mantener los niveles de glucosa dentrodel rango fisiolgico, uno de ellos es la liberacin deinsulina que ocurre como respuesta a la hiperglucemia.La insulina es una hormona pancretica que provocauna disminucin en la concentracin sangunea deglucosa, ya que aumenta su captura en diversos tiposcelulares, y en especial en el hgado en dondefavorece la sntesis de glucgeno y de cidos grasos,considerndose por eso una hormona anablica. Porsu parte, la hipoglucemia provoca la liberacin dehormona de crecimiento, cortisol y epinefrina. Estaltima, induce la liberacin de glucagon hacia lasangre y la accin conjunta de todas ellas favorecenprincipalmente la liberacin heptica de glucosa(figura 1).

El cerebro depende del aporte continuo deglucosa para su buen funcionamiento, de tal maneraque cuando ste se interrumpe, por ejemplo durantela isquemia o la hipoglucemia, se puede presentardao neuronal. La vulnerabilidad de las distintasregiones cerebrales a la muerte en estas dos situa-ciones es la misma, siendo ms sensibles la corteza,el hipocampo y el cuerpo estriado, pero la distribu-cin del dao es diferente1. Por ejemplo, en elhipocampo en condiciones de hipoglucemia selesionan zonas mediales de la regin CA1 y elsubculo, mientras que ste es resistente a la isquemia.

La hipoglucemia es un estado generalmentetransitorio, aunque puede presentarse en formacrnica, tanto en adultos como en infantes con trastor-nos hormonales, como es la deficiencia de glucagono alteraciones en la hormona del crecimiento, en-tre otras. Los pacientes diabticos dependientes deinsulina (diabetes tipo 1) tambin estn expuestos aestados de hipoglucemia, ya que al administrarse lainsulina pueden excederse en la dosis y provocar asuna disminucin excesiva en los niveles sanguneos deglucosa. La hipoglucemia tambin puede presen-tarse como consecuencia de un insulinoma que alsintetizar y liberar insulina de manera excesiva, pro-duce la hipoglucemia. Se ha demostrado quela hipoglucemia moderada afecta los procesos de me-moria en humanos2, y que episodios repetidos

de hipoglucemia severa, frecuentes en los pacientesdiabticos tipo 1, causan dficit cognoscitivo irrever-sible3, el cual correlaciona con el dao a estructurascerebrales como el hipocampo4.

Para estudiar el dao neuronal asociado a lahipoglucemia se han desarrollado diversos modelosanimales. El modelo in vivo ms utilizado es lainyeccin sistmica de insulina en ratas, la cualprovoca una disminucin progresiva de la concen-tracin sangunea de glucosa hasta alcanzar nivelesmenores a 20 mg/dl e induce un estado de coma operiodo isoelctrico. Si ste se prolonga por ms de15 min se produce muerte neuronal. Para restablecerla normoglucemia y la actividad cerebral, y por con-siguiente evitar la muerte del animal; se administraglucosa por va intravenosa. El dao subsiguiente alcoma hipoglucmico tiene una relacin directa con laduracin de ste, entre mas largo sea el periodoisoelctrico mayor extensin tendr la lesin5. Por otraparte, se han desarrollado modelos in vitro en cultivoscelulares de tejido cerebral, en los cuales se mimetizala condicin hipoglucmica mediante la privacin de

Figura 1. La concentracin fisiolgica de glucosa es de 80-90 mg/dl.Tras la ingesta de alimento la glicemia puede alcanzar niveles alrede-dor de 200 mg/dl, lo que se conoce como hiperglucemia. El organismoresponde a este estado con la secrecin pancretica de insulina la cualpromueve la captura de glucosa en diversos tipos celulares, tales comoen clulas hepticas, promoviendo que sus niveles regresen a los valo-res basales. Por el contrario, en periodos de ayuno prolongado, losniveles sanguneos de glucosa disminuyen causando lo que se conocecomo hipoglucemia moderada ante la cual, el organismo induce laliberacin de hormona de crecimiento, cortisol y epinefrina. Estaltima, estimula la liberacin pancretica de glucagon, que junto conlas hormonas antes mencionadas, aumentan la liberacin de glucosaprincipalmente en el hgado. Si alguno de estos mecanismos regulado-res falla, los niveles de glucosa pueden llegar a ser menores a 20 mg/dl,induciendo el cese de la actividad elctrica cerebral y la muerte neuronalsubsecuente.

85


Vol 10, No. 2: 83-91, 2005

glucosa. Sin embargo, las conclusiones derivadasde los estudios in vitro no siempre son extrapolablesa lo que ocurre en sistemas in vivo. Estos dos tipos demodelos han sido muy tiles para estudiar losmecanismos de muerte neuronal inducida por laausencia de glucosa. A continuacin se describen lasobservaciones ms concluyentes en este campo.

Los aminocidos excitadores, la excitotoxicidad yel dao hipoglucmico

El glutamato es el neurotrasmisor excitadordistribuido ms ampliamente en el sistema nerviosocentral, cuya liberacin de la presinapsis ocurre porexocitosis a travs de la fusin vesicular dependientede Ca2+. Una vez en el espacio sinptico el glutamatose une a dos variedades de receptores postsinpticos;los receptores iontropicos que son en s canalesinicos y los receptores metabotrpicos que estnacoplados a cascadas intracelulares de segundosmensajeros.

Los receptores ionotrpicos se han clasificadode acuerdo a sus propiedades electrofisiolgicas yfarmacolgicas, y se han denominado de acuerdo a suagonista especfico: el receptor a N-metil-D-aspartato(NMDA), el receptor a kainato y el receptor al cidoa-amino-3-hidroxi-5-metiloxazol-4-propinico (AMPA). Aestos dos ltimos se les agrupa como receptoresno-NMDA. Los receptores no-NMDA son principal-mente permeables a Na+, mientras que los NMDA sonpermeables a Ca2+ y a Na+. Estos ltimos encondiciones de reposo mantienen bloqueado su canalinico por un in Mg2+. Esto los hace dependientes devoltaje pues es necesario que la membrana se des-polarice para que se libere dicho in y permita el pasode Ca2+. La despolarizacin puede ser consecuen-cia de la activacin de los receptores no-NMDA. Unagonista de los receptores NMDA es el aspartato quetambin es un aminocido con funcin de neurotrans-misor excitador en el cerebro.

En los aos cincuentas, se describieron laspropiedades txicas del glutamato6; sin embargo, eltrmino de excitotoxicidad no fue acuado sino hasta1969 por Olney. La excitotoxicidad se refiere a lacapacidad del glutamato y otros aminocidos exci-tadores, de causar neurodegeneracin por laestimulacin prolongada de sus receptores pos-sinpticos7. Este tipo de toxicidad se ha descrito endiversos tipos de lesiones como las causadas por unaccidente vascular cerebral, por el coma hipoglu-cmico o por una hemorragia cerebral. Losmecanismos de muerte en estas condiciones no se han

esclarecido completamente, pero se sabe que el Ca2+,al igual que los aminocidos excitadores, interviene ensu desarrollo8.

Dadas las propiedades txicas del glutamato,su concentracin extracelular est finamente reguladaa travs de su captura del espacio sinptico portransportadores especficos, una vez que se libera dela terminal sinptica. Estos transportadores selocalizan principalmente en la membrana plasmticade los astrocitos, y tambin se encuentran enneuronas. La captura de glutamato es dependienteNa+ y por tanto est acoplada al gradiente electro-qumico de Na+/K+, que le sirve de fuerza motora paratransportar dicho aminocido al interior de la clula9.El proceso de captura es por tanto dependientede energa pues el mantenimiento del gradientede Na+ /K+ depende del funcionamiento de lasbombas Na+/K+ que son dependientes de ATP.

El papel del glutamato y del aspartato en eldao hipoglucmico ha sido objeto de estudio devarios grupos y ha quedado establecido el papelpreponderante de la excitotoxicidad en el dao pro-ducido por la disminucin de los niveles de glucosa.Hasta la fecha se sabe por estudios de microdialisisque estos aminocidos excitadores son liberadosdesde que se inicia el periodo isoelctrico10. En estosexperimentos se observ que la cantidad de aspartatoliberado es mayor que la de glutamato y esto se debea que el glutamato es utilizado como sustrato meta-blico en esta condicin, y por tanto su disponibilidadcomo transmisor se ve limitada favorecindosela vesiculacin y la liberacin del aspartato11-13. Laacumulacin de los aminocidos excitadores en elespacio sinptico puede deberse bsicamente ados eventos: que su liberacin est aumentada o quelos sistemas de captura estn comprometidos. Ambasposibilidades son factibles, pues al colapsarse elgradiente electroqumico, la membrana presinpticase despolariza y se activan los canales de Ca 2+dependientes de voltaje incrementndose laconcentracin intracelular de este in. El aumento deCa2+ intracelular favorece la liberacin por exocitosisde neurotransmisor. Por otra parte, si el estadoenergtico no es el ptimo por la ausencia de glucosa,se altera el proceso de captura que es dependientede energa. Todava no se ha establecido cual de estoseventos es ms importante en la hipoglucemia.Experimentos in vitro sugieren la disfuncin de lostransportadores de glutamato/aspartato ya que si serestablece la concentracin de glucosa despus de unperiodo de privacin, el glutamato extracelular vuelvea sus niveles normales siendo este proceso depen-

86



diente de Na+14. Al parecer los sistemas de captura nofuncionan adecuadamente en condiciones de hipoglu-cemia debido a la deficiencia energtica.

La acumulacin de aminocidos excitadores enel espacio sinptico, debido al bloqueo de sus trans-portadores, en s no es suficiente para provocar muerteneuronal. Se ha demostrado que la acumulacin invivo de estos aminocidos, despus de la adminis-tracin de un inhibidor de la captura de glutamato, nocausa dao en condiciones normales15, pero s cuandoel metabolismo energtico est inhibido16,17. Estostrabajos apuntan a que el estado energtico celular esfundamental en el desarrollo de la lesin excitotxicapor lo que mas adelante se discutir su papel en eldao hipoglucmico.

Otra evidencia que apoya a la excitotoxicidadcomo el mecanismo de dao subsecuente a lahipoglucemia, es la observacin de que la muerteneuronal en el estriado inducida en condiciones dehipoglucemia, se previene cuando se eliminan las vasglutamatrgicas cortico-estriatales18. Esto sugiere quela liberacin de glutamato por las terminales gluta-matrgicas es necesaria para que se produzca la lesinhipoglucmica. Por otra parte, la administracin deantagonistas de los receptores NMDA previene lamuerte neuronal19 an cuando stos se administrendespus del periodo isoelctrico20. Este efecto no estrelacionado con la induccin de hipotermia descritapara algunos antagonistas de estos receptores21. Estosresultados tambin han sido obtenidos en experi-mentos in vitro, donde se ha demostrado que diversosantagonistas glutamatrgicos previenen el dao demanera dosis dependiente en condiciones de pri-vacin de glucosa22. Los receptores no-NMDAposiblemente tambin intervienen en el desarrollo deldao pues el tratamiento con sus antagonistas reduceel rea lesionada20, aunque en menor proporcin. Suparticipacin quizs est relacionada con la despo-larizacin necesaria para activar los receptores NMDA.Estas evidencias sin duda son contundentes parasugerir que el glutamato y la activacin de sus recep-tores juega un papel importante y temprano en eldesarrollo del dao hipoglucmico.

El estado energtico celular en la hipoglucemia

Como se mencion anteriormente, la acumu-lacin de aminocidos excitadores en el espacioextracelular despus de inhibir sus transportadores, nocausa muerte neuronal en la rata o en neuronas culti-vadas energticamente competentes, pero cuando elmetabolismo energtico es deficiente se induce muerte

excitotxica. El cerebro tiene la capacidad deadaptarse a la disminucin del suministro de glucosa;sin embargo, sta es limitada. La adaptacin delcerebro ocurre bsicamente por dos eventos: el au-mento en el flujo sanguneo cerebral y el uso dereservorios de sustratos alternativos a la glucosa.

Un aumento del flujo sanguneo durante lahipoglucemia ha sido demostrado por varios gru-pos23,24, pero an se encuentra en discusin elmecanismo por el cual que ste ocurre. Existenestudios que apoyan la participacin del xido ntricocomo factor relajante de las clulas endoteliales encondiciones de hipoglucemia25, pero sto ha sidopuesto en duda por otros autores26.

Al parecer el metabolismo energtico en lahipoglucemia slo se altera en condiciones muyseveras o muy prolongadas, pues el consumo de O2se mantiene durante la hipoglucemia lo que sugiereque otros sustratos estn siendo utilizados paraobtener energa23,27,28. La cantidad de glucgeno en lasneuronas es limitada y clsicamente se piensa que stese agota en los primeros 5 minutos del periodo isoe-lctrico23. Estudios recientes sugieren que el glucgenopuede ser utilizado como sustrato metablico porperiodos de tiempo ms extensos cuando el aporte deglucosa cerebral es inadecuado29, o cuando sepresentan episodios repetidos de hipoglucemia. Losaminocidos constituyen tambin un sustrato end-geno que se agota rpidamente11 ya que se puedenincorporar al ciclo de Krebs alterando su concentracintisular durante la hipoglucemia tanto in vivo como invitro13,30. Otros sustratos que se utilizan son losfosfolpidos, lo que conduce a un aumento en la con-centracin de cidos grasos libres, entre ellos el cidoaraquidnico cuyo metabolismo genera radicaleslibres, los cuales son txicos para la clula31. La lipli-sis es un proceso dependiente de Ca2+, y el aumentode este in promueve el metabolismo de los fosfol-pidos lo que puede alterar las propiedades de lamembrana plasmtica, y por lo tanto las de las prote-nas que estn embebidas en ella.

La concentracin de ATP se mantiene constanteincluso durante la hipoglucemia moderada, y no essino hasta que se presenta el estado de comaacompaado de los primeros cambios en las concen-traciones inicas (entrada de K+ y Ca2+), que losniveles de ATP disminuyen en un 40% 30,31. stosdisminuyen progresivamente conforme avanza elestado de coma, sugiriendo que ste se acompaade una deficiencia de sustratos metablicos tal, queocasiona un dficit energtico severo en el tejidocerebral32. La concentracin de ATP ha sido medida

87


Vol 10, No. 2: 83-91, 2005

tambin en estudios in vitro durante la privacin deglucosa, y se ha observado una disminucin impor-tante no slo de ATP sino de fosfocreatina 33. Ladisminucin de los niveles energticos comprometeel funcionamiento de la bomba Na+/K+, impidiendoque la clula se repolarice y que los mecanismos deamortiguamiento de Ca2+ funcionen adecuadamente.As, se genera una sobrecarga de Ca2+ en la mito-condria, la cual pierde su polaridad y su capacidad deproducir ATP. Se ha observado que los niveles de ATPse mantienen disminuidos en el cerebro incluso 3 hdespus del restablecimiento de glucosa, subsecuenteal coma hipoglucmico30.

Ca2+ y el dao hipoglucmico

Dado que entre los receptores a glutamato losdel tipo NMDA son los mayormente permeables aCa2+ , stos son los que juegan un papel msimportante en la muerte neuronal excitotxica. Encondiciones normales, la concentracin intracelular deCa2+ est finamente regulada; es decir, existenincrementos transitorios de su concentracin perorpidamente sta regresa a su nivel basal. Los meca-nismos responsables de esta regulacin incluyenprotenas citoplasmticas con varios sitios de unin aCa2+ (ej. calsecuestrina), bombas de Ca2+ situadas enla membrana plasmtica; que lo destruyen de maneradependiente de ATP, as como la captura o secues-tro de este in en algunos organelos intracelulares(retculo endoplsmico y mitocondria). Cuando sepierde la homeostasis de Ca2+ intracelular debido a lafalla en sus sistemas de extrusin o almacenamientoocurre muerte neuronal. La activacin dependiente deCa2+ de proteasas, endonucleasas, fosfolipasas yde la xido ntrico sintasa contribuir al dao neu-ronal34 (figura 2). La importancia del xido ntrico serdiscutida ms adelante.

Se conoce que la concentracin extracelular deCa2+ y de K+ disminuye desde el inicio del periodoisoelctrico31, mientras que el Ca2+ intracelular conti-na aumentando durante el coma, para despusregresar a su nivel basal tras la inyeccin de glucosa35.Por otro lado, trabajos; in vitro de privacin de glucosahan demostrado que en neuronas cultivadas ocurre ungran aumento en la concentracin de Ca2+ intracelularque est relacionado directamente con el daoneuronal36. El aumento citoslico de Ca2+ y su escasoamortiguamiento provocan la entrada masiva de estein a la mitocondria y esto desencadena la prdidadel potencial de membrana mitocondrial, unainterrupcin de la sntesis de ATP y la apertura del

poro de transicin de la permeabilidad mitocondrial(MPT). El MTP es un poro situado en la membranainterna de la mitocondria que permite la salida demolculas de un tamao menor a 1500 KDa y quese ha involucrado en el dao asociado a eventosisqumicos e hipoglucmicos37. La composicin delMTP an no es muy clara aunque se acepta queel translocador de nucleotidos de adenina y el canalde aniones dependiente de voltaje forman parte de suestructura.

Papel de la mitocondria

La mitocondria es un organelo intracelular don-de se llevan a cabo importantes procesos metablicoscomo el ciclo de Krebs y la fosforilacin oxidativa, quetienen como fin ltimo la sntesis de ATP. Esta sntesisest ntimamente ligada al potencial de membra-na mitocondrial, y cuando ste se disipa la ATPsintetasa puede actuar en forma inversa y degradarATP. Por su parte, la fosforilacin oxidativa es unafuente constante de especies reactivas de oxgeno(ROS), que en condiciones normales son controladaspor las defensas antioxidantes celulares. Cuando sugeneracin aumenta stas pueden contribuir demanera importante a la muerte neuronal hipoglu-cmica, como se discutir ms adelante. Como semencion anteriormente la entrada excesiva de Ca2+,por el uniportador de este in, despolariza a lamitocondria e induce la apertura del MPT. Se haobservado que el tratamiento con un inhibidor espe-cfico de este poro reduce el dao asociado a lahipoglucemia38 sugiriendo la participacin de la dis-funcin mitocondrial en el dao neuronal. Por otrolado, se sabe que la mitocondria libera factores pro-apoptticos cuando se abre el MPT como son elcitocromo C y el factor inductor de la apoptosis(AIF)39,40. Se ha reportado liberacin de citocromo C yde AIF, as como activacin de caspasa 3 asociadasa la hipoglucemia in vivo 41 (figura 2). Adems, ladespolarizacin mitocondrial induce el desacople dela cadena transportadora de electrones y con ello lageneracin de radicales libres, cuyo exceso llevara la clula a un estado de estrs oxidativo. Por otrolado, se ha observado una disminucin de la actividadde los complejos I y IV de dicha cadena, en todas lasregiones cerebrales asociada a la hipoglucemiainducida en un modelo in vivo42. La disfuncin mito-condrial puede deberse a la presencia de radicaleslibres, ya que stos pueden daar a los diferentescomponentes de la cadena respiratoria43. La despola-rizacin mitocondrial ha sido observada tambin in

88



vitro en condiciones de privacin de glucosa44. la caspasa 3 que es ejecutora. La caspasa 9 que for-ma parte de un complejo protico constituido porla asociacin del citocromo C, dATP, el AIF-1 y laprocaspasa 9, que al unirse se auto-activa y as puedeactivar a la procaspasa 3. Durante el coma hipoglu-cmico no hay ATP para formar dicho complejo, perodespus, es decir, despus de la administracin deglucosa los niveles de ATP se recuperan y se activa lacaspasa 9. La actividad de la caspasa 3 ocurre hasta3 h despus de iniciado el periodo de recuperacin.En cambio la liberacin del citocromo C ocurre a los30 min de iniciado el periodo isoelctrico, y la trans-locacin al ncleo del AIF ocurre 30 min despus deiniciada la recuperacin. En este modelo in vivotambin se ha observado la activacin de la calpaina,la cual es miembro de una familia de proteasas que secree estn involucradas en la activacin de algunascaspasas y por tanto en la muerte apopttica41.

Oxido ntrico, radicales libres y estrs oxidativoen la hipoglucemia

Los radicales libres son molculas que poseenun electrn desapareado en el ltimo orbital, lo quelos hace altamente reactivos pues tienden ya sea adonar ese electrn a alguna molcula vecina o biena remover un electrn de otra para que su ltimoorbital quede completo. Si las defensas antioxidantescelulares se ven sobrepasadas por la generacin deradicales libres, ya sea por la produccin excesiva destos, por la prdida de los mecanismos antioxidanteso por ambas, se crea una situacin conocida comoestrs oxidativo. Una de las principales consecuenciasdel estrs oxidativo es que daa a algunas macro-molculas indispensables para la viabilidad celularcomo son: los lpidos de membrana, el ADN, y lasprotenas. In vivo se ha observado que la hipoglu-cemia induce lipoperoxidacin de la membranaplasmtica an antes del perodo isoelctrico47, lo quesugiere que es un evento temprano en la lesinhipoglucmica y que puede ocurrir an en presenciade niveles bajos de glucosa. Tambin se ha observadolipoperoxidacin de las membranas mitocondriales ydao al ADN de este organelo en condiciones deglucosa baja43, lo que sugiere que los radicales daandirectamente a la mitocondria. In vitro se ha observadoque la privacin de glucosa aumenta los niveles deespecies reactivas de oxgeno (ROS)44 y que el daoen estas condiciones es prevenido con antioxidan-tes como la vitamina E48. La actividad de algunasenzimas encargadas de amortiguar a ciertas ROS,como son la superxido dismutasa y la catalasa se

Figura 2. El aumento en la concentracin extracelular de glutamato,as como la sobreactivacin de sus receptores, principalmente los detipo NMDA, induce muerte neuronal de tipo excitotxico despusde un periodo de hipoglucemia severa. La unin del glutamato a losreceptores tipo NMDA los hace permeables a Ca2+ y el aumentointracelular de este in activa diversas enzimas. Por un lado se activanendonucleasas y proteasas, como las calpanas. Las primeras provo-can dao al ADN y las segundas se han asociado a la activacin dealgunas cascadas de muerte. Se activa a su vez la xido ntrico sintasa(nNOS) la cual produce xido ntrico (NO). El aumento de Ca2+ esamortiguado por la mitocondria, pero si sta se sobrecarga de Ca2+,interrumpe la sntesis de ATP y se induce la apertura del poro detransicin de la permeabilidad mitocondrial (MPT). A travs del MPTpueden salir molculas involucradas en algunas vas de muerte, comoson el factor inductor de la apoptosis y el citocromo C. El citocromoC, forma parte de un complejo junto con la caspasa 9, que al ensamblarsese autoactiva y es capaz de activar a la caspasa 3, que es efectora de lamuerte apopttica. La actividad de la cadena transportadora de elec-trones, en especial la de los complejo I y IV disminuye, adems de queaumenta la liberacin de especies reactivas de oxgeno (ROS). LasROS reaccionan en el citosol con el NO produciendo peroxinitrito, elcual es capaz de causar dao al ADN. El dao al ADN activa a laenzima poli-ADP ribosa polimerasa, la cual al sobreactivarse consumeNAD y ATP induciendo una falla energtica. Las ROS generan unestado de estrs oxidativo que favorece la lipoperoxidacin que con-tribuye al dao hipoglucmico.

La apoptosis: activacin de caspasas y calpainasen la hipoglucemia

La apoptosis es un tipo de muerte ordenadodependiente de energa, en el cual la integridad de lamembrana plasmtica se conserva evitando unarespuesta inflamatoria. Hay activacin de proteasasespecficas ya sea de caspasas o de calpainas quehidrolizan distintos sustratos45. Adems, existen otrasprotenas involucradas en las cascadas de muerteapopttica, as como en su regulacin; la familia deBcl-2, la familia de los AIF y la de las protenas inhibi-doras de la apoptosis (IAP), entre otras46. Las caspasasse clasifican en iniciadoras y ejecutoras, las msestudiadas son la caspasa 9 que es iniciadora y

89


Vol 10, No. 2: 83-91, 2005

encuentra aumentada en condiciones de hipoglu-cemia42, lo que indica de manera indirecta la presenciade superxido y de perxido. El mecanismo de daooxidativo en la hipoglucemia ha sido poco explorado,ya que no se sabe cuales son las principales fuentesde radicales libres.

Una de las principales defensas antioxidantescelulares es el glutatin, el cual es un tripptidocompuesto por glicina, glutamato y cistena, quefunciona como un amortiguador del estado redox dela clula. En condiciones normales, el glutatin seencuentra en su estado reducido, pero en presenciade ROS pasa a su estado oxidado que consiste endos molculas de glutation unidas por un enlacedisulfuro. Se ha observado que en el modelo dehipoglucemia inducida por insulina los niveles de gluta-tin reducido no se encuentran disminuidos, pero laactividad de las enzimas encargadas tanto de susntesis como de su reciclaje se encuentran aumen-tadas. Esto sugiere que hay produccin de radicalesque consumen el glutatin reducido, y que la actividadaumentada de estas enzimas hace que los niveles delglutatin reducido se mantengan constantes, pudiendoser ste un mecanismo adaptativo ante la lesinhipoglucmica42.

El xido ntrico es un mensajero celular de vidamedia corta que est involucrado en diversosprocesos celulares, tiene poca reactividad comoradical pero cuando se combina con el superxido segenera peroxinitrito y ste es un radical altamentereactivo con una vida media muy corta que oxidamolculas cercanas. In vitro, se ha observado queun inhibidor de la oxido ntrico sintasa previene eldao en condiciones de privacin de glucosa48. Porotro lado in vivo, se ha observado que en condicionesde hipoglucemia aumenta la inmunoreactividad a lanitrotirosina en algunas zonas cerebrales49. La ni-trotirosina se genera a partir de la reaccin delperoxinitrito con los residuos de tirosina y por lo tantoes un buen marcador de la presencia de ese radicallibre, lo que indica su produccin en estas con-diciones. En ese mismo trabajo se demuestra que laadministracin de un inhibidor de la sintasa neuronaldel oxido ntrico (nNOS) durante el periodo isoelc-trico, disminuye la presencia de nitrotirosina y reduceel dao hipoglucmico.

El dao al ADN causado por radicales libres,activa a la polimerasa de poli-ADPribosa (PARP). Estaenzima normalmente repara el ADN pero susobreactivacin conduce a la muerte por un procesoque involucra el consumo de ATP y la liberacin defactores pro-apoptticos. Experimentos tanto in vivo

como in vitro han demostrado que un inhibidorespecfico de la PARP protege a las clulas del daohipoglucmico, incluso cuando ste es administradodos horas despus de la recuperacin de los nivelesde glucosa sangunea49. Estos resultados sugieren quela activacin de la PARP, posiblemente mediada por elperoxinitrito, es fundamental en la muerte neuronalobservada en condiciones de hipoglucemia, y queposiblemente su activacin sea un evento tardo ydeterminante para la generacin de la muerte.Evidencias recientes, sugieren que el zinc es otrofactor importante en la activacin de la PARP, y queste es liberado de las fibras musgosas en condicionesde hipoglucemia, y acumulado en las neuronas de laregin CA1 del hipocampo. El mecanismo de entradadel zinc a la clula an se desconoce, pero eltratamiento con un quelante de zinc reduce no solo laactivacin de la PARP sino el dao neuronal subse-cuente a la hipoglucemia50.

El cerebro tiene un alto contenido de lpidospoli-insaturados, entre ellos el cido araquidnico, elcual al metabolizarse a eicosanoides produce radicaleslibres, los cuales como ya se mencion puedenparticipar en el dao a los componentes celulares. Encondiciones de hipoglucemia se ha demostrado unaumento en la concentracin de cidos grasos libres,siendo el cido araquidnico el que ms aumenta31.

Aunque a la fecha se conocen algunos de loseventos involucrados en la muerte neuronal hipoglu-cmica, su temporalidad y secuencia an no es muyclara. Asimismo se desconoce si estos eventos sonparte de una sola cascada de muerte, o si son meca-nismos paralelos que conforman seales redundantesde muerte. Se sabe que muchos de estos mecanis-mos de muerte se presentan en otras patologas comola isquemia, por lo que es importante un conocimientoms profundo de estos procesos con el fin deencontrar alternativas teraputicas para disminuir lalesin cerebral y contribuir a la recuperacin de lospacientes. En conclusin, el aumento en los niveles ex-tracelulares de aminocidos excitadores, la prdida dela homeostasis del Ca2+, la deficiencia energtica, ladisfuncin mitocondria y el estrs oxidativo son todoscomponentes importantes de la muerte que se presen-ta en condiciones de hipoglucemia. En la figura 2, seresumen los diversos componentes que participan enel desarrollo del dao neuronal asociado a la hipoglu-cemia

AGRADECIMIENTOSEste trabajo fue realizado gracias al apoyo PAPIIT (IN222503) aLourdes Massieu y una beca CONACYT No181312 y DGEP-UNAM aMa. Luisa Haces. Los autores agradecen a el Dr. J. Morn y al Dr. C.Snchez por sus comentarios a este trabajo.

90



REFERENCIAS

1. Auer RN, Wieloch T, Olsson Y, Siesjo BK. The distribution ofhypoglycemic brain damage. Acta Neuropathol 1984; 64:177-91.

2. Sommerfield AJ, Deary IJ, Mcaulay V, Frier BM. Moderatehypoglycemia impairs multiple memory functions in healthyadults. Neuropsychol 2003; 17:125-32.

3. Akyol A, Kiylioglu N, Bolukbasi O, Guney E, Yurekli Y. Repeatedhyploglycemia and cognitive decline. A case report.Neuroendocrinol Lett 2003; 24:54-6.

4. Carrol MF, Burge MR, Schade DS. Severe hypoglycemia inadults. Rev End Metab Dis 2003; 4:149-57.

5. Auer RN, Olsson Y, Siesjo BK. Hypoglycemic brain injury in therat. Correlation of density of brain damage with EEG isoelectrictime: a quantitative study. Diabetes 1984; 33:1090-8.

6. Lucas D, Newhouse J. The toxic effect of sodium L-glutamateon the inner layers of the retina. Arch Opthalmol 1957; 58:193-201.

7. Olney J. Excitatory transmitter neurotoxicity. Neurobiol Aging1994; 15:259-60.

8. Choi D. Excitotoxic cell death. J Neurol 1992; 23:1261-76.9. Gegelashvili G, Schousboe A. Cellular distribution and kinetic

properties of high-affinity glutamate transporters. Brain ResBull 1998; 45:233-8.

10. Sandberg M, Nystrm B, Hamberger A. Extracellular overflowof neuroactive amino acids during severe insulin-inducedhypoglycemia: In vivo dialysis of the rat hippocampus. JNeurochem 1986; 47:178-84.

11. Engelsen B, Westerberg E, Fonnum F, Wieloch T. Effect of insulin-induced hypoglycemia on the concentrations of glutamate andrelated amino acids and energy metabolites in the intact anddecorticated rat neostriatum. J Neurochem 1986; 47:1634-41.

12. Gundersen V, Fonnum F, Ottersen OP, Storm-Mathisen J.Redistribution of neuroactive amino acids in hippocampus andstriatum during hyplogycemia: a quantitative immunogold study.J Cereb Blood Flow Metab 2001; 21:41-51.

13. Honegger P, Braissant O, Henry H, Boulat O, Bachmann C,Zurich MG, et al. Alteration of amino acid metabolism in neuronalaggregate cultures exposed to hypoglycemic conditions. JNeurochem 2002; 51:1141-51.

14. Takata T, Hirai H, Shigemoto T, Okada Y. The release of glutamateand accumulation of intracellular calcium in the guinea pighippocampal slices during glucose deprivation. Neurosci Lett1995; 189:21-4.

15. Massieu L, Morales-Villagrn A, Tapia R. Accumulation ofextracellular glutamate by inhibition of its uptake is not sufficientfor inducing neuronal damage: an in vivo microdialysis study. JNeurochem 1995; 64:2262-72.

16. Snchez-Carbente M, Massieu L. Transient inhibition ofglutamate uptake in vivo induces neurodegeneration whenenergy metabolism is impaired. J Neurochem 1999; 27:129-38.

17. Massieu L, Gmez-Romn N, Montiel T. In vivo potentiation ofglutamate-mediated neuronal damage after chronicadministration of the glycolysis inhibitor iodoacetate. Exp Neurol2000; 165:257-67.

18. Wieloch T, Engelsen B, Westerberg E, Auer R. Lesions of theglutamatergic cortico-striatal projections in the rat amelioratehypoglycemic brain damage in the striatum. Neurosci Lett 1985;58:25-30.

19. Wieloch T. Hypoglycemia-induced neuronal damage preventedby an N-Methyl-D-aspartate antagonist. Science 1985; 230:681-3.

20. Nellgard B, Wieloch T. Cerebral protection by AMPA- andNMDA-receptor antagonists administered after severe insulin-induced hypoglycemia. Exp Brain Res 1992; 92:259-66.

21. Papagapiou MP, Auer RN. Regional neuroprotective effects ofthe NMDA receptor antagonist MK-801 (dizocilpine) in

hypoglycemic brain damage. J Cereb Blood Flow Metab 1990;10:270-6.

22. Monyer H, Goldberg MP, Choi DW. Glucose deprivationneuronal injury in cortical culture. Brain Res 1989; 483:347-54.

23. Norberg K, Siesj BK. Oxidative metabolism of the cerebralcortex of the rat in severe insulin-induced hypoglycaemia. JNeurochem 1976; 26:345-52.

24. Hollinger BR, Bryan RM. b -receptor-mediated increase incerebral blood during hypoglycemia. Am J Physiol 1987;253:949-55.

25. Dieguz G, Fernndez N, Garca JL, Garca-Villaln AL, MongeL, Gmez B. Role of nitric oxide in the effects of hypoglycemiaon the cerebral circulation in awake goats. Eur J Pharmacol1997; 330:185-93.

26. Horinaka N, Artz N, Jehle J, Takahashi S, Kennedy C, SokollofL. Examination of potential mechanisms in the enhacement ofcerebral blood flow by hypoglycemia and pharmacologicaldoses of deoxyglucose. J Cereb Blood Flow Metab 1997; 17:54-63.

27. Krolicki L, Leniger-Follert E. Oxygen supply of the brain cortex(rat) during severe hypoglycemia. Pflgers Arch 1980; 387:121-216.

28. Agardh CD, Chapman AG, Nilsson B, Siesj BK. Endogenoussubstrates utilized by rat brain in severe insulin-inducedhypoglycemia. J Neurochem 1981; 36:490-500.

29. Choi IY, Seaquist ER, Gruetter R. Effect of hypoglycemia onbrain glycogen metabolism in vivo. J Neurosci Res 2003; 72:25-32.

30. Agardh CD, Folbergrov J, Siesj BK. Cerebral metabolicchanges in profound insulin-induced hypoglycemia, and in therecovery period following glucose administration. J Neurochem1978; 31:1135-42.

31. Wieloch T, Harris RJ, Symon L, Siesj BK. Influence of severehypoglycemia on brain extracellular calcium and potassiumactivities, energy and phospholipid metabolism. J Neurochem1984; 43:160-8.

32. Lewis LD, Ljunggreb B, Ratcheson RA, Siesj BK. Cerebralenergy state in insulin-induced hypoglycemia related to bloodglucose and to EEG. J Neurochem 1974; 21:673-9.

33. Brooks KJ, Porteous R, Bachelard HS. Effects of hypoglycemiaand hypoxia on the intracellular pH of cerebral tissue asmeasured by 31P nuclear magnetic resonance. J Neurochem1989; 52:604-10.

34. Reynold I. Intracellular calcium and magnesium: criticaldeterminants of excitotoxicity? En: Ottersen O, Langmoen L,Gjerstad I, editores. Progress in brain research. ElsevierScience 1998; 116:225-43.

35. Uematsu D, Greenberg JH, Reivich M, Karp A. Cytosolic freecalcium, NAD/NADH redox state and hemodynamic changesin the cat cortex during severe hypoglycemia. J Cereb BloodFlow Metab 1989; 9:149-55.

36. Cheng B, McMahon DG, Mattson MP. Modulation of calciumcurrent, intracellular calcium levels and cell survival by glucosedeprivation and growth factors in hippocampal neurons. BrainRes 1993; 607:275-85.

37. Friberg H, Wieloch T. Mitochondrial permeability transition inacute neurodegeneration. Biochemie 2002; 84:241-50.

38. Friberg H, Ferrand-Drake M, Bengtsson F, Halestrap AP, WielochT. Cyclosporin A, but not FK 506 protects mitochondria andneurons against hypoglycemic damage and implicates themitochondrial permeability transition in cell death. J Neurosci1998; 18:5151-9.

39. Liu X, Kim CN, Yang J, Jemmerson R, Wang X. Induction ofapoptotic program in cell-free extracts: requirement for dATPand citochrome C. Cell 1996; 86:147-57.

40. Susin SA, Zamzami N, Castedo M, Hirsch T, Marchetti P, MachoA, et al. Bcl-2 inhibits the mitochondrial release of an apoptogenic

91


Vol 10, No. 2: 83-91, 2005

protease. J Exp Med 1996; 184:1331-3141.41. Ferrand-Drake M, Changlian Z, Gunilla G, Hansen AJ, Karlsson

J-O, Bahr BA, et al. Cyclosporin A prevents calpain activationdespite increased intracellular calcium concentrations, as wellas translocation of apoptosis-inducing factor, cytochrome cand caspase-3 activation in neurons exposed to transienthypoglycemia. J Neurochem 2003; 85:31-42.

42. Bhardwaj SK, Sharma ML, Gulati G, Chhabra A, Kaushik R,Sharma P, et al. Effect of starvation and insulin-inducedhypoglycemia on oxidative stress scavenger system andelectron transport chain complexes from rat brain, liver, andkidney. Molec Chem Neuropathol 1998; 34:157-68.

43. Ballesteros JR, Mishra OP, McGowan JE. Alterations in cerebralmitochondria during acute hypoglycemia. Biol Neonate 2003;84:159-63.

44. Liu Y, Xiao-Dong S, Liu W, Zhang T-Y, Zuo J. Glucose deprivationinduces mitochondrial dysfunction and oxidative stress in PC12cell line. J Cell Mol Med 2003; 7:49-56.

45. McConkey D. Biochemical determinants of apoptosis andnecrosis. Toxicol Lett 1998; 99:442-9.

46. Hengartner M. The biochemistry of apoptosis. Nature 2000;407:770-6.

47. Patockova J, Mahol P, Tumova E, Krsiak M, Rokyta R, Stipek S,et al. Oxidative stress in the brain tissue of laboratory mice withacute post insulin hypoglycemia. Physiol Res 2003; 52:131-5.

48. Rego AC, Santos MS, Oliveira CR. Influence of the antioxidantsvitamin E and idebenone on retinal cell injury mediated bychemical ischemia, hypoglycemia or oxidative stress. Free RadBiol Med 1999; 26:1405-7.

49. Suh SW, Aoyama K, Chen Y, Garnier P, Matsumori Y, Gum E, etal. Hypoglycemic neuronal death and cognitive impairmentare prevented by poly(ADP-ribose) polymerase inhibitorsadministered after hypoglycemia. J Neurosci 2003; 23:10681-90.

50. Suh SW, Garnier P, Aoyama K, Chen Y, Swanson RA. Zincrelease contributes to hypoglycemia-induced neuronal death.Neurobiol Dis 2004; 16:538-45.

Mecanismos de Muerte Neuronal Asociados a La Hipoglicemia

Documents

Transcript of Mecanismos de Muerte Neuronal Asociados a La Hipoglicemia