Mecanismele neuroinflamatorii în accidentul vascular cerebral ischemic neonatal

REZUMAT

Mecanismele neuroinfl amatorii în accidentul vascular cerebral ischemic neonatal în baza studiului bibliografi c sunt abordate în lucrare. Accidentul vascular cerebral (AVC) este o boală rară la copii, cu o incidenţă estimată între 2-13/100000 și un impact semnifi cativ asupra morbidităţii și mortalităţii. AVC ischemic cel mai des apare în perioada prenatală și în primele 28 de zile cu o frecvenţă de 1:4000 de nou-născuţi vii. Neuroinfl amarea reprezintă unul dintre principale mecanisme care stau la baza apariției și dezvoltării AVC. În acest context, este actuală și importantă studierea markerilor infl amatorii responsabili pentru debutul și patogeneza AVC la copii. În lista biomarkerilor infl amatorii menționați în articol sunt: citokinele proinfl amatorii, cum ar fi IL-6, IL-1β, dar și alte molecule și factori biologici, incluzând factorul vascular endotelial de creștere (VEGF), factorul ciliar neurotrofi c (CNTF), proteina S100B, endoglina CD 105, anticorpii antifosfolipidici (AAF). Sinteza datelor literaturii denotă că AVCI este defi nit prin pierderea funcţiei cerebrale cauzate de diminuarea fl uxului sanguin cerebral în aria afectată. După ce se produce AVCI, aportul de sânge la țesutul cerebral afectat este redus, ceea ce duce la privarea de oxigen în celulele creierului. Angiogeneza apare în creierul uman după AVC suportat. Ischemia induce o creștere semnifi cativă a densității microvasculare, un semn al angiogenezei, în penumbra infarctului cerebral. Cunoașterea mecanismelor neuroinfl amatorii responsabile de debutul și patogeneza AVCI neonatal este importantă pentru aprecierea răspunsurilor infl amatorii după AVCI la copii. Concluzii: Stabilirea etiologiei AVC la copii este un domeniu foarte important, fi ind cauzat de factorii etiologici multipli, diferiţi faţă de adult. Variatele aspecte etiopatogenetice ale AVC la copii sunt concepute, preponderent, prin prisma factorilor de risc. Neuroinfl amarea constituie mecanismul patogenetic principal care stă la baza dezvoltării AVC la copii. Nivelul periferic al markerilor infl amatorii responsabili pentru debutul și patogeneza AVC este important pentru aprecierea răspunsurilor infl amatorii apărute după un AVC la copii.

Cuvinte-cheie: accident vascular cerebral ischemic neonatal, copii, neuroinfl amarea etiopatogeneza.

Accidentul vascular cerebral (AVC) ischemic cel mai des apare în perioada prenatală și în primele 28 de zile cu o frecvenţă de 1:4000 de nou-născuţi vii [7]. AVC-ul poate avea loc în timpul sarcinii sau imediat după naștere, fără simptome marcante [7, 8]. AVC ischemic neonatal ridică numeroase aspecte datorită morbidităţii semnificative care dezvoltă  deficite neurologice și cognitive severe pe termen lung, inclusiv paralizie cerebrală, epilepsie, tulburări neuropsihologice și tulburări de comportament.

Neuroinflamarea reprezintă unul dintre principalele mecanisme care stau la baza apariției și dezvoltării AVC. În acest context, este actuală și importantă studierea reviewului literaturii privind markerii inflamatori responsabili pentru debutul și patogeneza AVC la copii [8, 13]. Studiile clinice și investigațiile cercetătorilor din domeniu au arătat că răspunsurile inflamatorii după AVC la copii sunt diferite față de adulți [6].

De la actualizarea crescândă a literaturii științifice biomoleculare, biomarkerii în AVCI au atins o revizuire remarcabilă în ultimii ani. În afară de rolul diagnostic și prognostic al unor markeri inflamatori, multe alte molecule și factori biologici au fost adăugați în listă, incluzând citokine derivate din țesuturi, molecule asemănătoare factorului de creștere, hormoni și micro ARN [6]. Până în prezent, biomarkerii reprezintă o posibilă provocare în diagnosticarea și evaluarea prognostică a debutului, patogenezei și recuperării AVC. Multe molecule sunt încă în curs de investigare și pot deveni biomarkeri promițători și încurajatori. Cercetarea experimentală și clinică ar trebui să sporească această listă și să promoveze noi descoperiri în acest domeniu, pentru a îmbunătăți diagnosticul și tratamentul AVC pediatric [7].

Datele din literatura științifică biomoleculară pun în evidență rolul major al biomarkerilor în diagnosticarea, evaluarea prognosticului neurologic, patogenezei și recuperării AVC la copii. În lista biomarkerilor sunt incluși unii markeri inflamatori: citokinele proinflamatorii, cum ar fi IL-6,IL-1β, dar și alte molecule și factori biologici, incluzând factorul vascular endotelial de creștere (VEGF), factorul ciliar neurotrofic (CNTF), proteina S100B, endoglina CD 105, anticorpii antifosfolipidici (AAF) etc. [1,10,13,14].

Pe lângă rolul diagnostic și prognostic al unor markeri inflamatori, cum ar fi IL-6, TNF-a sau IL1β, multe alte molecule și factori biologici în compartimentul seric sau plasmă au fost adăugați pe listă, citokine (miocine, adipokine), molecule de tip factor de creștere, hormoni și micro ARN. Neuroinflamarea reprezintă mecanismul principal care stă la baza apariției și dezvoltării AVC, iar nivelul periferic al factorilor imuno-solubili și al celulelor imune trebuie să dea dovadă fie pentru debutul și patogeneza AVC, fie pentru recuperarea acestuia [6,7,8].

Endoglina (ENG, cunoscută și ca CD105) este un receptor asociat cu factorul de creștere β (TGFβ), fiind necesară atât pentru vasculogeneză, cât și pentru angiogeneză [5]. Angiogeneza este importantă în dezvoltarea vascularizării cerebrale și în patogeneza bolilor vasculare cerebrale. ENG este o componentă esențială a complexului de activare a sintezei de oxid de azot endotelial.

Studiile la animale au arătat că deficiența ENG afectează recuperarea accidentului vascular cerebral. Deficiența ENG afectează, de asemenea, reglarea tonusului vascular, care are o contribuție în patogeneza malformațiilor arteriovenoase cerebrale și a vasospasmului [11]. Studiile efectuate de Choi E.J., Walker E.J. și alții au arătat că ENG a fost foarte exprimată în regiunea de penumbră lezională a AVC uman, unde a fost găsită o creștere a angiogenezei [5]. Rolul ENG în AVC este extrem de complex. Astfel că, expresia ENG amplifică semnalizarea factorului tumoral de creștere (TGFβ) și promovează remodelarea noului perete vascular [8]. Supraexpresia ENG protejează, de asemenea, celulele endoteliale împotriva apoptozei induse de TGFp. Reducerea apoptozei celulelor vasculare după hipoxie îmbunătățește aportul de sânge la țesutul ischemic. Creșterea expresiei ENG în celulele endoteliale ar putea fi, de asemenea, periculoasă, deoarece permeabilitatea barierei hematoencefalice poate fi crescută în unele dintre capilarele care exprimă un nivel ridicat de ENG, fiind însoțită de infiltrarea celulelor mononucleare în țesutul cerebral adiacent [7]. Aceste constatări sugerează că supraexpresia pronunțată a ENG ar putea afecta integritatea peretelui vasului. În același timp, lipsa expresiei ENG poate indica daune vasculare severe [5]. ENG este implicată în patogeneza leziunilor cerebrale post-ischemice la om. Anormalitatea ENG ar putea conduce la deteriorarea neurologică pe termen lung sau apariția tulburărilor cognitive după un AVCI acut [11].

Factorul de creștere endotelial vascular (VEGF) a fost asociat recent cu BDNF ca biomarker al AVC, deși cu unele critici [4]. La modelele animale, factorul neurotrofic (CNTF), care este reglat endogen în cadrul unui debut de AVC, mediază neurogeneza și procesele antiinflamatorii [11]. Până în prezent nu există dovezi cu privire la rolul CNTF plasmatic în AVC, deși nivelurile circulante ale acestei neurotrofine au beneficiat de mult mai multă importanță în studiul pacienților cu scleroză amiotrofică laterală [5]. Factorii de creștere vasculară endotelială (VEGF) s-au dovedit a participa la ateroscleroză, arteriogeneză, edem cerebral, neuroprotecție, neurogeneză, angiogeneză, fenomene postischemice cu repararea ulterior a vaselor, având impact și asupra efectelor celulelor stem transplantate în AVC experimental. Cele mai multe dintre aceste procese implică VEGF-A și receptorul acestuia, VEGFR-2. Astfel că VEGF-B, factorul de creștere placentară și VEGFR-1 au fost implicate doar în unele cazuri. Căile de semnalizare VEGF reprezintă obiective potențiale importante pentru tratamentul acut și cronic al AVC [4, 5].

VEGF-A este un mediator principal al angiogenezei cerebrale, care are valori crescute după AVC la rozătoare și la oameni [4]. Angiogeneza creierului este un proces bine controlat, fiind reglat de factorii de creștere derivați neuroectodermici care se leagă la receptorii tirozinkinazelor exprimați pe celulele endoteliale [5]. În creierul de șobolan, angiogeneza este completă în jurul zilei postnatale 20. Cu toate acestea, în creierul adult în condiții patologice cum ar fi hipoxia / ischemia și creșterea tumorii cerebrale, celulele endoteliale pot prolifera. Dovezile actuale sugerează că angiogeneza fiziologică în creier este reglată prin mecanisme similare, la fel ca și în angiogeneza patologică indusă de tumori sau de hipoxie/ischemie. Mitogenul celular endotelial de inducție în hipoxie, factorul de permeabilitate vasculară și VEGF pare să joace un rol esențial în majoritatea acestor procese [4]. VEGF se exprimă atunci când angiogeneza este crescută, ca și în neuroectodermul embrionar, în glioblastoame și în jurul infarctului. Însă, se exprimă prin niveluri scăzute în absența angiogenezei, la fel ca în neuroectodermul adult. Pe de altă parte, inducerea angiogenezei prin factori de creștere (proangiogeneză) se poate dovedi a fi o terapie rațională pentru pacienții cu AVC [4, 5].

Proteina S100B este cel mai bine studiat biomarker în AVC. Aceasta posedă proprietăți intracelulare și extracelulare. Intracelular, proteina S100B este parte a homeostazei calciului, transferând astfel semnale de la mesagerii secundari [1]. Această proteină este implicată în diferențierea celulară și progresia ciclului celular având și efectul de inhibarea apoptozei dacă este aplicată în condiții experimentale. Extracelular, atât în fiziologia normală, cât și în condiții traumatice, proteina S100B stimulează neurogeneza și plasticitatea neuronală, are efect neuromodulator și intensifică procesele implicate în memorie și învățare [2]. Majorarea nivelelor extracelulare ale proteinei S100B s-a dovedit a duce la disfuncție neuronală sau la moartea celulelor datorită unui răspuns inflamator care stimulează astrocitele și microglia pentru ca acestea să recruteze și să producă citokine proinflamatorii, cu creșterea ulterioară a nivelelor extracelulare de calciu și activarea oxidului de azot, cu efecte dăunătoare. Unele studii evidențiază diferite efecte ale proteinei S100B ce depind de receptorul pentru produse endoglicante avansate, care este reglat de nivelele crescute ale proteinei S100B și care poate provoca activarea genelor proinflamatorii [1, 2].

Sinteza datelor literaturii denotă că AVCI este definit prin pierderea funcţiei cerebrale cauzate de diminuarea fluxului sanguin cerebral în aria afectată. După ce se produce acest accident, aportul de sânge la țesutul cerebral afectat este redus, ceea ce duce la privarea de oxigen a celulelor creierului. Angiogeneza apare în creierul uman după AVC suportat. Ischemia induce o creștere semnificativă a densității microvasculare, un semn al angiogenezei, în penumbra infarctului cerebral [3, 14]. Gradul de creștere al densității vaselor în penumbra ischemică este corelat pozitiv cu rata de supraviețuire a pacienților cu AVC [1]. În plus, angiogeneza crescută a fost asociată cu ameliorarea rezultatelor funcționale atât la modelele animale, cât și la pacienții cu AVC [13].

Cercetătorii Clémence Guiraut ș.a. au demonstrat că în urma AVC cresc nivelele de citokine ca urmare a creșterii producției de celule inflamatorii, gliale și neuronale cu IL-1, IL-6, IL-10, factorul de necroză tumorală-alfa (TNF-a) și factorul de creștere transformator-beta (TGF-β), acesta fiind cel mai studiat în AVC [9]. IL-1β și TNF-α au fost asociate cu exacerbarea leziunilor în cadrul AVC, în timp ce s-a constatat că IL-6, IL-10 și TGF-β au efecte neuroprotective [8] (fig. 1).

Inflamația și coagularea sunt procese strâns legate în mod bidirecțional. De exemplu, trombina, care este un activator al cascadei de coagulare, este, de asemenea, capabilă să inducă expresia citokinelor și chemokinelor proinflamatorii de către celulele endoteliale. Trombocitele nu numai că sunt implicate în coagulare pentru a proteja organismul de deteriorarea peretelui arterial dar sunt implicate și în captarea și eliminarea agenților bacterieni. Prin urmare, procesul trombotic este asociat cu migrarea la locul de leziune a celulelor imune, ceea ce poartă denumirea de proces imunotrombotic [2]. Trombocitele activate au un rol important în imunotromboză; acestea contribuie la migrarea neutrofilelor și monocitelor, aderența  și activarea acestora induce răspuns proinflamator. Aceste celule imune ar putea induce o inflamație devastatoare în interiorul peretelui unei artere trombozate, ceea ce ar declanșa o ocluzie și tromboză ulterioară, așa cum s-a observat în coagularea intravasculară diseminată ulterior sepsisului. Prin urmare, procesele imunotrombotice care apar în interiorul lumenului și procesele inflamatorii ar putea face parte dintrun cerc vicios care relevă fiziopatologia AVC-urilor ischemice neonatale, chiar și în cadrul unui proces embolic primar care declanșează inflamația peretelui arterial.

Pe baza constatărilor clinice și preclinice de mai sus, AVC ischemic neonatal rezultă în urma mecanismelor ce combină inflamația perinatală și ischemia hipoxică (IH). În contrast cu IH sau inflamația postnatală care apare cu cel puțin 24 de ore înainte de IH, în cadrul studiilor preclinice s-au demonstrat a fi neuroprotective, inflamația prenatală sensibilizează creierul imediat la leziuni postnatale de tip IH [8]. La nou-născuți, o astfel de expunere inflamatorie prenatală (de exemplu din cauza corioamnionitei) ar putea fi implicată în agravarea leziunilor IH. Căile inflamatorii implicate în IH și infecția/inflamația caracteristice AVC-urilor ischemice neonatale sunt prezentate mai jos.

Prima fază a leziunii în AVCI neonatal are loc între 0 și 6 ore după expunerea la hipoxie-ischemie (HI) sau infecție/inflamație plus HI [12]. Această fază se caracterizează prin diferite tipuri de moarte celulară, incluzând necroza și necroptoza. Leziunile celulare primare vor induce activarea mai multor cascade inflamatorii. Expunerea la lipopolizaharide (LPS) și la HI duce la activarea diverselor mecanisme de răspuns celular în interiorul neuronilor, ceea ce duce la o supraexpresie a IL-1β, sinteza factorului de necroză tumorală (TBF-α) indusă de factorul nuclear-kB (NFκB), activarea inflamasomului. Aceste fenomene vor duce în continuare la activarea celulelor gliale și creșterea inflamației prin eliberarea de specii reactive de oxigen (SRO) și a mai multor molecule inflamatorii [10]. Stresul celular neuronal asociat cu AVC ischemic se datorează în principal combinației dintre insuficiență energetică, excesului de Ca2 + intracelular și a eliberării glutamatului, precum și a dezechilibrului ionic și a stresului oxidativ. Toate aceste mecanisme determină moartea celulelor neurale. Moartea celulară, necroza și necroptoza apar între 0 și 6 ore după expunerea la IH sau alte mecanisme patogenetice în combinație cu IH.

Cercetătorii Antoine Giraud ș.a. au constatat că expunerea la lipopolizaharide și IH duce la formarea unui cerc vicios în care are loc autodistrugerea neuronală, fiind mediată de mediatorii inflamației: IL1β, TNF-α, se atestă producerea speciilor reactive de oxigen (ROS) și apoptoza indusă de protein kinazele mitogen-activate (MAPK) [8]. Lipopolizaharidele combinate cu IH duc la activarea glială și sinteza moleculelor neurotoxice, precum metaloproteinaza matricială indusă de IL-1β, oxidul nitric (NO) și NO sintaza inductibilă (iNOS). Atunci când creierul este expus la acțiunea lipopolizaharidelor și IH, NO și IL-1β își potențează efectul și contribuie la distrugerea barierei hematoencefalice (BHE) prin degradarea laminei vaselor intracere brale. În urma acestei leziuni mediatorii proinflamatori și/sau neurotoxici pot pătrunde liber prin BHE. Necroptoza reprezintă moartea celulară precoce și este declanșată de mediatorii inflamatori TNF-α și receptori  din familia TNF (TNFR): TNFR-1, FAS și TLR (preponderent TLR-3 și TLR-4). Necrozomul este un complex care necesită prezența receptorului activat ce interacționează cu protein kinaze (RIP-1, RIP-3) și a pseudo-kinazei (MLKL) pentru a executa necroptoza. Toate mecanismele prin care MLKL induce moartea celulară nu sunt complet elucidate. S-a demonstrat că expresia cerebrală a TNF-α a fost declanșată sub acțiunea lipopolizaharidelor și expunerea la IH [6].

Faza secundară apare între 24 și 72 de ore după AVCI neonatal și include procese precum apoptoza celulară, anoikizisul și autofagia. În ansamblu, aceste procese vor induce activarea endoteliului vascular cerebral și, în continuare, posibil cu lezarea barierei hematoencefalice și infiltrarea leucocitelor în creier. Studiile preclinice au arătat că mecanismele apoptotice au rol neuroprotectiv [8] (fig. 2).

Este cunoscut că mecanismele morții celulare prin apoptoză și autofagie se intersectează și că autofagia poate bloca apoptoza prin sechestrarea mitocondriilor. Inducerea autofagiei imediat după IH neonatal poate fi un mecanism neuroprotector care va limita apoptoza. Pe de altă parte, autofagia pare să fie implicată în moartea celulară indusă de IH. În plus, o altă formă de apoptoză – anoikizis, ar putea urma expunerii la IH și/sau inflamație [9].

CONCLUZII

Stabilirea etiologiei AVC la copii este un domeniu foarte important, el fiind cauzat de factori etiologici multipli, diferiţi faţă de adult. Variatele aspecte etiopatogenetice ale AVC la copii sunt concepute, preponderent, prin prisma factorilor de risc. Neuroinflamarea constituie mecanismul patogenetic principal care stă la baza dezvoltării AVC la copii. Nivelul periferic al markerilor inflamatorii responsabili pentru debutul și patogeneza AVC este important pentru aprecierea răspunsurilor inflamatorii apărute după un AVC la copii.

BIBLIOGRAFIE

1. Ambree O, Bergink V, Grosse L, Alferink J, Drexhage HA, Rothermundt M, Arolt V, Birkenhager TK (2016) S100B serum levels predict treatment response in patients with melancholic depression. Int J Neuropsychopharmacol 19:pyv103
2. Bouvier D, Fournier M, Dauphin JB, Amat F, Ughetto S, Labbe A, Sapin V (2012) Serum S100B determination in the management of pediatric mild traumatic braininjury. Clin Chem 58:1116–1122
3. Brochu M.E., Girard S., Lavoie K., Sébire G., Developmental regulation of the neuroinfl ammatory responses to LPS and/or hypoxia-ischemia between preterm and term neonates: an experimental study, Journal of neuroinfl ammation, 2011, p.1-14
4. Choi EJ, Walker EJ, Shen F, Oh SP, Arthur HM, Young WL, Su H. Minimal homozygous endothelial deletion of Engwith VEGF stimulation issuffi cient to cause cerebrovascular dysplasia in the adult mouse. Cerebrovasc Dis. 2012;33:540–7.
5. Choi EJ, Walker EJ, Degos V, Jun K, Kuo R, Pile-Spellman J, Su H, Young WL. Endoglindefi ciency in bone marrow issuffi cient to cause cerebrovascular dysplasia in the adult mouse after vascular endothelial growth factor stimulation. Stroke. 2013;44:795–8.
6. Coelho Junior H. J., Gambassi B. B., Diniz T. A., et al. Infl ammatory mechanisms associated with skeletal muscle sequelae after stroke: role of physical exercise. Mediators of Infl ammation. 2016; 2016:19. doi: 10.1155/2016/3957958.3957958
7. Grunt S., Mazenauer L., Buerki S.E., Boltshauser E., Mori A.C., Datta A.N., Incidence and outcomes of symptomatic neonatal arterial ischemic stroke, Pediatrics, 2015, p. 1220-1228
8. Giraud A., Guiraut C., Chevin M., ChabrierStéphane, Sébire G., Role of Perinatal infl ammation in Neonatal Arterial ischemic Stroke, Frontiers in neurology, Volume 8, article 612, 2017
9. Guiraut C., Cauchon N., Lepage M., Sébire G., Perinatal arterial ischemic stroke is associated to materno-fetal immune activation and intracranial arteritis, International Journal of Molecular Science, 2016, p. 1-17
10.  Elkind M. S. V. Infl ammatory markers and stroke. Current Cardiology Reports.  2009;11(1):12–20. doi: 10.1007/s11886-0090003-2.
11. Liu Z, Lebrin F, Maring JA, van den Driesche S, van der Brink S, van Dinther M, Th orikay M, Martin S, Kobayashi K, Hawinkels LJ, van Meeteren LA, Pardali E, Korving J, Letarte M, Arthur HM, Th euer C, Goumans MJ, Mummery C, ten Dijke P. ENDOGLIN is dispensable for vasculogenesis, but required for vascular endothelial growth factor-induced angiogenesis. PLoSOne. 2014;9:e86273.
12. Mann J.R., Mcdermott S., Pan C., Hardin J.W., Maternal hypertension and intrapartum fever are associated with increased risk of ischemic stroke during infancy, Developmental Medicine&Child Neurology, 2013, p. 58-64
13. Martinez-Biarge M., Cheong J.L., Diez-Sebastian J., Mercuri E., Dubowitz L.M., Cowan F.M., Risk factors for neonatal arterial ischemic stroke: the importance of the intrapartum period, Th e Journal of Pediatrics, 2016, p. 62-68
14. McCann S. K., Cramond F., Macleod M. R., Sena E. S. Systematic review and meta-analysis of the effi cacy of interleukin-1 receptor antagonist in animal models of stroke: an update. Translational Stroke Research. 2016;7(5):395–406. doi: 10.1007/s12975-0160489-z.
15. Murray K.N., Girard S., Holmes W.M., Parkes L.M., Williams S.R., Parry- Jones A.R., Systemic infl ammation impairs tissue reperfusion through endothelin-dependent mechanisms in cerebral ischemia, Stroke, 2014, p. 1-20.