Resumen de El papel del ejercicio físico en la inducción de BDNF y sus vías de señalización en el sistema nervioso central. Aplicación neurobiológica en modelos sanos y terapéutica en la enfermedad de Alzheimer
La actividad física previene numerosas patologías y mejora muchos rasgos fisiopatológicos en diferentes enfermedades. El ejercicio ha sido asociado clásicamente con beneficios en desórdenes musculares y metabólicos. Sin embargo, los efectos del ejercicio en la función cerebral, especialidad conocida como “Neurobiología del ejercicio”, han cobrado gran importancia en los últimos años. Los efectos beneficiosos del ejercicio físico han sido establecidos en muchas enfermedades tales como la enfermedad de Alzheimer, el Parkinson, la esclerosis lateral amiotrófica, la esquizofrenia, el trastorno bipolar y los trastornos depresivos, entre otros. Estos hallazgos han llevado a utilizar el ejercicio físico como una estrategia terapéutica coadyuvante, no sólo en el campo de la investigación sino también en la práctica clínica. De acuerdo con una gran cantidad de evidencias, el ejercicio no sólo restaura las alteraciones fisiológicas de numerosas enfermedades neuropsiquiátricas sino que también mejora la función cerebral, la cognición y el estado psicológico de personas sanas a lo largo de la vida. El ejercicio físico ejerce su acción en el cerebro a través de diferentes vías moleculares y mecanismos fisiológicos. Algunas de ellas incluyen la prevención del estrés oxidativo, la liberación de endorfinas, el restablecimiento de la señalización dopaminérgica así como aquellas acciones mediadas por los factores neurotróficos, entre otros. Los factores neurotróficos son factores de crecimiento con diferentes fuentes y vías de acción. Aunque esta familia incluye numerosos factores, cabe destacar el factor de crecimiento similar a la insulina 1 (IGF-1), el factor de crecimiento vascular endotelial (VEGF), el factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), el factor de crecimiento nervioso (NGF) y las neurotrofinas 3 y 4/5 (NT-3 y NT-4/5 respectivamente). Las principales acciones mediadas por estos factores incluyen la neurogénesis hipocampal, la reparación neuronal, axonogénesis, dendrogénesis y la modulación de la transmisión sináptica, lo que conduce a una mayor plasticidad cerebral. Las consecuencias funcionales de esta modulación incluyen una mejora en la potenciación a largo plazo en procesos relacionados con la memoria y el aprendizaje, así como efectos ansiolíticos y antidepresivos. De todos los factores neurotróficos estudiados, BDNF es uno de los más importantes ya que media efectos tróficos pleiotrópicos en el cerebro. Además, también es uno de los principales factores neurotróficos inducidos por ejercicio físico crónico y agudo. Se han encontrado altos niveles de BDNF en cerebros de personas entrenadas, a través de análisis post mortem y estudios in vivo utilizando sangre extraída de la yugular, así como en estudios con animales entrenados. Su inducción cerebral ocurre principalmente en el hipocampo y en el sistema límbico por lo que ha sido asociada con numerosas mejoras cognitivas y psicológicas. No existe todavía consenso sobre las condiciones adecuadas de procesamiento de la sangre para estandarizar la medida de BDNF periférico en estudios con ejercicio físico. Las muestras de suero, plasma, sangre total y plasma rico en plaquetas con diferentes condiciones de procesamiento son usadas indistintamente en la literatura. Esto lleva a encontrar inconsistencias entre los estudios. La presente Tesis Doctoral tiene como objetivo clarificar, por un lado, los efectos del ejercicio agudo y el entrenamiento en los niveles de factores neurotróficos en sangre humana, así como el protocolo metodológico adecuado para el análisis de BDNF. Otro objetivo ha sido determinar las vías de señalización moleculares implicadas en los efectos beneficiosos del entrenamiento físico en dos modelos murinos para la enfermedad de Alzheimer. Por último, nos planteamos evaluar el posible efecto sinérgico beneficioso del ejercicio físico y un mimético farmacológico de BDNF en ratas sanas. En nuestro primer modelo experimental dividimos en dos grupos a adolescentes sanos de acuerdo a sus hábitos de ejercicio físico. El grupo entrenado incluía miembros de un equipo ciclista profesional, y por tanto altamente entrenados. El grupo control incluía sedentarios con las mismas características. Comparamos los niveles sanguíneos de IGF-1 y BDNF de ambos grupos en el periodo de pre-temporada y post-competitivo. Evaluamos el posible efecto del BDNF circulante en la activación de proteína de unión al elemento de respuesta al cAMP (CREB) en células sanguíneas mononucleares. Todos los participantes fueron también evaluados a través de análisis antropométricos, hematológicos y calorimétricos. Los niveles sanguíneos de BDNF e IGF-1 se mostraron incrementados en los adolescentes deportistas comparados con los controles sedentarios cuando se analizaron durante el periodo de pretemporada, caracterizado por implicar exigencias físicas moderadas. Este incremento no afectó a la activación de CREB. Las diferencias entre ambos grupos desaparecieron cuando se compararon los niveles de factores neurotróficos en el periodo post-competición, caracterizado por unas exigencias máximas en el rendimiento físico. En nuestro segundo modelo experimental determinamos el efecto de una sesión de ejercicio agudo en los niveles sanguíneos de BDNF en adultos sanos, bajo diferentes condiciones de procesamiento de las muestras en un análisis longitudinal (basal, inmediatamente al terminar el ejercicio y a los 30 y 60 minutos de recuperación). Las muestras sanguíneas que analizamos incluyeron el suero coagulado durante 10 minutos y 24 horas; plasma con EDTA, con y sin plaquetas; y sangre total. Encontramos un incremento de los niveles de BDNF tras la sesión de ejercicio agudo en las muestras de suero coagulado durante 24 horas y las de sangre total. Estos cambios no se evidenciaron cuando analizamos las muestras de suero coagulado durante 10 minutos, plasma total y plasma sin plaquetas. La interferencia de los anticoagulantes utilizados para el plasma y la irregular activación de las plaquetas en el suero coagulado 10 minutos produce una gran variabilidad en los niveles de BDNF. También encontramos que la temperatura de procesado de las muestras y la hemoconcentración son factores relevantes a tener en cuenta en estos estudios. En nuestro tercer modelo experimental utilizamos ratones no transgénicos y doble transgénicos (2xTg) para la enfermedad de Alzheimer. Dividimos los animales en dos grupos: sedentario y ejercicio. A los 10 meses de edad, los grupos entrenados fueron sometidos a 12 semanas de una combinación de entrenamiento forzado y voluntario. Sometimos a todos los animales a diferentes tests psicológicos y físicos. También determinamos el consumo de glucosa cerebral mediante tomografía por emisión de positrones y los marcadores bioquímicos relacionados con los niveles de ?-amiloide (?A) (1-42) y su modulación a través de la proteína relacionada con el receptor de lipoproteínas de baja densidad 1 (LRP1), la señalización de BDNF (niveles de tirosina quinasa B (TrkB) y la activación de CREB), daño oxidativo (malondialdehído, glutatión y carbonilación proteica), niveles de enzimas antioxidantes (superóxido dismutasa dependiente de cobre/zinc y manganeso (Cu/Zn-SOD y Mn-SOD), glutatión peroxidasa (GPx) y catalasa (CAT)), y el contenido (citocromo-C) y biogénesis mitocondrial (coactivador-1? del receptor activado de proliferación de los peroxisomas gamma, PGC-1?). El entrenamiento mejoró el comportamiento de los ratones 2xTg así como su rendimiento físico. Estas mejoras estuvieron acompañadas de una disminución del ?A (1-42) hipocampal en los ratones 2xTg. El daño oxidativo cerebral y sistémico, LRP1 y BDNF hipocampal se mostraron disminuidos en los 2xTg mientras que el ejercicio no afectó. Sin embargo, el consumo de glucosa cerebral fue superior en los ratones transgénicos y la defensa antioxidante cerebral, mediada por la CAT, incrementó en los ratones 2xTg tras el entrenamiento. Nuestro cuarto modelo experimental incluyó un modelo triple transgénico (3xTg) para la enfermedad de Alzheimer y ratones no transgénicos como control. Además, dividimos a los animales en el grupo ovariectomizado y en el grupo con cirugía simulada. Tratamos a los animales con ejercicio voluntario durante 12 semanas cuando tenían 6 meses de edad (grupos ejercicio) y mantuvimos sedentarios a los grupos controles. Finalmente utilizamos ocho grupos experimentales que incluían el modelo de Alzheimer y/o el climaterio artificial y/o el tratamiento con ejercicio. Sacrificamos a los animales y analizamos diversos biomarcadores cerebrales entre los que se incluyeron los niveles de ?A y tau hiperfosforilado, la vía amiloidogénica (C99/APP), los niveles de BDNF y su señalización a través de TrkB y CREB, PGC-1? y la expresión de las enzimas antioxidantes GPx, Mn-SOD and CAT. El entrenamiento físico implementado a los ratones 3xTg y la ovariectomía no afectaron a los niveles de ?A ni a la fosforilación de tau cerebral. El ejercicio, sin embargo, previno parcialmente la vía amiloidogénica en todos los casos. Además, el entrenamiento incrementó los niveles de BDNF hipocampal en los 3xTg, ovariectomizados y sus controles. Encontramos un incremento en la activación de CREB en los ratones no transgénicos y 3xTg no ovariectomizados sometidos a ejercicio. Asimismo, la expresión de CAT hipocampal incrementó en los ratones 3xTg, entrenados y sedentarios, mientras que la ovariectomía los redujo. Esta disminución fue revertida mediante el ejercicio físico. Finalmente, en el quinto modelo experimental perseguimos evaluar el posible efecto sinérgico de 6 semanas de ejercicio físico y el mimético farmacológico de BDNF, 7,8-dihidroxiflavona (7,8-DHF), en ratas jóvenes sanas. Usamos cuatro grupos experimentales que incluyeron el grupo entrenado, el tratado con 7,8-DHF y el grupo sometido a la combinación de ejercicio y 7,8-DHF. Evaluamos la cognición de los animales a través del test de reconocimiento de objetos y el estado comportamental a través del test de campo abierto. El tratamiento con 7,8-dihidroxiflavona y/o ejercicio forzado no mostró un efecto sinérgico en los parámetros psicológicos analizados. El aprendizaje y la memoria no mejoraron, mientras que el comportamiento exploratorio incrementó con todos los tratamientos, aunque principalmente con el ejercicio físico. Teniendo en cuenta todos nuestros hallazgos podemos concluir que tanto el ejercicio agudo como el entrenamiento incrementan los niveles periféricos de BDNF en humanos mientras que el entrenamiento mejora los rasgos fisiopatológicos y funcionales de dos modelos diferentes de enfermedad de Alzheimer. Así, el ejercicio ejerce beneficios cerebrales a través de un amplio abanico de mecanismos fisiológicos que incluyen la modulación de BDNF.
