NEUROPROTECŢIE ŞI NEUROPLASTI CITAT E ÎN TRA UMATI SMELE CRANI OCEREBRALE

Rezumat:

Cu toate că manifestările clinice ale patologiei neurologice prezintă o enormă varietate, sunt toate cauzate de un dezechilibru între câteva procese fiziologice şi fiziopatologice de bază. Neurotroficitatea, neuroprotecţia, neuroplasticitatea şi mai nou adăugata neuroregenerare sunt concepte implicate în întreţinerea funcţiilor sistemului nervos. Ele funcţionează împreună pentru a contracara excitotoxicitatea, radicalii liberi, disfuncţiile metabolice, inflamaţia, procesele apoptosis-like, defectele de pliere a proteinelor sau factori genetici. Studiile clinice implicând agenţi neuroprotectori au eşuat în a demonstra statistic eficacitatea acestora. Prezentul articol doreşte să sumarizeze şi să argumenteze problemele întâlnite de actualele strategii neuroprotectoare.

Abrevieri

BDNF – brain derived neurotrophic factor

CNTF – cilliary neurotrophic factor

TNF(R) – tumor necrosis factor (receptor)

NGF – nerve growth factor

t-PA – tissue plasminogen activator

MMP – matrix metalloprotease

LRP – low density lipoprotein receptor-related

protein

Neuroprotecţia farmacologică

Strategia tratamentului neuroprotector constă în interferarea cu cascadele moleculare ce determină disfuncţie şi apoi moarte neuronală. Diverşi agenţi etiologici sau procese biologice pot declanşa aceleaşi cascade moleculare ce duc în final la moartea neuronilor (Maas 2005).

Partea I

Există două mari modele biologice de moarte celulară. În cadrul necrozei edemul celular conduce la osmoliză, iar celula moare pasiv. Conţinutul celular eliberat în mediu constituie un puternic stimul inflamator. Apoptoza, pe de altă parte, este un proces activ controlat genetic foarte strict şi care necesită ATP, ducând adesea (dar nu întotdeauna) la activarea caspazelor. Cel mai adesea nu este iniţiată inflamaţia (accident vascular cerebral, traumatisme craniocerebrale). Procesele apoptosis-like diferă de apoptoza fiziologică printr-o durată mai lungă în timp. Anoikis se defineşte ca un proces apoptosis-like indus de interacţiunile celulă – matrice extracelulară inadecvate. În unele cazuri toate procesele menţionate (necroză, apoptoză, apoptosis-like, anoikis) au loc în acelaşi moment.

Trei entităţi majore ar trebui considerate ca fiind extrem de importante în fiziopatologia bolilor neurologice:

• excitotoxicitatea
• inflamaţia
• procesele apoptosis-like

Excitotoxicitatea

Leziunile de intensitate mare, cum sunt acelea ce apar în nucleul accidentului vascular cerebral ischemic duc la umflarea şi liza (necroza) neuronilor prin stimularea masivă a receptorilor NMDA.

O hiperactivitate mai moderată a receptorilor NMDA, cum ar fi cea din zona de penumbră a aaccidentului vascular cerebral, traumatismul craniocerebral sau multe boli neurodegenerative cu debut lent, declanşază formarea de radicali liberi precum şi multe alte căi ce duc la leziuni apoptosis-like.

Sistemul calpainelor

CANP reprezintă acronimul Calcium Activated Neutral Proteases. Există două izoforme: μ-calpaina şi m-calpaina. Ambele izoforme constituie un sistem proteolitic larg distribuit şi reglat strict ce influenţează funcţiile celulare (fig. 1).

Calpaina are două subunităţi (80 kDa şi 30 kDa); μ-calpaina necesitând concentraţii de calciu micromolare iar m-calpaina milimolare pentru activare, fiind inhibate de calpastatină (fig. 2).

Rolul fiziologic al calpainelor

Principala funcţie este aceea de a liza controlat proteinele structurale ale citoscheletului şi de a activa cascadele de transducţie a semnalelor şi căile de fosforilare (proteinkinaza C). Remodelarea elementelor citoscheletului, a arhitecturii membranare şi a conexiunilor membrană – citoschelet contribuie la neuroplasticitate prin promovarea:

• creşterii neuritelor
• remodelării sinaptice
• remodelării dendritice

Inflamaţia

Contribuţia inflamaţiei a fost larg recunoscută în mai multe boli neurologice cum ar fi scleroza multiplă, sindromul Guillain- Barré, neuropatia demielinizantă inflamatorie cronică, demenţa asociată SIDA, boala Alzheimer, boala Parkinson, scleroza laterală amiotrofică, ischemia cerebrală, traumatismul craniocerebral.

Există dovezi de netăgăduit ce indică faptul că atât celulele inflamatorii cât şi mediatorii inflamaţiei ar putea avea funcţii benefice în asistarea proceselor de reparare şi recuperare.

Rolul neuroprotector al inflamaţiei

TNFα → TNFR1(p55) → demielinizare → TNFR2(p75) → remielinizare (prin activitatea BDNF şi CNTF asupra oligodendrogliei în scleroza multiplă de exemplu) Funcţii imunologice esenţiale cum ar fi proliferarea celulelor B, sinteza de imunoglobuline, prezentarea antigenului de către macrofage şi exprimarea de molecule costimulante sunt influenţate de NGF.

Apoptoza

În mod esenţial, apoptoza poate fi declanşată pe două căi:

• activare intrinsecă (în principal mitocondrială) declanşată de concentraţii ridicate de calciu intracelular, specii reactive ale oxiganului,glutamat, etc.
• activare extrinsecă (legarea de receptorii morţii celulare); de exemplu TNFα leagă receptorul Fas.

Ambele căi duc direct sau indirect la activarea caspazelor – un grup ierarhic de 14 proteaze cistein-dependente şi aspartatspecifice.

Apoptoza este reglată prin disponibilitatea factorilor neurotrofici ce oferă suport trofic pentru neuroni:

• deprivarea de factori de creştere induce apoptoză
• supravieţuirea celulară se bazează pe o continuă stimulare cu factori neurotrofici
• celulele sunt sub permanentă supraveghere din partea “comunităţii celulare”.

Atunci când o celulă este ţinta unei leziuni (în special lezarea ADN) “comunitatea” încetează să mai transmită semnale pentru menţinerea vieţii (factori neurotrofici). O celulă cu leziuni ADN ce nu vrea să se “sinucidă” poate pune în pericol întregul organism. Lezarea ADN activează gena p53 ce induce sinteza proteinei supresoare tumorale p53 – un selector molecular la răspântia dintre încercarea reparării şi apoptoză. P53 este indusă în principal de leziunile ADN.

În cazul traumatismelor craniocerebrale procesele apoptosis.like sunt induse prin:

• perturbarea homeostaziei calciului
• caspaze-inductor asociate reticuluilui endoplasmatic
• creşterea concentraţiei ionilor de calciu produce stres în reticulul endoplasmatic şi produce activarea caspazelor
• eliberarea citocromului din mitocondrie
• traumatismul craniocerebral induce

apoptoză prin eliberarea de factori proapoptotici din mitocondrie Între sistemul calpainelor şi cel al caspazelor există interconexiuni: calpastatina este clivată de caspaza 3, astfel încât inducerea apoptozei va induce activarea caspazei 3 şi în consecinţă clivarea calpastatinei ce va creşte activarea calpainei.

Controlul terapeutic al apoptozei Inhibitorii caspazelor

1. Grupul IAP (Inhibitors of Apoptosis Proteins) IAP acţionează fie indirect prin inhibarea apoptosomului, fie direct prin inhibarea caspazei 3. IAP pot ele însele să fie blocate de alte proteine cum ar fi DIABLO (direct IAP

•  binding protein with low p.I.) – la şoareci sau Smac (second mithocondria devived activator of caspases) – la om.

Smac —X→ IAP—X→Apoptosis

1. PACAP (pztuitary adenylate cyclase activating polypeptide) este un poplipeptid de 38 de aminoacizi, inhibitor direct al caspazei 3 cu efect neurotrofic. Administrarea experimentală intravenoasă la ooră după declanşarea unui infarct cerebral la animale reduce semnificativ volumul leziunii ischemice.
2. Bcl-2 blochează apoptoza indusă de ceramide.
3. Medicaţia antiinflamatorie nonsteroidiană reduce conversia sfingomielinelor la ceramide. Ceramidele sunt mediatori ai apoptozei induse de TNF.
4. Cascada ce duce la apotoză poate fi activată şi prin calea MAPkinazei. În anul 2001 întâlnirea National Institutes of Nerological Disorders and Stroke a accentuat importanţa acţiunilor dinamice între celulele endoteliale, fibrele musculare netede, astrocit, microglie, neuroni şi proteinele metriceale tisulare, dând naştere conceptului de “unitate neurovasculară”.

Dinamica semnalelor vasculare, celulare şi matriceale este implicată în menţinerea integrităţii ţesutului cerebral atât în cadrul substanţei albe cât şi în cadrul celei cenuşii, importanţa în fiziopatologia unor afecţiuni ca accidentul vascular cerebral, demenţa vasculară, migrena, traumatismele, scleroza multiplă sau, posibil, îmbătrânirea cerebrală, fiind covârşitoare.

După ischemie, perturbarea integrităţii funcţionale neurovasculare iniţiază multiple cascade lezionale.

Semnale precum stresul oxidativ împreună cu interacţiunile neutrofilului şi plachetelor cu endoteliul activat, stimulează metaloproteinazele metriceale, activatorii plasminogenului şi alte proteaze, care degradează matricea şi duc la întreruperea barierei hematoencefalice.

Celulele şi mediatorii inflamaţiei se infiltrează prin bariera hematoencefalică distrusă amplificând lezinile cerebrale. În plus, distrugerea homeostaziei celulă-matrice poate de asemenea declanşa o moarte celulară anoikis-like atât în compartimentul parenchimatos cât şi în cel vascular.

Suprapunerea cu excitotoxicitatea a fost de asemenea documentată prin interacţiunile cu receptorii NMDA mediate prin t-PA care măresc dezechilibrul ionic şi conduc la moarte celulară.

Unitatea neurovasculară plasează accidentul vascular cerebral şi neurotrauma în contextul unui răspuns tisular integrat în care toate elementele celulare şi matriceale, nu doar neuronii, sunt implicate în evoluţia leziunii tisulare.

Eficacitatea barierei hematoencefalice este critic dependentă de interacţiunile celulă endotelială-astrocit-matrice.

Întreruperea matricii neurovasculare inclusiv componente ale membranei bazale cum ar fi colagenul de tip IV, heparan sulfatul, laminina sau fibronectina tulbură semnalizarea celulă-celulă şi celulă-matrice care menţine homeostazia neurovasculară.

Cu toate că multe proteaze contribuie la proteoliza matricii extracelulare, în contextul accidentului vascualar cerebral şi neurotraumei activatorul plasminogenului şi metaloproteinazele matriceale sunt probabil cele mai importante. t-PA a fost folosit cu succes ca terapie în accidentul vascular cerebral.

Noi date subliniază importanţa legăturilor dintre t-PA, metaloproteinaze matriceale, edem şi hemoragie după accident vascular cerebral şi traumatisme craniocerebrale (Wang 2006).

Metaloproteinazele matriceale sunt endopeptidaze produse de toate tipurile celulare ale unităţii neurovasculare:

• gelatinaze (MMP-2 and -9)
• collagenaze (MMP-1, -8,-13),
• stromelizine (MMP-3, -10, -11),
• MMP tip de membrană (MMP-14, -15, . -16, -17),
• alte MMP (MMP-7 and -12)

Sistemul activatorilor plasminogenului împreună cu metaloproteinazele matriceale joacă un rol central în dezvoltarea creierului şi plasticitate, modulând matrice extracelulară pentru a permite creşterea prelungirilor neuronale şi migraţia celulară. Activatorii MMP sunt:

• calea MAPkinazei
• stresul oxidativ
• stresul oxidativ şi de nitrare
• moartea celulară mediată de caspaze
• excitotoxicitatea
• neuroinflamaţia

Noile terapii ar putea ţinti calea t-PA – LRP – MMP îmbunătăţind profilul siguranţei t-PA la pacienţii cu accident vascular cerebral şi traumatisme craniocerebrale.

Paralelă între strategiile de tratament pentru traumatismul craniocerebral şi accidentul vascular cerebral

Principalul scop al neuroprotecţiei în traumatismul craniocerebral este acela de a preveni şi reduce leziunile secundare şi să îmbunătăţească refacerea, în timp ce scopul neuroprotecţiei în accidentul vascular cerebral acut este de a preveni moartea neuronilor din zona de penumbră (Marklund 2006).

Există mecanisme relative şi absolute ale neuroprotecţiei.

Mecanismele relative includ:

• modulatori ai canalelor de calciu
• modulatori ai canalelor de sodiu
• antagonişti ai receptorilor NMDA
• agonişti ai receptorilor GABA
• antioxidanţi
• scavengeri de radicali liberi
• molecule de adeziune
• agonişti şi antagonişti ai adenozinei

Mecanismele absolute includ:

• factorii neurotrofici
• molecule factori neurotrofici-like
• unele clase de citokine

Traumatismul craniocerebral produce leziune şi disfuncţii atât prin mecanism primar (efecte biomecanice) cât şi prin efecte secundare (datorită activării cascadelor fiziopatologice).

Leziunea secundară constă din mai multe căi biochimice şi celulare complexe care influenţează progresia leziunii primare.

În realitate, leziunea cerebrală se dezvoltă secvenţial (aproximativ o treime din pacienţii decedaţi în urma unui traumatism craniocerebral au fost conştienţi şi cooperanţi la un moment dat după impact), tratamentele neuroprotectoare iniţiate urmărin să întrerupă mecanismele fiziopatologice care duc la leziuni cerebrale secundare.

De-a lungul ultimelor decade înţelegerea fiziopatologiei traumatismului craniocerebral a făcut mari progrese şi, bazându-se pe această înţelegere, numeroase tratamente farmacologice au fost dezvoltate, testate şi dovedite a fi eficiente pe modele experimentale.

Noile date privitoare la neurobiologia şi neurofarmacologia traumatismului craniocerebral nu ar trebui să abată atenţia de la importanţa absolută a combaterii hipoxiei, hipotensiunii, presiunii intracraniene crescute şi a altor cauze de leziune ischemică secundară.

De asemenea, nu ar trebui să descurajeze rezultatele negative şi dificultăţile întâlnite în trialurile clinice, ci să continue căutările pentru medicamente neuroprotectoare eficace în traumatismele craniocerebrale şi abordări mai realiste ale trialurilor clinice.

Dacă mecanismele principale ale morţii neuronale în zona de penumbră şi strategiile neuroprotectoare sunt destul de bine delimitate astăzi, mecanismele morţii neuronale şi strategiile neuroprotectoare în traumatismul craniocerebral sunt încă neclare, iar rezultatele slabe obţinute în trialurile clinice nu par să ofere date suplimentare.

Patofiziologia complexă a traumatismelor craniocerebrale oferă numeroase ţinte pentru potenţiali agenţi neuroprotectori. Mulţi dintre aceştia au fost sau vor fi investigaţi pe modele experimentale de neurotraumă. Din nefericire, trialurile clinice implicând traumatismele craniocerebrale au fost, până la această dată, fără succes.

Bibliografie

1. Maas AI, Schouten JW, Teasdale GM. Neuroprotection. In: Reilly P, Bullock MR, editors. Head Injury. London: Hodder Arnold Publishers; 2005. pp. 406–440.
2. Wang KK, Larner SF, Robinson G, Hayes RL. Neuroprotection targets after traumatic brain injury. Curr Opin Neurol 2006; 19:514–519.
3. Marklund N, Bakshi A, Castelbuono DJ, et al. Evaluation of pharmacological treatment strategies in traumatic brain injury. Curr Pharm Des 2006; 12:1645–1680
4. Chen HS, Lipton SA. The chemical biology of clinically tolerated NMDA receptor antagonists. J Neurochem 2006; 97:1611– 1626.
5. Muir KW. Glutamate-based therapeutic approaches: clinical trials with NMDA antagonists. Curr Opin Pharm 2006; 6:53–60
6. Maas AI, Murray G, Henney H 3rd, et al. Efficacy and safety of dexanabinol in severe traumatic brain injury: results of a phase III randomised, placebocontrolled, clinical trial. Lancet Neurol 2006; 5:38–45.
7. Muir KW, Lees KR, Ford I, et al. Magnesium for acute stroke (Intravenous Magnesium Efficacy in Stroke trial): randomised controlled trial. Lancet 2004;363:439–445.
8. Temkin NR, Anderson GD, Winn HR, et al. Magnesium sulfate for neuroprotection after traumatic brain injury: a randomized controlled trial. Lancet Neurol 2007; 6:29–38.
9. Empey PE , McNamara PJ , Young B, et al. Cyclosporin A disposition following acute traumatic brain injury. J Neurotrauma 2006; 23:109–116.
10. Mazzeo AT, Kunene NK, Gilman CB , et al. Severe human traumatic brain injury, but not cyclosporin A treatment, depresses activated T lymphocytes early after injury. J Neurotrauma 2006; 23:962–975.
11. Hasselblatt M, Ehrenreich H, Siren AL. The brain erythropoietin system and its potential therapeutic exploitation in brain disease. J Neurosurg Anesth 2006; 18:132– 138.
12. Robertson CL , Puskar A, Hoffman GE, et al. Physiologic progesterone reduces mitochondrial dysfunction and hippocampal cell loss after traumatic brain injury in female rats. Exp Neurol 2006; 197:235–243.
13. Wright DW, Kellermann AL, Hertzberg VS, et al. ProTECT: A randomized clinical trial of progesterone for acute traumatic brain injury. Ann Emerg Med 2006
14. Marmarou A, Guy M, Murphey L, et al. A single dose, three-arm, placebocontrolled, phase I study of the bradykinin B2 receptor antagonist Anatibant (LF16-0687Ms) in patients with severe traumatic brain injury. J Neurotrauma 2005; 22:1444–1455.
15. Mushkudiani N, Engel DC, Steyerberg EW, et al. The prognostic value of demographic characteristics in traumatic brain injury: results from the IMPACT study. J Neurotrauma (in press).
16. Willmore LJ . Antiepileptic drugs and neuroprotection: current status and future roles. Epilepsy Behav 2005; 7 (Suppl 3): S25–S28.
17. Doppenberg EM, Choi SC , Bullock R. Clinical trials in traumatic brain injury: lessons for the future. J Neurosurg Anesthesiol 2004; 16:87–94.