Transcripción
1 Guevara Fonseca J, Matuz Mares D, Vázquez Meza H (eds.) Mensaje Bioquímico, Vol. XXXVI, , Depto de Bioquímica, Facultad de Medicina, Universidad Nacional Autónoma de México. C. Universitaria, México, DF. ( ISSN X SEÑALES DE CARDIOPROTECCIÓN EN EL CORAZON POST- ISQUÉMICO CARDIOPROTECTION SIGNS POST-ISCHEMIC HEART Sauri Hernández-Reséndiz, Mabel Buelna-Chontal, Francisco Correa, Alejandro Silva y Cecilia Zazueta. Departamento de Bioquímica. Instituto Nacional de Cardiología Ignacio Chávez Juan Badiano No. 1. Colonia Sección XVI. Tlalpan, México 14080, D.F. azazuetam@yahoo.com Resumen El tratamiento indicado para reducir el tamaño del infarto en la patología isquémica cardiaca es la reperfusión arterial coronaria. A pesar de que este procedimiento se ha optimizado notablemente mediante diversas técnicas, paradójicamente contribuye a aumentar la tasa de mortalidad en pacientes, constituyendo un factor de riesgo extra para el miocardio isquémico. A este fenómeno se le conoce como daño por reperfusión y se ha ligado íntimamente con la función mitocondrial. Estudios recientes demuestran que el corazón isquémico puede activar mecanismos endógenos de protección ante el daño por reperfusión, si se le acondiciona con periodos cortos de hipoxia y normoxia. Este acondicionamiento induce la activación 95
2 MENSAJE BIOQUÍMICO, VOL. XXXVI (2012) de cascadas de señalización que son integrados por la mitocondria, determinando el destino final de la célula cardiaca. Palabras clave: cardioprotección, mitocondria, cascadas de señalización. Abstract Coronary artery reperfusion is the indicated treatment to reduce infarct size in ischemic pathology. Although this proceeding has been optimized through diverse techniques, paradoxically contributes to increase mortality among patients, becoming an extra risk to the ischemic myocardium. A close relationship between this phenomenon and mitochondrial function has been established. Very interestingly, recent studies have demonstrated that the ischemic heart posses the ability to activate endogenous protective mechanisms after the application of short cycles of hypoxia and normoxia. Such ischemic conditioning activates signaling cascades that are integrated by mitochondria, determining the final fate of the cardiac cell. Key words: cardioprotection, mitochondria, signaling cascades. INTRODUCCIÓN En México y en el mundo, las enfermedades del corazón y en particular el infarto agudo al miocardio (IAM) ocupan el primer lugar entre las causas de muerte según estadísticas recientes [1]. El infarto al miocardio produce necrosis y la pérdida contráctil de los cardiomiocitos en la periferia de la arteria coronaria afectada (Figura 1A). El área del daño por el evento isquémico agudo, incluye tanto a las células dañadas permanentemente como a aquellas con una pérdida temporal de la función contráctil, condición a la que se conoce como miocardio aturdido [2]. También incluye a los cardiomiocitos sobrevivientes que pudieron adaptarse a un medio persistentemente isquémico a través de modificaciones fenotípicas que reducen su contractilidad (hibernación), pero que con el tiempo derivan en un miocardio estructuralmente degenerado, aumentando la región del ventrículo izquierdo que será permanentemente hipocontráctil. Todos estos factores alteran significativamente la esperanza de sobrevida de los pacientes. El tratamiento indicado para reducir el tamaño del infarto en la patología isquémica cardiaca es la reperfusión arterial coronaria (Figura 1B), que a pesar de ser un procedimiento que se ha optimizado notablemente mediante técnicas de intervención 96
3 primaria percutánea y trombolisis, paradójicamente, contribuye a aumentar la tasa de mortalidad, por lo que constituye un factor de riesgo extra para el miocardio isquémico. A B Figura 1. Infarto agudo al miocardio antes y después de la reperfusión. A) Area afectada por constricción de la arteria coronaria izquierda durante el IAM y B) Imagen de la zona tras la aplicación de intervención primaria percutánea y restauración del flujo de reperfusión. Daño por reperfusión Este fenómeno, descrito por primera vez en los años 70 s por Jennings y Kloner [3] causa daño estructural y funcional adicional al que sufre el miocardio durante el periodo isquémico. En modelos animales se ha demostrado que como consecuencia del daño por reperfusión, se incrementa hasta en un 50% el tamaño final de la zona infartada [4]. Por lo tanto, la reducción del daño por reperfusión, es el objetivo de múltiples estudios para mejorar la prognosis del paciente tras un evento de IAM. El daño por reperfusión es consecuencia de múltiples mecanismos que se activan tanto en el interior de la célula, como en el exterior de la misma [5]. Fisiológicamente, el daño se traduce en disfunciones del endotelio, del sistema vascular, del metabolismo y de la contracción; en la descompensación en el flujo de sangre y en fenómenos de muerte celular, como la necrosis y apoptosis. En este sentido, se sabe que la mitocondria es particularmente sensible a sobrecarga de calcio y al incremento en la producción de especies reactivas de oxígeno 97
4 MENSAJE BIOQUÍMICO, VOL. XXXVI (2012) que aumentan durante la reperfusión. La disfunción mitocondrial es considerada el punto sin retorno en la muerte celular del miocardio. Un elemento clave en esta condición, es el poro de la transición de la permeabilidad mitocondrial (PTPm) [6, 7]. Su apertura causa la pérdida de la impermeabilidad mitocondrial a iones y sustratos, que se traduce en un colapso del potencial de membrana, en el desacoplamiento de la cadena respiratoria y que favorece la salida de factores pro-apoptóticos hacia el citosol [8,9]. Post-acondicionamiento cardiaco. En los últimos veinte años se ha reportado la utilización de múltiples compuestos, que son capaces de disminuir en diferente medida, el daño por reperfusión en modelos animales [10, 11, 12]. Sin embargo, los intentos por reproducir estos resultados en la clínica han sido, en la mayoría de los casos, desalentadores. Recientemente, se describió una nueva estrategia para evitar el daño por reperfusión, basada en la demostración de que el corazón puede acondicionarse de manera endógena, mediante la aplicación de episodios breves de anoxia-normoxia, antes de re-establecer la reperfusión prolongada [13]. Estos episodios intermitentes de isquemia-reperfusión (hipoxia-normoxia) son ahora conocidos como postacondicionamiento (Figura 2). Figura 2. Esquema del protocolo de post-acondicionamiento. Los bloques en color blanco indican el tiempo en que el corazón recibe oxígeno y nutrientes. En negro se representa el tiempo en que el corazón se encuentra en estado de hipoxia (Isquemia). En el recuadro aumentado se muestran los ciclos de post- 98
5 acondicionamiento: 5 ciclos alternados de hipoxia-normoxia de 30 segundos cada uno, aplicados antes de la reperfusión prolongada en un modelo de rata. Mecanismos celulares activados durante el post-acondicionamiento. Desde que este procedimiento se describió, se han estudiado intensamente los eventos que se relacionan con la recuperación de la función cardiaca y su aplicación. Se ha podido comprobar por ejemplo, que el tamaño del infarto y el daño endotelial disminuyen [13] y que la función cardiaca se recupera [13, 14, 15]. La respuesta endógena de protección en el corazón sugiere la participación de diversos mecanismos, entre los que destacan: la regulación en la producción de especies reactivas de oxígeno, la disminución de muerte por apoptosis [16], el mantenimiento de la función mitocondrial y la inhibición de la apertura del PTPm [17]. Figura 3. Efecto de la inhibición de la glucólisis sobre la función cardiaca en corazones con post-acondicionamiento. Corazones controles ( ); corazones isquémicos-reperfundidos ( ); corazones isquémicos-reperfundidos y postacondicionados ( ); corazones isquémicos-reperfundidos y post-acondicionados + 2- deoxiglucosa ( ). Tomada de la referencia 16. En este sentido, hemos reportado que el post-acondicionamiento también estimula la glicólisis, como un mecanismo de emergencia en el periodo de transición de 99
6 MENSAJE BIOQUÍMICO, VOL. XXXVI (2012) metabolismo anaeróbico a aeróbico, produciendo reservas de energía que el corazón demanda durante la reperfusión temprana. En la figura 3, se observa que el trabajo cardiaco de los corazones isquémicos-reperfundidos se pierde totalmente, en marcado contraste con el trabajo cardiaco de corazones a los que se les aplicó el postacondicionamiento, tras una isquemia prolongada. Al inhibir la glucólisis con ácido iodoacético o con 2-deoxiglucosa, el efecto protector del post-acondicionamiento se pierde. Al igual que otros grupos de investigación, hemos demostrado que la aplicación de la maniobra de post-acondicionamiento evita la disfunción mitocondrial [14, 17]. El consumo de oxígeno en mitocondrias aisladas de corazones post-acondicionados es comparable al de las mitocondrias de los corazones controles (Tabla 1); mientras que en las mitocondrias de los corazones isquémicos reperfundidos la capacidad respiratoria se pierde, al igual que su capacidad para acoplar el consumo de oxígeno a la síntesis de ATP. (RC = 3.2 en controles y 3.9 en IR + PC vs 1 en IR 60 ). Estado 4 malato/glutama te (ng AO/min/mg) Estado 3 malato/glutamat e (ng AO/min/mg) RC Respiración Desacoplada (ng AO/min/mg) 100 Estado 4 succinato + rotenona (ng AO/min/mg) Estado 3 succinato + rotenona (ng AO/min/mg) Control I/R más succinato: 51.8 I/R + PC Tabla 1. Consumo de oxígeno en mitocondrias de corazones post-acondicionados. Se muestran los valores de respiración en estado 4, estado 3, el control respiratorio (RC) y la respiración desacoplada con sustratos del Complejo I (malato/glutamato) y II (succinato) de la cadena transportadora de electrones. I/R60: Mitocondrias de corazones isquémicos-reperfundidos; I/R + PC: Mitocondrias de corazones isquémicosreperfundidos con post-acondicionamiento. Tomada de la referencia 14. Además, encontramos niveles significativamente mayores de NAD + intramitocondrial en corazones con post-acondicionamiento (I/R + PC), que en los corazones isquémicos-reperfundidos (I/R 60 ), lo que sugiere que se preserva la integridad de las membranas mitocondriales in situ (Figura 4). En el recuadro se muestra que la protección conferida por el post-acondicionamiento, es semejante a la que brinda la CSA, inhibidor selectivo del PTPm. RC
7 Figura 4. Contenido de NAD + mitocondrial en corazones post-acondicionados. I/R 60 (isquemia-reperfusión); PC (post-acondicionamiento); I/R + CSA: corazones tratados con un inhibidor del mptp (CSA), antes de la isquemia/reperfusión. *P<0.05 vs. control. Tomada de referencia 14. Cascadas de señalización. Otros estudios han demostrado que existe una estrecha relación entre la protección miocárdica y la activación de cinasas de sobrevivencia al daño por reperfusión RISK, por sus siglas en inglés (reperfusion injury survival kinase), como la vía de PI3- K/Akt (Phosphatidylinositol-3-kinase/Akt) y de MEK/ERK1/2 (mitogen-activated protein kinase kinase/ Extracelular signal-regulated kinase 1/2) en animales como la rata y el conejo [18, 19]. Se ha observado que PI3-K está ligada a la vía de la sintasa de óxido nítrico endotelial (enos) y que el óxido nítrico tiene al menos dos blancos principales en mitocondria: los canales de potasio mitocondriales dependientes de ATP (mk ATP ) y el PTPm [20]. En este sentido hemos encontrado que la preservación del trabajo cardiaco, la disminución del área infartada, la atenuación de estrés oxidante y la preservación de la función mitocondrial en corazones con co-morbilidad asociada al daño isquémico, está asociada con el incremento en la activación la vía de cinasas MEK1/2-ERK 1/2 en el citosol (datos sin publicar). 101
8 MENSAJE BIOQUÍMICO, VOL. XXXVI (2012) Señalización por especies reactivas de oxígeno. Se sabe que el estrés oxidante es un factor muy importante en la génesis del daño por reperfusión, y por lo tanto se ha sugerido que la reducción de las especies reactivas de oxígeno (ERO) es determinante para la cardioprotección. En corazones postacondicionados, se ha observado que las ERO disminuyen, que aumentan las reservas antioxidantes al final de la reperfusión y que esto se relaciona con menor daño oxidante en proteínas y lípidos [14, 21, 22]. Aún cuando la sobreproducción de ERO se asocia con el daño por reperfusión y en general con eventos patológicos, también se ha demostrado que a ciertas concentraciones, pueden ejercer un papel fisiológico activando la señalización y la proliferación celular [23]. Entre las evidencias experimentales que apuntalan el papel de las ERO como moléculas de señalización en el post-acondicionamiento, destacan las del grupo de Penna (2006), quienes demostraron que si se administra el antioxidante N-acetil cisteína (NAC) desde los ciclos de hipoxia-normoxia y durante la reperfusión, se pierde la cardioprotección conferida por el post-acondicionamiento en corazón de ratas [24], pero si la administración del antioxidante se hace justo después de los ciclos de postacondicionamiento (es decir, sólo durante la reperfusión), la cardioprotección se mantiene. Esto significa que las ERO generadas de forma controlada durante los ciclos de hipoxianormoxia activan vías de señalización, que ayudan a prevenir del estallido oxidante que ocurre durante la reperfusión y que encienden otras vías de protección. Integración de señales intracelulares en la mitocondria. Aunque las ERO funcionan como moléculas de protección activando proteínas cinasas como PKC, p38 y/o JAK/STAT principalmente en el citosol [25,26, 27], también se ha descrito que pueden activar a cinasas residentes en mitocondria, como la PKCε [28]. De igual forma, se ha demostrado que la función de componentes mitocondriales puede ser regulada por modificaciones oxidativas y nitrosativas [29]. La participación de estas vías de señalización en cardioprotección se ha demostrado al infundir radicales libres en las arterias coronarias de corazones isquémicos-reperfundidos y bloqueando la protección en corazones post-acondicionados administrando antagonistas para PKC [30]. 102
9 Como se mencionó, hemos encontrado que la vía de MEK1/2-ERK1/2 responde a los estímulos activados durante el post-acondicionamiento en corazones isquémicosreperfundidos con co-morbilidad asociada. Actualmente estudiamos sus posibles blancos intracelulares. Utilizando un modelo de isquemia/reperfusión in vivo, hemos encontrado que la inhibición selectiva de esta vía de señalización, tiene efecto sobre la función mitocondrial y sobre el estado de fosforilación de sus proteínas (Datos sin publicar). Integración de señales intracelulares en el núcleo. Otras vías de respuesta a ERO que pudieran estar relacionadas con el postacondicionamiento, son aquellas integradas a nivel transcripcional, En particular el factor de transcripción Nrf2-ARE (nuclear factor E2-related factor 2/Antioxidant Response Element), regula la expresión inducible y constitutiva de numerosos genes cuyas proteínas se encuentran involucradas en la destoxificación y eliminación de reactivos oxidantes y electrofílicos. La exposición a estrés oxidante o electrofílico provoca la disociación de Nrf2 de su proteína represora Keap1, rescatando así a Nrf2 de la degradación proteosomal y favoreciendo su acumulación en el núcleo [31]. Otro de los mecanismos propuestos para explicar la disociación de Nrf2 de Keap1 involucra proteínas secundarias que actúan como sensores y que activan vías de señalización de proteínas cinasas que al fosforilar a Nrf2, aumentan su estabilidad y lo liberan de su represor Keap1. Existen evidencias de que algunas cinasas citosólicas, incluyendo a PKC [32], PI3-K [33] y MAPK (mitogen-activated protein kinase) [34], podrían fosforilar a Nrf2. Sin embargo, en corazones post-acondicionados no se ha estudiado la comunicación entre ambas vías y tampoco se sabe si la vía de MEK1/2-ERK1/2 podría activar a este factor. Conclusión En los últimos años se ha logrado un gran avance en el conocimiento de las señales cardiacas de transducción que producen protección contra el daño por isquemia/ reperfusión y del papel que la mitocondria juega en estos procesos. Sin embargo, se requiere profundizar en estos temas para entender qué mecanismos controlan la decisión final que llevará a la supervivencia o muerte celular. 103
10 MENSAJE BIOQUÍMICO, VOL. XXXVI (2012) REFERENCIAS 1. INEGI, Estadísticas de mortalidad en México México. 2. Ramzy, I. S., O'Sullivan, C. A., Lam, Y. Y., Dancy, M., Tei, C. & Henein, M. Y. (2009) Int. J. Cardiol. 136 (3), Kloner, R., Ganote, C. & Jennings, R. (1974) J. Clin. Invest. 54, Yellon, D. & Hausenloy, D. (2007) N. Engl. J. Med. 357, Correa, E., Martínez-Abundis, E., Hernández-Reséndiz, S., García, N., Buelna- Chontal, M., Arreguín, F. & Zazueta, C. (2010) Current Med Chem 17, Arteaga, D., Odor, O., Lopez, R., Contreras, G., Aranda, A. & Chávez, E. (1992) Life Sci, 51, Griffiths, E. J. & Halestrap, A. P. (1993) J. Mol. Cell Cardiol. 25: Correa, F., Soto, V. and Zazueta, C. Int. J. Mol. Cell. (2007) Int. J. Biochem. & Cell Biol. 39, Martínez-Abundis, E., Correa, F., Pavón, N., & Zazueta, C. (2009) FEBS J. 276, Parra, E., Cruz, D., García, G., Zazueta, C., Correa, F., García, N. & Chávez, E. (2005) Mol. Cell. Biochem. 269, García-Rivas, G. J., Guerrero-Hernández, A., Guerrero-Serna, G., Rodríguez- Zavala, J.S. & Zazueta, C (2005) FEBS J. 272, García-Rivas, G. J., Carvajal, K., Correa, F. & Zazueta, C. (2006) Brith J Pharmacol 149, Zhao, Z, Corvera, J., Halkos, M., Kerendi, F., Wang, N., Guyton, R. & Vinten- Johansen (2003), J. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 285, H579 H Correa F., García, N., Robles, C., Martínez-Abundis, E. & Zazueta, C. (2008) J. Bioenerg. Biomembr. 40, Dong, S., Teng, Z., Lu, F. H., Zhao, Y. J., Li, H., Ren, H., Chen, H., Pan, Z. W., Lv, Y. J., Yang, B. F., Tian, Y., Xu, C. Q., & Zhang, W. H. (2010) Mol. Cell Biochem. 341, Correa, F., García, N., Gallardo, J.C., Carreño, L., Rodríguez-Enríquez, S., Marín, A. & Zazueta, C. (2008) Cell. Physiol. & Biochem. 22, Lim, S., Davidson, S, Hausenloy, D. & Yellon, D. (2007) Cardiovasc. Res. 75, Yang, X.M., Proctor, J.B., Cui, L., Krieg, T., Downey, J.M. & Cohen, M.V. (2004) J. Am. Coll. Cardiol. 44, Tsang, A., Hausenloy, D.J., Mocanu, M.M. & Yellon, D.M. (2004) Circ Res. 95, Vinten-Johansen, J., Jiang, R., Reeves, J. G., Mykytenko, J., Deneve, J. & Jobe L. J. (2007) Hematol. Oncol. Clin. North Am. 21, Sun, H. Y., Wang, N. P., Kerendi, F., Halkos, M., Kin, H., Guyton, R. A., Vinten- Johansen, J. and Zhao, Z.Q. (2005) Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 288, H Serviddio, G., Di Venosa, N., Federici, A., D'Agostino, D., Rollo, T., Prigigallo, F., Altomare, E., Fiore, T. and Vendemiale, G. (2005) FASEB J. 19, Halliwell, B and Gutteridge, J. M. (1985) Mol. Aspects Med. 8, Penna, C., Rastaldo, R., Mancardi, D., Raimondo, S., Cappello, S., Gattullo, D., Losano, G. & Pagliaro, P. (2006) Basic Res. Cardiol. 101,
11 25. Pain, T, Yang, X. M, Critz S. D., Yue, Y., Nakano, A., Liu G. S., Heusch, G., Cohen, M. V. & Downey, J.M. Circ Res 2000; 87, Das, D. K., Maulik, N., Sato, M., Ray, P.S. (1999) Mol Cell Biochem; 196, Yue, Y., Qin, Q., Cohen, M. V., Downey J. M., Critz, S. D. (2002) Cardiovasc Res; 55, Costa, A. D., Pierre, S. V., Cohen, M. V., Downey, J. M. & Garlid K. D. (2008) Cardiovasc Res, 77, Pagliaro, P., Moro, F., Tullio, F., Perrelli, M. G. & Penna C. (2011) Antioxid Redox Signal; 14, Cohen, M. V. and Downey, J. M. (2011) Antioxid Redox Signal 14, Dinkova-Kostova, A.T., Liby, K.T., Stephenson, K.K., Holtzclaw, W.D., Gao, X., Suh, N., Williams, C., Risingsong, R., Honda, T. & Gribble, G.W. (2005) Proc. Natl. Acad. Sci. USA.; 102, Huang, H.C., Nguyen, T. & Pickett, C.B. (2002) J. Biol. Chem. 277, Yang, X. M., Proctor, J. B., Cui, L., Krieg, T., Downey, J. M. & Cohen, M. V. (2004) J. Am. Coll. Cardiol, 44, Yu, R., Chen, C. & Mo, Y. (2000) J Biol Chem.; 275, Semblanza de la Dra. Ana Cecilia Zazueta Mendizabal Licenciada en Biología en 1985, por la Universidad Nacional Autónoma de México (Escuela Nacional de Estudios Profesionales Zaragoza). Cursó estudios de Maestría en Biología Celular en la Facultad de Ciencias, UNAM de 1996 a 1998 y optó por continuar con el programa de Doctorado directo en la misma facultad, obteniendo el grado en el año Durante 2002 y 2003 ocupó una posición postdoctoral en el Departamento de Biología de la Universidad de San Diego, California. Ingresó al Instituto Nacional de Cardiología Ignacio Chávez en 1987, donde actualmente es investigadora en Ciencias Médicas E. Es miembro de la Academia Mexicana de Ciencias desde 2007 y del Sistema Nacional de Investigadores desde 1997 (Nivel I, de 1997 a 2007; Nivel II, de 2008 a 2011 y Nivel III a partir de este año). Sus líneas de investigación incluyen el estudio de los mecanismos endógenos de protección y de las señales que los activan en corazones post-isquémicos. Es autora de 69 publicaciones en revistas especializadas con arbitraje, de capítulos en libros internacionales y de artículos de divulgación. Es tutora acreditada en los programas de posgrado de Ciencias Biomédicas, Ciencias Biológicas y Ciencias Médica, Odontológicas y de la Salud de la Universidad Nacional Autónoma de México. Bajo su dirección se han concluido 5 tesis de licenciatura, una de maestría y tres de doctorado. 105
