El estrés oxidante ha sido implicado en la patogénesis de una variedad de desórdenes neurodegenerativos, incluyendo esclerosis lateral amiotrófica, enfermedad de Alzheimer, enfermedad de Huntington y la enfermedad de Parkinson (PD, por sus siglas en inglés). PD proporciona un excelente paradigma para explorar el papel de los oxidantes en el desarrollo de la enfermedad –bioquímica oxidante, agregación de proteína y degeneración neural están presentes en el análisis postmortem de los cerebros de pacientes. PD, el segundo desorden degenerativo más común, es tipificado por afectaciones motoras que incluyen temblor en descanso, rigidez muscular, inestabilidad y bradiquinesia. La pérdida selectiva de neuronas dopaminérgicas ocurre en la pars compacta de la substantia nigra, llevando a niveles muy reducidos de dopamina en el striatum (núcleo estriado), y es acompañada por la presencia de inclusiones citoplásmicas conocidas como cuerpos de Lewy (LBs, por sus siglas en inglés) en regiones del tallo cerebral y las neuronas dopaminérgicas de la pars compacta de la substantia nigra.
Aunque se han generado muchas hipótesis para explicar las causas de PD, los mecanismos patogénicos permanecen enigmáticos y el tratamiento es consecuentemente enfocado en aliviar los síntomas.
Evidencia de estrés oxidante en la enfermedad de Parkinson
La evidencia inicial de que los oxidantes y las modificaciones oxidantes de las moléculas neuronales están involucrados en la patogénesis de PD provinieron del uso accidental de 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridina (MPTP, por sus siglas en inglés), un análogo sintético de la heroína. Los individuos que fueron inyectados con MPTP desarrollaron un síndrome parkinsoniano de aparición rápida, caracterizado por muchas características clínicas de PD. Una de las acciones del 1-metil-4-fenilpiridinio (MPP+ ), el metabolito activo de MPTP, es inhibir el complejo I de la cadena respiratoria mitocondrial e incrementar la producción de especies reactivas.
Adicionalmente, estudios epidemiológicos han revelado un riesgo incrementado de desarrollar PD entre poblaciones expuestas a pesticidas y herbicidas. El examen postmortem de tejido cerebral de pacientes con PD ha mostrado incremento en los carbonilos de proteína, oxidación de lípidos y DNA, concentración elevada de hierro total y niveles reducidos de glutatión, apoyando el papel de los procesos oxidantes en el desarrollo y progresión de la enfermedad. Estudios que examinaron las mitocondrias aisladas de pacientes con PD han mostrado una menor actividad del complejo I y una producción elevada de oxidante con mayor sensibilidad al MPP+ .
La extensa nitración de residuos de tirosina en α-sinucleina, la cual ha sido documentada por teñido inmunohistoquímico de cerebros con PD con anticuerpos monoclonales que específicamente reconocen α-sinucleina nitrada, proporciona evidencia adicional de química oxidante y nitrante en PD.
Basados en este cuerpo de evidencia, muchos estudios se han enfocado en el descubrimiento de los mecanismos por los cuales la oxidación puede contribuir al desarrollo de la enfermedad. Los intentos para descifrar el papel preciso del estrés oxidante en PD se han enfocado en 2 áreas principales; la genética de la enfermedad y las manipulaciones químicas que inducen los síntomas.
Aportaciones de la genética
Aunque la mayoría de los casos de PD son esporádicos, raras formas familiares de la enfermedad han ayudado a proporcionar datos sobre los mecanismos moleculares patogénicos subyacentes. En la actualidad, 13 loci genéticos, denominados PARK1 a PARK13, han sido asociados con PD. Entre estos, 5 genes correspondientes a 6 loci son conocidos y han sido establecidos como causantes de la PD familiar: α-sinucleina (PARK1/PARK4), parkin (PARK2), PINK1 (PARK6), DJ-1 (PARK7) y LRRK2 (PARK8). Experimentos sondeando la función de estas proteínas y las mutaciones causantes de la enfermedad apoyan el involucramiento causal de procesos oxidantes y función mitocondrial deteriorada en la patogénesis de PD.
Entre los genes asociados con la PD familiar, ocurren mutaciones recesivas en 2 genes que codifican proteínas asociadas a las mitocondrias, DJ-1 y PINK1. DJ-1 es una proteína con una función antioxidante putativa que ha sido asociada con PD a través de mutaciones y deleciones que sugieren una pérdida de función. Residuos de cisteína en DJ-1 que se han encontrado oxidados en humanos y en sistemas modelo animales han implicado a DJ-1 como una molécula antioxidante con actividad tipo peroxirredoxina. En apoyo de esta hipótesis, los ratones deficientes en DJ-1 muestran disfunción dopaminérgica nigrostriatal y déficits motores. Adicionalmente, moscas y ratones en los cuales DJ-1 es noqueado o mutado son más sensibles a insultos por toxinas mitocondriales, tales como MPTP, rotenona y paracuat. Por el contrario, la sobreexpresión de DJ-1 en ratas expuestas a 6-hidroxidopamina o ratones expuestos a MPTP fue protectora contra la degeneración neural dopaminérgica. En conjunto, estos hallazgos sugieren que mutaciones patogénicas que llevan a la pérdida de función apropiada de DJ-1 pueden reducir la habilidad neuronal para lidiar con las consecuencias del estrés oxidante.
La pérdida de función es también el mecanismo patogénico propuesto para mutaciones en PINK1, una serina/treonina-quinasa mitocondrial que se ha hipotetizado fosforila proteínas mitocondriales en respuesta al estrés celular y protege así contra la disfunción mitocondrial. Los linfoblastos de pacientes con mutaciones en pINK1 muestran un incremento en la peroxidación de lípidos y defectos en la actividad del complejo I mitocondrial. El noqueado de PINK1 o la expresión de PINK1 con una mutación patogénica en las neuronas, ha resultado en patología mitocondrial e incremento en la vulnerabilidad de las células a la rotenona y al MPP. Adicionalmente, los ratones deficientes en PINK1 demuestran respiración mitocondrial disminuida, la cual es específica al circuito dopaminérgico y progresa con la edad, y tienen mayor sensibilidad al estrés oxidante cuando son retadas con H2O2.
La α-sinucleina ha atraído considerable atención luego del descubrimiento combinado de que esta proteína es uno de los principales componentes de LBs y que mutaciones de sentido erróneo (missense o sin sentido) dominantes autosómicas en el gen α-sinucleina llevan a PD de surgimiento temprano. Aunque la función de esta proteína se relaciona en parte con la regulación vesicular y la actividad tipo chaperón, hay evidencia substancial que sugiere un interjuego entre α-sinucleina, estrés oxidante y mitocondria en la patogénesis de PD. La α-sinucleina, normalmente una proteína soluble, relativamente no estructurada, experimenta un ensamblado ordenado para formar fibras amiloides que eventualmente forman inclusiones de proteína y LBs. Experimentos in vitro y en cultivo celular sugieren que el entrecruzamiento covalente de α-sinucleina o la nitración de residuos de tirosina resultan en la aceleración del proceso de agregación a fibras amiloides.
En estudios de cultivo celular, la expresión de α-sinucleina ha estado asociada con un incremento en la producción de oxidante y disfunción mitocondrial. Ratones transgénicos expresando α-sinucleina con la mutación A53T causante de la enfermedad, exhibieron desregulación mitocondrial. La exposición de ratones expresando A53T a paracuat y maneb exacerbó la patología de α-sinucleina, la degeneración mitocondrial y la elevación en los niveles de proteínas nitradas. De acuerdo a esto, los ratones transgénicos expresando similitud α-sinucleina tipo silvestre o A30P tienen degeneración neuronal y disfunción mitocondrial aumentadas, comparados con los controles no transgénicos por exposición a MPTP. Evidencia reciente indica que la α-sinucleina se acumula dentro de la mitocondria, llevando a la actividad disminuida del complejo I y un incremento en la producción de especies reactivas. Interesantemente, las mitocondrias aisladas de la substantia nigra y el striatum de pacientes con PD esporádico han mostrado una acumulación significativamente mayor de α-sinucleina que los controles.
Mutaciones en parkin (o parquina) como E3 ubiquitina-ligasa están también asociadas con la PD familiar. Aunque su papel en el sistema ubiquitina-proteasoma ha ayudado a resaltar el involucramiento potencial de la afectación den la degradación de proteína en la enfermedad, adicionalmente parkin ha sido implicado en la función mitocondrial. Moscas deficientes en parkin tienen mayor sensibilidad al paracuat, y el análisis proteómico de estas moscas indica diferencias en las proteínas que regulan el metabolismo energético y la regulación oxidante. Modelos de Drosophila expresando parkin con mutación patogénica exhiben también disfunción mitocondrial y diferencias transcripcionales en los componentes de la respuesta oxidante. El noqueado de parkin en modelos murinos lleva a la degeneración nigrostriatal, disfunción sináptica, déficits conductuales dopaminérgicos y acumulación aberrante de substratos parkin, incluyendo muchas proteínas involucradas en la función mitocondrial y el estrés oxidante. Conversamente, la sobreexpresión viral de parkin es capaz de inhibir la pérdida neural dopaminérgica en ratones expuestos a MPTP.
Los modelos genéticos animales de genes PD han sido poderosas herramientas en la disección de las rutas moleculares involucradas en la degeneración de neuronas dopaminérgicas. Los datos sobre la contribución de los procesos oxidantes en PD se han ganado por el descifrado del papel normal de las proteínas y cómo las mutaciones patogénicas llevan a la neurodegeneración.
Modelos de intoxicación de la enfermedad de Parkinson
El descubrimiento de que la intoxicación con MPTP causa el síndrome parkinsoniano ha llevado a su uso en el establecimiento de varios modelos PD en primates no humanos y en ratones. MPP+ , el metabolito glial de MPTP, es tomado selectivamente por el transportador de dopamina de las neuronas dopaminérgicas, en donde inhibe el complejo I mitocondrial, activa las microglias cercanas e induce finalmente la muerte celular.
La toxicidad de MPP+ puede ser prevenida in vivo por reemplazo del complejo I con la subunidad individual NADH-deshidrogenasa de Saccharomyces cerevisiae (NDI1), implicando al metabolismo mitocondrial disfuncional en la patogénesis. La activación microglial y los oxidantes derivados de NADPH-oxidasa pueden también contribuir a la disfunción neuronal después de retos por MPTP. Los ratones sobreexpresando el antioxidante Cu/Zn-superóxido-dismutasa I65 están protegidos contra la toxicidad de MPTP, indicando que los procesos oxidantes contribuyen a la degeneración de las neuronas dopaminérgicas.
El involucramiento de especies reactivas de nitrógeno (NRS, por sus siglas en inglés) en el daño neuronal inducido por MPTP ha sido revelado por el uso de animales deficientes en óxido nítrico-sintetasa (NOS, por sus siglas en inglés). La toxicidad de MPTP y el teñido 3-nitrotirosina son atenuados tanto en los ratones inducidos deficientes en NOS como en deficientes en NOS neuronal, así como en ratones tratados con inhibidores de NOS neuronal. Resultados similares se han obtenido en babuinos expuestos a la toxina, indicando que los oxidantes derivados del óxido nítrico son participantes en los procesos que derivan en la neurodegeneración. Adicionalmente, se ha encontrado de manera consistente que la administración sistémica aguada o crónica de MPTP a ratones, disminuye el contenido de dopamina y sus metabolitos en el núcleo estriado, antes de la muerte neuronal. Una posible explicación de la caída en los niveles de dopamina proviene de estudios mostrando que la exposición a MPTP resulta en la nitración de tirosina-hidroxilasa y la pérdida de su actividad enzimática; este es un evento bioquímico adicional que puede contribuir a la toxicidad de MPTP.
Los estudios con MPTP también han proporcionado apoyo adicional a la intersección del estrés oxidante y α-sinucleina en PD. La exposición de primates no humanos a MPTP ha llevado a la formación de inclusiones filamentosas α-sinucleina-positivas. Resultados contradictorios han sido reportados de modelos en ratón que estudian el interjuego entre α-sinucleina y MPTP, probablemente debido a diferencias en el background genético y en los diseños experimentales; sin embargo, varios grupos han encontrado que los ratones que carecen de α-sinucleina están protegidos contra la toxicidad de MPTP y, a la inversa, los ratones expresando las mutaciones en α-sinucleina asociadas a la enfermedad son más vulnerables a la toxicidad por MPTP. Estos hallazgos, así como el hecho de que la α-sinucleina es nitrada después de la exposición a MPTP, son una indicación de que α-sinucleina y MPTP puede interactuar en una ruta patogénica común.
Otra toxina prototípica de estrés oxidante que ha sido utilizada en modelos animales por más de 30 años es la 6-hidroxidopamina. En presencia de oxígeno y metales de transición, se oxida en paraquinona (parabenzoquinona) y peróxido de hidrógeno, mientras que los radicales superóxido (O2– ) y semiquinona son especies intermediarias de la reacción. Estas especies reactivas y fuertes electrófilos dañan las macromoléculas e inducen la neurodegeneración.
El herbicida paracuat, una molécula redox biológicamente activa, es otra toxina implicada como causante de estrés oxidante y en tener efectos deteriorantes en las neuronas. El paracuat es ampliamente utilizado en modelos ratón y causa una reducción en la actividad motora, muerte de las neuronas dopaminérgicas de la substantia nigra y degeneración de las fibras del núcleo estriado en una manera dependiente de la dosis. La sobreexpresión de superóxido-dismutasa y miméticos de superóxido-dismutasa protege contra el daño neuronal del paracuat, reforzando el concepto de la participación de especies reactivas en la neurotoxicidad.
La infusión crónica de rotenona, un insecticida utilizado como veneno para peces, ha resultado en la degeneración selectiva de las neuronas dopaminérgicas de la región nigrostriatal, debilidad motora e inclusiones fibrilares en ratas. La rotenona es un inhibidor bien caracterizado del complejo I mitocondrial. De manera similar al modelo MPP+, la transfección con NDI1 evita la muerte celular, sugiriendo que los 2 químicos comparten un mecanismo común de toxicidad. Interesantemente, en adición a la acumulación y agregación de α-sinucleina, la rotenona también induce la oxidación de DJ-1, que está restringida a las regiones dopaminérgicas y puede ser prevenida por pretratamiento con α-tocoferol.
Micronutrimentos y antioxidantes como terapias potenciales
Los defectos mitocondriales y el estrés oxidante han emergido como causas patogénicas comunes para muchas condiciones y desórdenes neurodegenerativos, incluyendo PD. A pesar de que existen terapias sintomáticas para PD, no hay tratamientos efectivos que puedan restaurar la función neuronal u ofrecer neuroprotección. Por lo tanto, el uso de micronutrimentos y antioxidantes para mejorar la función mitocondrial y prevenir el daño oxidante puede ser benéfico para las enfermedades neurodegenerativas.
Modelos animales de PD han sido útiles para explorar las intervenciones farmacológicas, tales como los modificadores metabólicos como creatina, coenzima Q10 (CoQ10) y ácido lipoico, así como los antioxidantes como el extracto de Ginkgo biloba, N-acetil-cisteína, nicotinamida, riboflavina, acetil-carnitina y resveratrol.
La CoQ10, también conocida como ubiquinona, sirve como un aceptor de electrones de los complejos I y II mitocondriales, actúa potencialmente como un antioxidante y es capaz de regenerar el α-tocoferol (forma de la vitamina E). Es una molécula que ha sido probada para el tratamiento de desórdenes mitocondriales y enfermedades neurodegenerativas en una variedad de modelos animales y en pruebas clínicas con pacientes de PD y enfermedad de Huntington. Los niveles de CoQ10 y CoQ9 se han encontrado incrementados en el tracto nigrostriatal de ratones 1 semana después de un tratamiento agudo con MPTP. Adicionalmente, la administración de CoQ10 atenuó la pérdida de dopamina en el núcleo estriado y disminuyó la inmunoreactividad de tirosina-hidroxilasa en el núcleo estriado de ratones viejos tratados con MPTP. CoQ10 también ha demostrado ser neuroprotector contra otras toxinas mitocondriales, como malonato, ácido 3-nitropropiónico y rotenona.
El ácido lipoico es una coenzima para piruvato-deshidrogenasa y α-cetoglutarato-deshidrogenasa. Funciona como un antioxidante a través de la quelación de metales de transición y la regeneración de antioxidantes endógenos, como el ácido ascórbico, glutatión y α-tocoferol. El ácido dihidrolipoico, el cual es el producto reducido del ácido lipoico, también interactúa con CoQ. Esta interacción incrementa la capacidad antioxidante de CoQ al reducir la ubiquinona a ubiquinol, manteniendo así una relación normal de CoQ reducida y oxidada luego de la administración de MPTP a ratones.
Mientras que la aplicación de micronutrimentos antioxidantes en células y modelos animales de PD ha producido resultados motivadores, la extensión de estos tratamientos a pruebas clínicas ha producido hallazgos variables. Una de las pruebas clínicas más extensas de antioxidantes para tratar PD fue el estudio de terapia antioxidante de parkinsonismo con deprenilo y tocoferol (Deprenyl and Tocopherol Antioxidative Therapy of Parkinsonism o DATATOP, por sus siglas en inglés), en donde 800 pacientes presentando etapas tempranas de PD fueron asignados al azar para recibir deprenilo y α-tocoferol, deprenilo con un placebo de α-tocoferol, α-tocoferol con un placebo de deprenilo o 2 placebos. El punto final de la prueba fue el surgimiento de la inhabilidad parkinsoniana al grado que la terapia con levodopa era necesaria. Deprenilo, también conocido como selegilina, es un inhibidor de la monoamino-oxidasa tipo B; α-tocoferol es un componente biológicamente activo de la vitamina E. Al final de 146 meses de tratamiento y observación, los investigadores encontraron que el deprenilo fue capaz de retrasar significativamente el inicio de los síntomas de PD, garantizando la terapia con levodopa por un tiempo medio de 9 meses. Por el contrario, el α-tocoferol no retrasó el inicio o severidad de los síntomas, y la combinación de α-tocoferol y deprenilo no proporcionó beneficio alguno sobre el alcanzado con deprenilo solamente.
Rasagilina es otro inhibidor selectivo de monoamino-oxidasa tipo B que ha sido exitoso en pruebas de medicamentos. En una serie de estudios a gran escala, el grupo de estudio en Parkinson encontró que la Rasagilina hizo más lenta la progresión de los síntomas en individuos con PD temprana, medida por la escala unificada de clasificación de la enfermedad de Parkinson (UPDRS, por sus siglas en inglés) y fue más efectiva cuando se administró inmediatamente, comparada con un retraso de 6 meses, mostrando que el beneficio no es debido a un efecto sintomático inmediato, sino más bien a una influencia real en la progresión de la enfermedad. Adicionalmente, la Rasagilina fue capaz de potenciar los efectos benéficos de levodopa en la progresión de la enfermedad en pacientes con PD con fluctuaciones motoras que estaban recibiendo tratamiento con levodopa.
En un estudio de sujetos con PD temprana, se ha encontrado que una dosis de 1200 mg/d de CoQ10 reduce la tasa de disminución funcional, medida por UPDRS. Sin embargo, esta dosis no cambia la cantidad de tiempo para llegar a la incapacidad, requiriendo tratamiento con levodopa, y menores dosis de 100 mg/d y 600 mg/d de CoQ10 no mejoran significativamente los síntomas de PD. En un estudio separado, pacientes de PD en etapa media, que recibieron 300 mg/d de CoQ10 no difirieron de los pacientes que recibieron placebo en la progresión de los síntomas medidos por UPDRS.
Recientemente, se han realizado pruebas piloto del compuesto creatina. La creatina, a través de su conversión a fosfocreatina, es responsable de la homeostasis de ATP y potencialmente tiene propiedades antioxidantes. Aunque estos pequeños estudios no tienen el poder para discriminar significancia estadística, una tendencia para hacer más lento el declive medido por UPDRS se ha notado con el tratamiento con creatina. Sin embargo, la creatina no fue capaz de retrasar la cantidad de tiempo necesario antes de la progresión a terapia de reemplazo dopaminérgico. Otro pequeño estudio produjo resultados ligeramente diferentes, en donde los pacientes que recibieron creatina no mostraron una diferencia significativa en las calificaciones UPDRS comparados con los controles. Ocurrió, sin embargo, una mejora en el estado de ánimo, así como menores incrementos en la dosis de la terapia dopaminérgica.
En resumen, factores genéticos y ambientales pueden contribuir a la patogénesis de PD por alteración de la función mitocondrial y aceleración de los procesos oxidantes. El uso de moléculas capaces de restaurar la homeostasis metabólica y aliviar la carga oxidante, muestra ser una terapia prometedora. Pruebas adicionales en proceso actualmente podrán confirmar la aplicación tanto de coenzima Q10 como de creatina en la mejora efectiva del resultado de la enfermedad de Parkinson.
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