ESTUDIAN LA MUERTE CELULAR EN LESIONES DEL HIGADO
Tucson, EE.UU.
La isquemia hepática fría y caliente seguida de reperfusión induce muerte celular. Aunque el proceso involucra esencialmente necrosis, la investigación reciente también encontró evidencia de apoptosis en esta situación.
Gastroenterology 125(4):1246-1257, Oct 2003
Autores:
Jaeschke H y Lemasters JJ
Institución/es participante/s en la investigación:
Liver Research Institute, University of Arizona, Tucson, EE.UU.
Título original:
[Apoptosis Versus Oncotic Necrosis in Hepatic Ischemia/Reperfusion Injury]
Título en castellano:
Apoptosis Versus Necrosis Oncótica en Isquemia Hepática y Daño por Reperfusión
Introducción
La isquemia hepática y el daño por reperfusión ocurren en numerosas situaciones patológicas,
entre ellas cirugía de hígado, preservación del órgano para posterior trasplante, enfermedad
venooclusiva e insuficiencia cardíaca. En la fisiopatología del trastorno intervienen diversos
mecanismos. Aunque el daño isquémico es per se causa de muerte celular, la lesión no se
manifiesta hasta que el órgano sufre reperfusión.
La producción de radicales libres de oxígeno –superóxido, peróxido de hidrógeno y radicales
hidroxilo– se involucra en la lesión desde hace largo tiempo pero también se sabe que otros
mecanismos que no dependen del oxígeno, por ejemplo el pH, contribuyen a la aparición de daño
tisular. Las respuestas inflamatorias y los problemas en la microcirculación agravan aun más la
situación luego de la reperfusión. La isquemia se asocia con activación de las células de Kupffer,
macrófagos residentes en el hígado. Las células activadas luego de la reperfusión generan especies
reactivas de oxígeno, citoquinas proinflamatorias, quemoquinas y otros mediadores que
contribuyen a la lesión tisular posterior a la isquemia, con la respuesta sistémica y con la falla de
múltiples órganos. Los mediadores inflamatorios, entre ellos factores de complemento activado,
reclutan neutrófilos en el hígado que producen más radicales libres, proteasas y otras enzimas de
degradación tisular. Además, la vasoconstricción de sinusoides inducida por endotelina-1 promueve
el cierre heterogéneo de múltiples vasos, fenómeno que prolonga la isquemia en ciertas áreas del
órgano luego de la reperfusión. Muchos de los mecanismos mencionados son causa de necrosis
oncótica, pero los trabajos recientes indican que en tejidos dañados por isquemia y reperfusión las
células también mueren por apoptosis.
Necrosis oncótica (oncosis) en el daño por isquemia y reperfusión
La primera consecuencia de la isquemia del hígado y de la mayoría de los órganos sólidos es
la pérdida de la síntesis mitocondrial de adenosín trifosfato (ATP). La depleción de ATP se asocia
con edema celular, dilatación del retículo endoplásmico, redondeamiento de las mitocondrias y
formación de protrusiones en la membrana (burbujas). Estas últimas son consecuencia de la falta de
ATP y es probable que representen la respuesta a alteraciones del volumen celular y del
citoesqueleto. Cuando hubo isquemia de corta duración, la formación de protrusiones revierte
rápidamente luego de la reoxigenación. En cambio, la muerte por necrosis persiste durante bastante
tiempo. Justo antes de la muerte celular, los hepatocitos y las células sinusoidales presentan un
estado metaestable caracterizado por la permeabilización de las mitocondrias, alteración de los
lisosomas, unión de las burbujas, edema y liberación de solutos aniónicos. La abertura de los
canales aniónicos sensibles a glicina que transportan cloro y otros aniones orgánicos inician el
estado metaestable y la fase de edema osmótico. La muerte ocurre porque se altera la función de
barrera de la membrana celular y se liberan enzimas y otros elementos. Los cambios histológicos se
conocen como necrosis. La liberación de contenidos celulares también inicia una respuesta
inflamatoria durante la reperfusión. Con el tiempo, los macrófagos eliminan gradualmente los
restos de tejido necrótico, que es reemplazado por tejido cicatrizal.
Hallazgos morfológicos de la apoptosis
Las características morfológicas típicas incluyen condensación del núcleo, marginación de la
cromatina y fragmentación del núcleo y del citoplasma en cuerpos apoptóticos que son fagocitados.
En la descripción original de apoptosis, las organelas permanecen morfológicamente normales, a
diferencia de lo que se registra en la necrosis. Sin embargo, estudios más recientes indican que
durante la apoptosis también hay edema mitocondrial, cambios en el retículo endoplásmico y otras
modificaciones citoplasmáticas. En la apoptosis clásica no hay liberación del contenido intracelular
ni respuesta inflamatoria. En forma típica, este tipo de muerte celular afecta células individuales en
un determinado órgano. En ciertas condiciones la apoptosis no se completa y, por ende, ocurre
necrosis en forma secundaria.
Mecanismos de señalización en la apoptosis hepatocelular
Durante la última década se produjo un notable avance en la comprensión de los mecanismos
de señalización intracelular. Una amplia variedad de mediadores, entre ellos factor de necrosis
tumoral (TNF)-a y ligando del Fas, activan la llamada vía extrínseca de apoptosis. Estos factores
proapoptóticos se unen a los receptores respectivos, fenómeno que en definitiva inicia las señales
intracelulares necesarias para que comience el proceso de muerte celular. Las caspasas son
esenciales en este evento. Sin embargo, en los hepatocitos la señal proveniente del receptor requiere
amplificación mitocondrial con la liberación de factores solubles con capacidad de activación de
caspasas. Entre estos factores, cabe recordar la enzima citocromo c y el factor inductor de apoptosis
que se ubican en el espacio entre las membranas interna y externa de las mitocondrias. El
mecanismo por el cual se liberan estas proteínas aún está en discusión. En los hepatocitos, afirman
los autores, el TNF-a y el Fas promueven el inicio de la mitochondrial permeability transition
(MPT) a partir de la apertura de un poro de alta conducción para solutos con peso molecular de
aproximadamente 1 500 daltons. Como consecuencia de este proceso se produce edema de
mitocondrias, ruptura de la membrana externa y liberación de proteínas del espacio entre ambas
membranas. La proteína Bcl-2 y otros miembros antiapoptóticos de esta familia bloquean la
liberación de citocromo c.
Esta enzima, luego de ser liberada, forma un complejo con el factor 1 activador de apoptosis, con
ATP y con la procaspasa 9. Este complejo, denominado apoptosoma, fragmenta enzimáticamente la
caspasa 9 que, en definitiva, transforma la procaspasa 3 en caspasa 3. Esta última, al actuar sobre
varios sustratos, inicia el proceso final de la apoptosis: contracción celular, burbujas superficiales,
hidrólisis internucleosomal del ADN, externalización de la fosfatidilserina, marginación de
cromatina y lobulación nuclear.
En general la vía 2 de señalización apoptótica a través de los cambios mitocondriales, como se
observa en hepatocitos, es más rápida que la vía 1 y está mejor regulada. Sin embargo, cuando la
vía 2 se bloquea por inhibición de la MPT mediante ciclosporina A, todavía ocurre activación de la
caspasa 3 y de la apoptosis, aunque en forma más lenta que por la vía 1. En este caso no se observa
despolarización mitocondrial, MTP o liberación de citocromo c.
Una tercera vía de apoptosis es la denominada intrínseca que puede o no involucrar la expresión del
gen de p53.
Valoración de apoptosis celular
En la medida que se comprenden mejor los mecanismos que intervienen en este tipo de muerte
celular se producen nuevos métodos para la identificación del proceso. La apoptosis puede
detectarse in vitro e in vivo mediante ensayos enzimáticos, Western blot,
marcación con anexina B (por la exposición de la fosfatidil serina), coloración vital, liberación
de citocromo c y criterios morfológicos. En particular, durante la apoptosis se produce
fragmentación del ADN con un patrón específico en la corrida electroforética (patrón en escalera).
Otro procedimiento ampliamente usado es la detección de la fragmentación enzimática del ADN
mediante la marcación de regiones de doble cadena (técnica TUNEL). Sin embargo, añaden los
autores, la apoptosis involucra una serie de eventos y ninguno de ellos es único a esta forma de
muerte celular. De hecho, la despolarización mitocondrial, el edema y la liberación de citocromo c
también se observan durante la necrosis. Tal vez la activación de la caspasa 3 sea el paso más
específico para distinguir entre apoptosis y necrosis. Aun así, no todas las formas de apoptosis
requieren la activación de la caspasa 3.
La necrosis también induce fragmentación del ADN aunque no internucleosomal. En la
electroforesis en gel este corte se refleja en muchos fragmentos de distinto peso molecular y no con
el patrón en escalera característico de la apoptosis. No obstante, en la necrosis también se ha
descrito esta última forma de fragmentación, probablemente por la activación de endonucleasas
dependientes de calcio. Asimismo, en hígado y otros tejidos, la marcación TUNEL también ocurre
durante la necrosis y en la muerte celular necrótica inducida por tóxicos. De hecho, luego de la
reperfusión del hígado mantenido para trasplante, las mismas células con marcación TUNEL –
presuntamente un indicador específico de apoptosis– también se marcan con azul trípano, un
indicador de necrosis oncótica. Las observaciones en conjunto sugieren hidrólisis posnecrótica del
ADN. En general, el método más confiable para identificar apoptosis consiste en la visualización de
cambios morfológicos.
Apoptosis durante la isquemia y reperfusión hepática
El primer registro de apoptosis en este contexto es de 1996. En corazón, cerebro y otros
órganos también hay evidencia de apoptosis posisquémica.
Luego de 60 minutos de isquemia caliente aumenta considerablemente el número de hepatocitos
apoptóticos. Asimismo, durante la isquemia fría, hay apoptosis de células endoteliales sinusoidales.
La inhibición de caspasas atenúa considerablemente la apoptosis inducida por isquemia fría y
caliente. Las células de Kupffer y las plaquetas inducen apoptosis en las células hepáticas a través
de la liberación de TNF-a.
En los primeros minutos de la reperfusión también se inicia la muerte por necrosis. Luego de la
isquemia caliente, la muerte necrótica inducida por la reperfusión ocurre predominantemente en
hepatocitos y se acompaña de la liberación de enzimas. Luego de la isquemia fría en el contexto de
la preservación del hígado para su posterior trasplante, ocurre necrosis casi exclusivamente en las
células endoteliales de las sinusoides; el proceso se acompaña de poca liberación enzimática. La
magnitud de esta necrosis inducida por reperfusión se correlaciona bien con el fracaso del injerto
luego del trasplante. Cuando se emplean criterios morfológicos estrictos en combinación con
marcación TUNEL, la apoptosis de células endoteliales y de hepatocitos luego de 45 a 120 minutos
de isquemia caliente nunca excede el 2% de las células en riesgo, mientras que se observa necrosis
en más del 90% de las células, aun cuando muchas de las células necróticas son TUNEL positivas.
En cambio, durante la apoptosis inducida por Fas y por TNF-a, que afecta aproximadamente entre
el 15% y el 30% de los hepatocitos, la actividad de la caspasa 3 aumenta 10 a 20 veces, fenómenos
casi ausentes en la muerte por isquemia y reperfusión.
Otro hallazgo interesante, añaden los autores, es que la apoptosis sólo afecta células individuales,
mientras que en la necrosis oncótica se comprometen áreas de células adyacentes. A pesar de que
luego de la isquemia y reperfusión predomina la necrosis sobre la apoptosis, varios grupos
encontraron que los inhibidores de caspasas atenúan el daño. Sin embargo, la protección es sólo
moderada.
La apoptosis en un escenario patológico a menudo promueve inflamación que, en definitiva, amplía
y acelera el daño tisular. Durante la infección por Listeria, la apoptosis hepatocelular
induce reclutamiento de neutrófilos en el hígado. Los hepatocitos en apoptosis producen, a su vez,
grandes cantidades de quemoquinas CXC que atraen más neutrófilos. Los inhibidores de caspasas
descienden la migración de polimorfonucleares hacia el hígado y atenúan el daño por reperfusión.
Es por ello que aun cuando el proceso apoptótico per se se limite a un pequeño número de
células, tiene la capacidad potencial de causar mayor lesión al contribuir a la respuesta inflamatoria.
Necroapoptosis
Gran parte de la confusión en relación con el tipo de muerte involucrado en una determinada
situación se debe a que los mecanismos apoptóticos y de necrosis han sido considerados
independientes cuando, en realidad, pueden existir en forma simultánea incluso compartir algunas
de las vías de señalización. En particular, la MPT interviene en forma importante en la necrosis
oncótica así como en la apoptosis. Durante la isquemia, la glucólisis anaeróbica y la hidrólisis de
ATP se asocian con descenso rápido del pH que protege contra la necrosis a pesar de la depleción
sustancial de ATP. La recuperación del pH a la normalidad favorece y precipita la muerte celular
en el daño por reperfusión. Este mecanismo de lesión dependiente del pH involucra el inicio de
MPT, un fenómeno que se inhibe cuando el pH es inferior a 7. Cuando esto ocurre las mitocondrias
sufren permeabilización de la membrana interna, despolarización y edema. Luego del inicio de la
MPT, la alteración mitocondrial induce una depleción marcada de ATP y muerte celular por
necrosis. La ciclosporina A, un inhibidor específico de la MPT, evita los cambios mitocondriales
inducidos por la MPT. Se estima que sólo un 15% a un 20% del ATP es suficiente para evitar la
muerte por necrosis. Sin embargo, cuando se evita la necrosis mediante el uso de fructosa ocurre
apoptosis dependiente de caspasa 3. La ciclosporina A también previene el proceso apoptótico tal
como lo hacen los inhibidores de caspasas. Por lo tanto, la MPT es un paso obligado en ambos tipos
de muerte celular luego del daño asociado con isquemia y reperfusión.
Cuando se inicia la MPT se producen modificaciones mitocondriales, entre ellas la liberación de
citocromo c. Este último interactúa con el factor 1 activador de apoptosis y promueve activación de
la caspasa 9 que induce activación de la caspasa 3. Sin embargo, la activación de la caspasa 9
dependiente de citocromo c requiere ATP. Es por ello que la presencia o ausencia de ATP puede
actuar como un determinante de necrosis o de apoptosis. Cuando la reperfusión induce MPT y
depleción de ATP, las señales apoptóticas se bloquean a nivel del apoptosoma; la necrosis se
produce como consecuencia directa de la falta de regeneración de ATP. En cambio, si se dispone de
un sustrato para glucólisis se evita la depleción de ATP y no hay necrosis; la apoptosis dependiente
de ATP se inicia por la liberación de citocromo c luego del edema mitocondrial.
De esta forma, la cantidad de ATP necesaria para evitar la necrosis es más que suficiente para
permitir la activación de las caspasas 3 y 9 dependiente de ATP. En forma similar, en hepatocitos
expuestos a ionóforo de calcio, el balance entre la depleción de ATP posterior a la MPT y a la
generación de ATP por glucólisis determina qué tipo de muerte ocurrirá. Así, se ve que un evento
mitocondrial es crucial en este contexto. Asimismo, si bien la necrosis puede pasar a apoptosis, está
última puede derivar en necrosis si la depleción de ATP u otro cambio se asocia con la ruptura de la
permeabilidad de la membrana mitocondrial. Esta necrosis secundaria ocurre, en forma típica,
durante la lesión hepatocelular inducida por anticuerpos contra el Fas. En esta situación, el daño
hepático desencadenado por un ligando del receptor de Fas se asocia con liberación de citocromo c,
activación de la cascada de caspasas, fragmentación del ADN y cambios morfológicos
característicos de la apoptosis antes de que se inicie la necrosis secundaria.
La posibilidad de que el proceso apoptótico pase a necrosis, y viceversa, indica que ambos eventos
no son necesariamente independientes y algunos componentes se comparten, por lo que se le ha
dado el nombre de necroapoptosis o aponecrosis. La isquemia y reperfusión inducen MPT y, por
ende, apoptosis y necrosis, con predominio de uno de ellos según el medio. Cuando ocurre MPT en
sólo algunas mitocondrias se estimula la autofagia y las organelas alteradas son eliminadas en los
lisosomas sin que se inicie la muerte celular. Cuando el daño es mayor y hay más MPT ocurre
apoptosis por la activación de caspasas dependiente de ATP. Con daño mayor aun, el ATP cae a
niveles que no permiten que la apoptosis continúe; entonces hay necrosis oncótica.
Conclusiones
Es común que la necrosis y la apoptosis existan en forma simultánea en el contexto de ciertas
situaciones tóxicas, de hipoxia y de daño inflamatorio. La investigación futura seguramente
permitirá identificar si las células mueren predominantemente por apoptosis o necrosis y con ello
diseñar nuevas estrategias terapéuticas para prevenir la lesión hepática por isquemia y reperfusión.
Autoevaluación de Lectura
¿Qué tipo de muerte tiene lugar en hígado luego de la isquemia y reperfusión?
A. Sólo necrosis.
B. Sólo apoptosis.
C. Ambos.
D. Ninguno.
Respuesta
Correcta
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