Resumen de Efecto de la citoquina pro-inflamatoria Interleuquina-1? (IL-1?) y del factor de transcripción inducible por hipoxia-1? (HIF-1?) en la supervivencia y potencial terapéutico de las células madre mesenquimales
Inmaculada Cerrada Serra
Las enfermedades cardiovasculares son la primera causa de muerte y de hospitalización en los países desarrollados. En España, el 31% del total se debe a la cardiopatía isquémica, siendo el infarto agudo de miocardio (IAM) la principal causa de muerte con un 61%. En el mundo, cada año más de 7 millones de personas sufren infarto de miocardio (Lioyd-Jones, Adams et al. 2009). La cardiopatía isquémica se produce como consecuencia de un flujo coronario deficiente, con el consiguiente déficit en el aporte de oxígeno para cubrir las necesidades metabólicas del miocardio. Las dos principales causas que reducen el flujo coronario, originando como consecuencia cardiopatías isquémicas, son la aterosclerosis y la oclusión coronaria aguda (Libby and Theroux 2005). El metabolismo del miocardio La oclusión de una arteria coronaria origina el cese brusco de la perfusión regional produciendo un cambio en la vía de obtención de la energía. Se produce el cese del metabolismo de ácidos grasos, y comienza la glucólisis anaerobia, generando grandes cantidades de ácido láctico en el tejido cardíaco. En la isquemia coronaria grave, en tan solo 30 minutos, el ATP sintetizado a partir de la energía metabólica de los alimentos se degrada a bifosfato de adenosina, monofosfato de adenosina y adenosina. Si la isquemia continúa se desarrolla acidosis tisular (que es probablemente uno de los agentes causantes de dolor cardíaco en situaciones de isquemia cardiaca) y se produce un flujo de salida de potasio al espacio extracelular; los niveles de ATP siguen disminuyendo por debajo de los requeridos para mantener la función de la membrana celular, y se desencadena el comienzo de la muerte del cardiomiocito (Resano, Fini et al. 2008). Infarto de miocardio Tras la oclusión de la arteria coronaria se produce una disminución o ausencia de flujo sanguíneo en una parte del músculo cardiaco de manera que éste no recibe el aporte necesario de nutrientes y oxígeno. Si el tiempo es suficiente, se produce muerte celular, lo que se denomina infarto agudo de miocardio (IAM). Tras un IAM se produce una disminución del gasto cardíaco, ya que la capacidad de bombeo del ventrículo afectado disminuye. Este efecto se ve exacerbado por la distensión sistólica, y consiste en que en cada sístole el tejido miocárdico sano se contrae, mientras que la zona isquémica, que ha perdido su capacidad contráctil, es incapaz de soportar la presión interna del ventrículo y es empujada al exterior, disipando parte de la fuerza de bombeo para impulsar la sangre desde el ventrículo hacia la circulación. La afectación de la función cardiaca desencadena una insuficiencia cardiaca, que se define como la incapacidad del corazón para bombear la cantidad de sangre necesaria para cubrir las demandas de oxígeno y nutrientes del organismo (Prinzmetal, Schwartz et al. 1949). Etapas de la recuperación del infarto de miocardio y función del corazón En el IAM se produce la muerte de las fibras musculares de la zona central del área donde no hay flujo sanguíneo. El tejidomiocárdico de esta zona no es funcional (aquinético/disquinético), puesto que no es capaz de contraerse adecuadamente y además hay fallo del impulso nervioso. Alrededor de esta zona existe una franja en la que el músculo cardíaco se contrae con debilidad (hipoquinético), debido a la isquemia leve. A medida que va pasando el tiempo (entre unos días y tres semanas), la aparición de circulación colateral hace que parte de las fibras localizadas en el perímetro exterior de la zona no funcional se recupere, mientras que las fibras musculares localizadas en el interior de la zona no funcional y que sufren isquemia prolongada acaben muriendo y, consecuentemente, se produzca un aumento del área de la zona necrótica. El tejido necrótico se va sustituyendo progresivamente por tejido fibroso, que se va contrayendo hasta convertirse en una cicatriz fibrosa más pequeña a lo largo del tiempo (meses o años). Por el contrario, las zonas sanas del miocardio se hipertrofian para compensar en la medida de lo posible la pérdida de músculo cardíaco. Este proceso, conocido como remodelado ventricular, conlleva una disminución del grosor de la pared ventricular infartada y una dilatación ventricular, con el consiguiente deterioro de la función cardiaca. Además, la cicatriz miocárdica es un factor de riesgo para padecer arritmias, ya que la conducción del impulso eléctrico es más lenta que en el tejido sano (Frantz, Bauersachs et al. 2009). Tratamiento del infarto de miocardio Las modalidades terapéuticas actuales para el tratamiento del infarto agudo de miocardio son limitadas y van desde el tratamiento médico en la fase aguda hasta la aplicación de dispositivos de asistencia mecánica al ventrículo izquierdo y el trasplante de corazón. Los objetivos del tratamiento en la fase aguda del infarto son detener la progresión del infarto, reducir las demandas al corazón, controlar el dolor y evitar complicaciones. El tratamiento convencional se basa en el uso de ácido acetil salicílico, oxígeno, analgésicos, nitroglicerina y ¡3-bloqueantes. El siguiente paso, tras estas medidas iniciales, es la reperfusión de la arteria coronaria bloqueada, ya sea de manera farmacológica (trombolisis), de forma mecánica (angioplastia) o ambas (Kjekshus 1986; Alhaddad, Tkaczevski et al. 1995; Mahmarian, Moye et al. 1998; Sakai, Mizuno et al. 2003). El trasplante de corazón es hoy en día el único tratamiento realmente eficaz para la insuficiencia cardiaca debida a un IAM. Sin embargo, está limitado por la escasez de órganos y las complicaciones de la terapia inmunosupresora crónica. Así, el desarrollar estrategias terapéuticas alternativas al trasplante constituye un importante reto y cualquier método capaz de reparar o regenerar el miocardio dañado o isquémico contribuiría de forma muy significativa al tratamiento de las enfermedades cardiovasculares (Lindenfeld, Page et al. 2005). Células madre mesenquimales (MSC): potencial herramienta terapéutica Durante casi una década se ha investigado y dedicado mucho esfuerzo para encontrar solución a las cardiopatías mediante terapia celular, surgiendo así la medicina regenerativa, que consiste en la utilización de células madre con el objetivo de regenerar o reemplazar un tejido dañado y su función. Múltiples trabajos de investigación han utilizado diferentes tipos de células madre adultas y también diversas vías de administración en terapias regenerativas. Entre ellas, las células madre mesenquimales (MSC) parecen ejercer una mayor acción terapéutica, al menos en cuanto a estudios de cardiorregeneración se refiere. Las MSC son células adultas multipotentes identificadas por primera vez por Friedenstein y colaboradores (Friedenstein, Deriglasova et al. 1974), que podemos encontrar en la médula ósea, tejido adiposo, tejido óseo y tejido osteocondral entre otros (Sekiya, Vuoristo et al. 2002). Los marcadores de superficie aislados que los identifican son CD105 (SH2), CD73 (SH3/4), CD44, CD71, CD90 (Thy-1) y Stro-1 y las moléculas de adhesión CD106 (VCAM-1), CD166 (ALCAM), ICAM-1 y CD29. Estas células no expresan marcadores de superficie hematopoyéticos como CD34, CD45, CD14yCD11. La capacidad de las MSC para inhibir la proliferación de las células T tras la estimulación antigénica, al igual que otros tipos celulares inmunocompetentes, otorga a estas células la particularidad de ser poco inmunogénicas (Beyth, Borovsky et al. 2005; Rasmusson 2006; Jones and McTaggart 2008). Diferentes estudios han demostrado que el trasplante intramiocárdico de MSC en corazones que han sufrido un infarto agudo de miocardio conlleva la mejora de la función cardiaca, reducción del adelgazamiento de la pared libre del ventrículo y un incremento en la neovascularización (Gnecchi, Zhang et al. 2008; Mirotsou, Jayawardena et al. 2011; Wen, Zheng et al. 2011). El mecanismo por el cual las células progenitoras son capaces selectivamente de dirigirse a las zonas isquémicas y crear un nicho no está esclarecido. Se piensa en un fuerte efecto paracrino, ya que el número de cardiomiocitos y células vasculares neoformadas teóricamente por trans diferenciación de las MSC o por fenómenos de fusión celular, parece ser demasiado bajo para poder explicar la mejora cardiaca observada (Gnecchi, He et al. 2006; lso, Spees et al. 2007; Prockop 2007; Nguyen, Maltais et al. 2010; Tang, Wang et al. 2011; Timmers, Lim et al. 2011). Además, apoyando esta teoría, se ha demostrado la producción y secreción de citoquinas y diferentes factores de crecimiento, como el factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF, Vascular endothelial growth factor), el factor de crecimiento de hepatocitos (HGF, Hepatocyte growth factor) y el factor 1 de crecimiento insulínico (IGF-1, lnsulin growth factor), por parte de las MSC cuando éstas han sido trasplantadas en un corazón infartado (Nian, Lee et al. 2004; Nah and Rhee 2009). Con esta secreción de diferentes factores se controla el proceso inflamatorio que sigue al infarto agudo de miocardio, además del comportamiento de las células reclutadas y células trasplantadas en el miocardio isquémico. Las MSC en el microambiente isquémico del infarto La cardiomioplastia celular se trata de una técnica en la que células progenitoras adultas se inyectan directamente en el miocardio infartado. A pesar de que diferentes estudios han constatado la mejora de la función del ventrículo izquierdo (VI) y disminución del remodelado ventricular en un corazón infartado, con esta técnica -supervivencia celular tras el trasplante se ve muy limitada obteniendo como consecuencia unos resultados clínicos decepcionantes (Muller-Ehmsen, Krausgrill et al. 2006). Así, el uso de dosis y vía de administración adecuadas para la regeneración tisular, podría no ser útil y, a pesar del adecuado trasplante, las células podrían morir o ser eliminadas del sitio de inyección poco tiempo después debido a una ausencia de señales de adhesión o proliferación o a un estímulo apoptótico excesivo. Sobre-expresión del factor inducible de hipoxia 1a de las células mesenquimales: su papel en la adherencia celular y la función miocárdica. Fuera del periodo de desarrollo embrionario, la médula ósea es el único tejido que contiene una baja concentración de oxígeno tisular, lo que sugiere que el ambiente hipóxico es el nicho fisiológico para las células mesenquimales de médula ósea (BM-MSC) (Cejudo-Martin and Johnson 2005). La hipoxia es la señal más importante del ambiente isquémico implicada en el reclutamiento de células progenitoras. Los factores de transcripción denominados factores inducibles de hipoxia (HIF) se ven activados en condiciones de bajas concentraciones de oxígeno, y regulan la mayoría de los genes inducidos por hipoxia, jugando así un papel fundamental en la respuesta de adaptación de las células frente a la hipoxia (Greijer and van der Wall 2004; Date, Mochizuki et al. 2005; Haddad and Harb 2005). HIF1 es un factor compuesto por 2 subunidades. La subunidad 13 está presente de manera constitutiva, mientras que la estabilidad de la subunidad a y su actividad transcripcional están controladas por la concentración intracelular de oxígeno. En condiciones de normoxia, se produce la hidroxilación de las proteínas HIFa por una familia de prolina hydroxilasas. En cambio, la transcripción de los genes inducibles por hipoxia se produce en condiciones de hipoxia, ya que la falta de oxígeno impide catalizar la reacción de hidroxilación y no se produce la degradación de HIFa. La activación de HIF1a dirige la expresión de múltiples factores como SDF-1, VEGF, HGF y otros, los cuales incrementan la supervivencia celular, estimulan la angiogénesis y provocan la migración celular y reclutamiento tanto de células inflamatorias como progenitoras ayudando a la reparación cardiaca (Ceradini, Kulkarni et al. 2004; Kirito, Fox et al. 2005). HIF1a activa una respuesta adaptativa al daño a nivel celular, y regula el mecanismo sistémico de reparación mediante la dirección específica de la movilización de células progenitoras reparadoras y su posterior formación del nicho, mediante la vía de expresión SDF-1. En condiciones normales, la mayoría de los progenitores están en la médula ósea, retenidos por la alta expresión de SDF-1 inducida por el microambiente hipóxico. Tras daño isquémico, SDF-1 es liberado por el tejido dañado y estimula la movilización de dichas células progenitoras. La expresión endotelial de SDF-1 actúa como una señal indicando la presencia de isquemia, y su expresión está directamente regulada por HIF-1. En situaciones de hipoxia tisular local, las células proliferan y se unen formando estructuras vasculares. Tras la neovascularización, el tejido vuelve a niveles de oxígeno normales, por lo que la expresión de SDF-1 vuelve a la normalidad y se dejan de reclutar células progenitoras (Pugh and Ratcliffe 2003; Kirito, Fox et al. 2005; Ockaili, Natarajan et al. 2005). Estudios de otros grupos han demostrado que el pre-condicionamiento con hipoxia de células precursoras endoteliales puede aumentar la capacidad de reparar miembros isquémicos (Rosova, Dao et al. 2008). Así pues, una forma de incrementar, por un lado, la viabilidad y migración de las MSC in vivo y, por otro, de aumentar su capacidad terapéutica, es transfectarlas de forma estable con vectores que expresen HIF-1a de forma condicional o no. Además, puesto que el entorno fisiológico de las células mesenquimales de médula ósea es hipóxico, la sobre-expresión del factor inducible por hipoxia HIF-1a podría inducir en ellas mecanismos que favorecieran su poder terapéutico Efecto de la IL-1p en la adhesión y migración de las células madre mesenquimales de la médula ósea: el papel en la regeneración miocárdica Las células madre mesenquimales se han convertido en una opción terapéutica para diferentes patologías como son el infarto de miocardio, la osteogénesis imperfecta ó la reparación de heridas (Pereira, O'Hara et al. 1998; Dezawa, lshikawa et al. 2005; McFarlin, Gao et al. 2006; Chen, Tredget et al. 2008) Estudios previos de nuestro grupo muestran que las células madre mesenquimales de médula ósea (bone marrow- Mesenquimals Stem Cells, BM-MSC) son capaces de migrar in vivo a través del tejido miocárdico isquémico e inflamatorio, y que las células trasplantadas mediante inyección intramiocárdica reclutan células inflamatorias que contribuyen a la cicatrización del infarto; estos resultados son consistentes con otras publicaciones {Arminan, Gandia et al. ; Kawada, Fujita et al. 2004; Zhang, Fan et al. 2008). La respuesta inflamatoria asociada a la isquemia durante la oclusión coronaria está mediada por la liberación de lnterleuquina-1(IL-1) y del factor de necrosis tumoral a (Tumor Necrosis Factor-a, TNF-a) por parte de los leucocitos; principalmente macrófagos y neutrófilos. La reabsorción del tejido necrótico y, por tanto, el remodelado ventricular se ven favorecidos por la sobreexpresión de IL-1en la fase aguda del infarto, junto con IL-6 (cuya secreción se ve inducida por TNF-a) (Sica, Matsushima et al. 1990; Sica, Wang et al. 1990; Ortiz, Dutreil et al. 2007) IL-1es un importante mediador en la respuesta inflamatoria, además de jugar un papel en actividades celulares tales como proliferación y diferenciación celular y apoptosis. Tanto IL-1como TNF-a inducen la expresión de moléculas de adhesión y de otras citoquinas que atraen a células inflamatorias hacia el sitio de la lesión; además estimulan la proliferación de células endoteliales y fibroblastos, que aumentan el aporte sanguíneo en el sitio de la lesión y contribuyen a la formación del tejido cicatricial (Kim, Park et al. 2009). En este sentido, y puesto que las MSC han demostrado ejercer un efecto terapéutico en enfermedades, es importante estudiar los mecanismos celulares desencadenados en entornos isquémicos e inflamatorios.
