ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS. Neurodegeneración

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1 ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS Neurodegeneración La vía molecular precisa que causa la degeneración neuronal en la ELA es desconocida, pero como en el caso de otras enfermedades degenerativas es probable que se deba a una compleja interacción entre múltiples mecanismos los cuales podrían no se mutuamente excluyentes. A saber: Factores genéticos: 20% de los casos con ELA familiar y 2% de los casos con ELA esporádica presentan mutaciones en el gen de la SOD1. Se cree que las mutaciones en este gen causan la enfermedad a través de una ganancia de función tóxica en oposición a causar enfermedad por una pérdida de función antioxidante. Otros genes relacionados con la ENM incluyen: alsina (ALS2), senataxina (ALS4), proteína vesicular asociada a membrana (VAPB, ALS8), angiogenina una mutación en la subunidad p150 de la dinactina (DCTN1). Recientemente, mutaciones en el gen TARDBP (que codifica la proteína de unión TAR-DNA TDP-43) localizada en el cromosoma 1p36.22 han sido asociados con ELA tanto esporádica como familiar (Valdmanis, 2008). Modelos murinos transgénicos para SOD1 muestran evidencia de transporte axonal anterógrado y retrogrado lento. Aunque no se han observado los mismos hallazgos en humanos con ELA; las mutaciones en el gen de la kinesina son conocidas como causantes de enfermedades neurodegenerativas motoras en humanos como la paraplejia espástica hereditaria y la enfermedad de Charcot-Marie-Tooth del tipo 2. Las mutaciones en los genes del complejo de la dinactina son conocidos como causa de enfermedad de la neurona motora inferior (NMI) con parálisis de cuerdas vocales en humanos (Lokesh, 2009).

2 Excitotoxicidad: Este término se utiliza para denominar la lesión neuronal inducida por un exceso de estimulación mediada por glutamato de los receptores postsinápticos de glutamato tales como los receptores de superficie NMDA y AMPA. Se cree que esta sobreestimulación es el resultado de un influjo masivo de calcio en las neuronas que conlleva a la formación de óxido nítrico y posteriormente e la muerte neuronal. Los niveles de glutamato en líquido cefalorraquídeo se encuentran elevados en algunos pacientes con ELA (Lokesh, 2009). Estrés oxidante: Se refiere a las consecuencias histopatológicas de una pérdida del balance entre la producción de radicales libres y la habilidad de la célula para defenderse contra ellos. Existen varios sistemas antioxidantes de defensa: la catalasa para el peróxido de hidrógeno, la SOD1 para el superóxido y la glutatión peroxidasa para peróxido de hidrógeno y peróxido de lípidos; además, existen otros antioxidantes no específicos como el GSH, la ceruloplasmina y la transferrina. (Méndez-Armenta, Ríos, 2007). El estrés oxidante ha sido por mucho tiempo asociado a neurodegeneración y es bien sabido que la acumulación de especies reactivas de oxígeno (ROS ): hidroxilo, peróxido y superóxido entre otros causan muerte celular. Dado que las mutaciones en la SOD1 pueden causar ELA familiar, hay un interés especial en conocer si subyace el proceso neurodegenerativo. Esta hipótesis es sustentada por el hallazgo de que los cambios bioquímicos reflejan el daño ocasionado por radicales libres y el metabolismo anormal de radicales libres en LCR en pacientes con ELA esporádica (Boll, 2003). Cadmio: Se han reportado casos de ELA en trabajadores expuestos a cadmio (Bar- Sela S, 1992; 2001). Como mecanismos propuestos para este hallazgo los autores implican la falla de los sistemas enzimáticos antioxidantes como consecuencia de la intoxicación con el metal pesado. La habilidad del cadmio para inducir estrés oxidante en células del cerebro ha sido reportada como la inducción de ROS tras la interacción del cadmio con sitios

3 mitocondriales, lo que conlleva a la ruptura de los potenciales mitocondriales con una reducción consecuente de los niveles de glutatión intracelular (Méndez-Armenta, Ríos, 2007). Disfunción mitocondrial: Las anormalidades en la morfología y bioquímica mitocondrial han sido reportadas en pacientes con ELA esporádica así como en modelos murinos y celulares mutantes de SOD1. Las mitocondrias de los pacientes con ELA muestran niveles de calcio elevados y actividad disminuida de los complejos de cadena respiratorios I y IV, implicando metabolismo de energía defectuoso. Las mutaciones del DNA mitocondrial han sido descritas en pacientes con ELA (Lokesh, 2009). Agregación de proteínas: Las inclusiones citoplasmáticas son hallazgos comunes tanto en la forma familiar como esporádica de la ELA. Sin embargo, no es aún claro si la formación de agregados tiene un rol clave en su patogénesis, si los agregados son residuos inocentes del proceso de neurodegeneración, o si su formación puede en realidad ser un proceso benéfico como parte de un sistema de defensa para reducir las concentraciones de proteínas tóxicas (Lokesh, 2009). Disfunción inflamatoria y contribución de células no neuronales: En un trabajo en el cual ratones transgénicos SOD1 fueron cruzados con otros tipos de ratones genéticamente modificados se ilustra el rol neuroprotector de los linfocitos T CD4+. Los autores mostraron que la cruza de ratones transgénicos SOD1 a con ratones modificados que carecían de linfocitos T y B funcionales o carecían de linfocitos T CD4+ aceleraba la progresión de la enfermedad y disminuía la sobrevida de los animales. Se pensó en un transplante de médula dirigido a corregir los desórdenes hematológicos de los mismos animales permitiría aumentar su sobrevida. Estos animales presentaron un agravamiento de la enfermedad y sus marcadores morfológicos de gliosis estaban disminuidos. En contraste, tanto los niveles de expresión de citocinas proinflamatorias mientras que los

4 factores tróficos y los transportadores de glutamato se encontraron disminuidos (Pradat, 2009). Cuadro Clínico Clínicamente la ELA se caracteriza por la asociación a niveles diversos de parálisis progresiva de los músculos de inervación espinal y bulbar y de un síndrome corticoespinal. La presentación clínica es heterogénea en función del grupo de neuronal predominantemente afectado, de la repartición topográfica, del modo evolutivo y de síntomas asociados. (Soriani, 2009) Aproximadamente dos tercios de los pacientes con ELA se presentan la forma espinal de la enfermedad, la cual puede mostrar síntomas relacionados a debilidad muscular focal, debilidad y atrofia en miembros superiores o inferiores (Lokesh, 2009). Gradualmente se puede desarrollar espasticidad en los miembros debilitados y atróficos, afectando la destreza manual y la marcha. Los pacientes con inicio bulbar de ELA suelen presentarse con disartria y disfagia para sólidos y líquidos, los síntomas en los miembros pueden desarrollarse casi simultáneamente con los síntomas bulbares, en la vasta mayoría de los casos esto ocurre en un lapso de entre 1 a 2 años. (Lokesh, 2009). Aunque la degeneración afecta de manera predominante al sistema motor, los problemas cognitivos y de comportamiento han sido reportados desde hace un siglo. En los últimos años se ha mostrado que menos del 50% de los pacientes con ELA presenta problemas cognitivos moderados. Las formas asociadas a degeneración lobar frontotemporal (DLFT) representan solamente el 5% de los casos y pueden corresponder a demencia frontotemporal, a afasia no fluente o demencia semántica. (Soriani, 2009). Estos datos clínicos aunados a la evidencia imagenológica de atrofia frontotemporal y de hipermetabolismo frontotemporal en imagenología funcional, sugieren fuertemente la existencia de un continuo entre ELA y DFLT. El

5 descubrimiento de vías fisiopatológicas comunes como la proteína TDP-43 en las inclusiones de ubiquitina de ambas enfermedades ha reforzado esta asociación. (Soriani,2009) Electrofisiología En pacientes en quienes se tiene sospecha clínica de ELA se deben de realizar estudios electrofisiológicos primariamente para documentar la disfunción motora inferior en regiones que aún no lo manifiestan clínicamente y secundariamente para excluir otros procesos. Los primeros criterios publicados para electrodiagnóstico de ELA fueron los de Lambert en 1957 y Los criterios revisados de El Escorial proponen parámetros para el diagnóstico de ELA, mismos que han sido reevaluado en diciembre de 2006 en Japón. Es importante mantener en mente que la evaluación neurofisiológica se usa en ELA cuando el diagnóstico se sospecha clínicamente, las anormalidades neurofisiológicas por sí solas no pueden confirmar el diagnóstico sin sustento clínico. Estudios de conducción nerviosa (sensitivos y motores): Se requieren para el diagnóstico, principalmente para definir y excluir otros desórdenes del nervio periférico, que pueden semejar y hacer confuso el diagnóstico de ELA. En ELA la latencia motora distal y la velocidad de conducción motora permanecen casi normales, nunca cayendo a menos del 70% del límite superior o del límite inferior de la normalidad. Los estudios motores, son importantes en la exclusión de la neuropatía multifocal motora, mediante la detección de un bloqueo de la conducción parcial (Lokesh, 2009). La amplitud de la onda generada es la mejor correlacionada con la integridad del axón, mientras que la velocidad de conducción depende en grado importante del grado de

6 mielinización del axón. Consecuentemente, la pérdida de amplitud es sugestiva de pérdida o disfunción axonal (Gooch, Weimer; 2007). Una reducción de la amplitud proximal o un área con un pico negativo en comparación con las distales (más del 50%), en segmentos cortos (excluyendo sitios de atrapamiento) implica bloqueo parcial de la conducción (Gooch, Weimer; 2007). La integridad de la neuroconducción sensitiva es otro elemento que sugiere el diagnóstico. Los estudios de la onda F son particularmente útiles para valorar la velocidad de conducción proximal y las anormalidades que se han reportado en la ELA. Estos estudios incluyen una latencia aumentada de la onda F con frecuencia normal y amplitud amentada, así como disminución de la velocidad de la onda F con disminución de la frecuencia. Signos prominentes de NMS pueden estar asociados con una frecuencia aumentada de onda F. (Gooch, Weimer; 2007). Electromiografía convencional: La electromiografía con aguja concéntrica proporciona evidencia de denervación requerida para sostener el diagnóstico de ELA, esta debe ser encontrada en al menos dos de las cuatro regiones del sistema nervioso central (Brooks, 1996): Tallo (motoneuronas bulbares y craneales): suficiente demostrar cambios electromiográficos en un músculo (lengua, faciales, de la masticación). Espinal (neuronas motoras del asta anterior): o Cervical: al menos dos músculos inervados por diferentes raíces y nervios periféricos deben mostrar cambios.

7 o Torácica: suficiente demostrar cambios electromiográficos ya sea en los músculos paraespinales en o bajo el nivel de T6 o en los músculos abdominales. o Lumbosacra: al menos dos músculos inervados por diferentes raíces y nervios periféricos deben mostrar cambios. Los criterios revisados de El Escorial requieren evidencia de denervación activa o en curso y denervación crónica parcial para el diagnóstico de ELA, aunque proporciones relativas pueden variar de músculo a músculo. Los signos de denervación activa consisten en: Potenciales de fibrilación Ondas agudas positivas Los signos de denervación crónica (que no se buscan como criterios de ELA) consisten en: Grandes potenciales de unidad motora de duración aumentada con una proporción aumentada de potenciales polifásicos, frecuentemente con aumentada amplitud. Patrón de interferencia reducido con tasas de disparo mayores a 10Hz (a menos que exista un componente de NMS importante, en cuyo caso la tasa de disparo puede ser inferior a 10 Hz). Potenciales de unidad motora inestables. Los potenciales de fasciculación son un hallazgo característico importante en ELA, aunque pueden ser vistos en músculos normales (fasciculaciones benignas) y no están presentes en todos los músculos en los pacientes con ELA. En las fasciculaciones benignas la morfología de los potenciales de

8 fasciculación son normales, mientras que los potenciales de fasciculación asociados con cambio neurogénico son anormales y complejos en su morfología. Diagnóstico El Escorial En 1994 el grupo de investigación en enfermedades de las motoneuronas de la Federación Mundial de Neurología desarrollo los criterios diagnósticos 'El Escorial' (Brooks, 1994) habiéndolos revisado posteriormente (Brooks, 2000) para permitir el diagnóstico y clasificación de los pacientes para estudios y ensayos clínicos con fármacos. Basados en estos criterios los pacientes pueden ser clasificados en las categorías de 'Clínicamente definitivo', 'Clínicamente probable', 'Clínicamente probable respaldado por laboratorio' y 'Clínicamente posible' (ver apéndice 2). Escala Funcional de ELA Revisada (ALSFRS-R) La Escala Funcional de Esclerosis Lateral Amiotrófica Revisada ("Amyotrophic Lateral Sclerosis Functional Rating Scale Revised", ALSFRS-R) es un instrumento validado de calificación para monitorear la progresión de la discapacidad en pacientes con ELA. La escala incorpora reactivos relativos a la función de miembros, bulbar y respiratoria: disnea, ortopnea y la necesidad de soporte ventilatorio (Cederbaum, 1999) (ver apéndice 1). Los puntajes de la ALSFRS-R se correlacionan significativamente con la calidad de vida medidos a través de la escala "Sickness Impact Profile", reflejando que el grado de función en la ELA es un determinante importante de la calidad de vida (Cedarbaum, 1999).

9 En el artículo de Fornai (2008) los datos encontrados con respecto a la progresión de la enfermedad se midieron utilizando la ALSFRS-R, escala actualmente a desplazado a otras escalas. La escala que se pretende aplicar es una traducción al español de México de presentada por Cederbaum y cols. (1999) realizada por varios traductores a fin de evitar términos ambiguos y significados discrepantes. Tratamiento Específico Más de 100 agentes neuroprotectores han sido estudiados en modelos animales y humanos. Algunos agentes han sido evaluados en ensayos clínicos y han fallado o mostrado evidencia inconcluyente sobre su eficacia para la práctica clínica. Los agentes incluyen: factor de crecimiento parecido a la insulina (IGF-1, o miotrofina), neurotrofinas (factor neurotrófico cerebral, factor neurotrófico ciliar, factor neurotrófico derivado de células gliales y xaliproden oral), ceftriaxona, talampanel (8-metil-7H-1,3- dioxolo(2,3)benzodiazepina), tamoxifen, minociclina, coenzima Q10, vitamina E, celecoxib, creatina y copaxona A pesar de varios ensayos clínicos y de los múltiple avances en la comprensión de la fisiopatología de la ELA, se ha encontrado poco éxito en la búsqueda de agentes modificadores de la enfermedad y neuroprotectores. Riluzole es el único medicamento aprobado que ha mostrado tener un efecto modesto prolongando la vida de los pacientes de 3-6 meses (Lacomblez, Bensimon et al., 1996). El mecanismo de acción de riluzole no se comprende completamente pero se cree que incluye interferencia con las respuestas mediadas por el receptor de NMDA, estabilización del estado inactivado de canales de sodio dependientes de voltaje, inhibición del glutamato de terminales presinápticas e incremento de la recaptura de glutamato extracelular. (Lokesh, 2009)

10 Papel del Litio en Tratamiento de la ELA El litio es un elemento utilizado como una droga en su forma iónica (Li+). Se distribuye ampliamente en el sistema nervioso y afecta a varios neurotransmisores y enzimas. Desde hace tiempo los clínicos han utilizado litio para tratar el trastorno maniaco depresivo. En estos pacientes se ha observado que el litio causa granulocitosis y linfopenia mientras que mejora la actividad inmunitaria de monocitos y linfocitos. (Young, 2009) En estudios en modelos animales el litio ha mostrado aumentar la autofagia un proceso mediante el cual las células eliminan desechos celulares y estructuras dañadas. Se sabe que la autofagia ayuda a las células a prolongar su vida. (Fornai, 2009) El litio actúa a través de múltiples vías inhibiendo la glucógeno sintetasa kinasa-3 beta (GSK3b). Esta enzima fosforila e inhibe los factores nucleares que activan los programas de crecimiento y protección celulares, incluyendo el factor nuclear de células T activadas (NFAT) y WNT/beta-catenina. (Young, 2009) En animales el litio retroalimenta positivamente las neurotrofinas incluyendo el factor neurotrópico derivado del cerebro (BNDF), factor de crecimiento neural (NGF), neurotrofina-3 (NT3), así como los receptores de estos factores de crecimiento en el cerebro. El litio también estimula la proliferación de células madre, incluyendo médula ósea y células madre neurales en el área subventricular, cuerpo estriado y lóbulo frontal. Esta estimulación endógena de la células madres podría explicar el porqué el litio incrementa la densidad y volumen de neuronas en pacientes con trastorno maniaco depresivo. (Young, 2009) El litio también aumenta las concentraciones de los marcadores neuronales n- acetil-aspartato y mioinositol. Además protege de manera importante al cerebro contra el

11 glutamato, las crisis convulsivas y apoptosis debidas a una amplia variedad de neurotoxinas. (Young, 2009) En síntesis los efectos inducidos por el litio son: eliminación de mitocondrias alteradas y agregados proteicos; biogénesis de nuevas mitocondrias bien estructuradas; supresión de la proliferación glial; diferenciación de neuronas recientemente formadas en la médula espinal hacia un fenotipo específico. (Fornai, 2008b) En el artículo de Fornai (2008) sobre el retraso a la progresión de ELA utilizando litio se incluyen los resultados de un ensayo en ratones y posteriormente los resultados de un pequeño ensayo clínico. Primero estudiaron al litio en un modelo murino de ELA (mutantes para SOD1) y encontraron que prolongaba la sobrevida, al observar microscópicamente las médulas espinales, encontraron aumento de autofagia y mitocondrias dentro de las motoneuronas, así como un aumento de la densidad de estas. A la luz de estos resultados seleccionaron aleatoriamente 16 pacientes con ELA (4 de los cuales tenían la presentación) para recibir riluzole y litio, y 28 (7 con presentación bulbar) recibieron riluzole solamente. Al final del seguimiento (15 meses) los 16 pacientes tratados con litio y riluzole se encontraban vivos, mientras que 8 de 28 tratados sólo con riluzole fallecieron (supervivencia de 100% contra 71%). Secundariamente la progresión de la enfermedad fue valorada por medio de la ALSFRS-R (escala funcional de ELA revisada), la "ALS Norris scale", la "Medical Research Scale" y función pulmonar (capacidad vital forzada) siendo todos más favorables para los pacientes tratados con litio con respecto al otro grupo. Un estudio posterior en modelos animales no pudo reproducir los resultados anteriores, encontrando que el litio en no tenía efectos neuroprotectores ni aumentaba la autofagia en células de la médula espinal (Pizzasegola, 2009).

12 El litio y valproato así como otras desacetilasas de histonas han demostrado su efecto neuroprotector en varios estudios preclínicos. Uno de ellos particularmente relacionado con nuestro proyecto consiste en el uso combinado de litio y valproato lo cual demuestra efecto sinérgico contra la excitotoxicidad inducida por el glutamato en cultivo celular, la cual involucra la inhibición de la actividad GSK-3 En modelos transgénicos de la ELA, demostró mayor eficacia que el Li solo en cuanto a inicio de la enfermedad, examen neurológico y sobrevida. El mecanismo protector se atribuye a la inhibición de una serie de enzimas y de proteínas proapoptóticas y la estimulación de factores neurotróficos (Feng, 2008). Entre las proteínas críticas inducidas a través de la inhibición de GSK-3 están la HS-70 ("heat shock protein 70", proteína de choque de calor 70), Bcl-2 (B cell lymphoma, linfoma de células B) y BNDF ("brain-derived neurotrophic factor", factor neurotrófico derivado del cerebro) (Feng, 2008). El valproato y otro inhibidor de la desacetilasa de histona, el fenilbutirato, han mostrado regular a la alta Bcl-2 en los modelos murinos para ELA G86R y G93A. Estudios recientes de análisis de microarreglos han revelado que el curso de la progresión de la enfermedad en ratones G93A está asociado con una con una marcada regresión de los genes involucrados en funciones metabólicas y transcripcionales y una expresión aumentada de ciclinas que funcionan en la regulación del ciclo celular (Feng, 2008). El tratamiento con litio disminuye significativamente las concentraciones de glutamato, glutamina y GABA en la sustancia gris, aumenta el mioinositol no modifica el pico de lactato ni noradrenalina y el valproato no modifica estos marcadores mientras mejora a los pacientes de trastorno afectivo bipolar (Friedman, 2004).

13 Exposición al Cadmio El cadmio ingresa al organismo vía respiratoria y gastrointestinal. En sangre, el 70% está en los hematíes. Se acumula en riñones e hígado. Su monitorización biológica mide niveles en sangre y en orina; ambos dan información complementaria. El Cd-S actual refleja exposición en meses precedentes; pero, medido después del cese de exposición refleja carga corporal. El Cd-U refleja exposición actual o reciente. Lo Límites de Acción Biológica (LAB) son magnitudes del agente consideradas como aceptables bajo las condiciones de trabajo, es decir sopesan la captación del tóxico en el lugar de trabajo. En salud ocupacional uno de los LAB más usados son el índice de exposición biológica (BEI) de la Conferencia Americana para Higienistas Industriales Gubernamentales ("American Conference of Governmental Industrial Hygienists", ACGIH). El cadmio en orina en no fumadores no expuestos es menor a 15 nmol/l (1,5 ug/l) y en sangre menor de 10 nmol/l (1 μg/l). En fumadores no expuestos, el Cd-S puede alcanzar 50 nmol/l y el Cd-U 10 nmol/l. El BEI ACGIH para el Cd-U es 10 μg/g creatinina (10 μmol/mol) y para Cd-S, 10 μg/l (90 nmol/l) (ACGIH, 2003). Bar-Sela y colaboradores (2001) reportan el caso de un trabajador de una fábrica de baterías de níquel-cadmio crónicamente expuesto a cantidades importantes cadmio en quien en dos mediciones a lo largo de seis meses terminada la exposición se obtuvo niveles de 8 y 5 μg/l en sangre y de 13 μg/l en orina. Los autores de este artículo consideran de importancia su hallazgo dada la incidencia de la ELA (1-3 casos en 100,000 personas por año) y lo improbable que sería encontrar un caso en fábricas de apenas cientos de trabajadores; lo anterior aunado a que el cadmio ya ha sido implicado en neurotoxicidad.