INTRODUCCIÓN.
En la práctica, cualquier enfermedad
puede entenderse en términos generales como la combinación
en proporciones variables de tres fenómenos:
a) alteración del número de células (por exceso o defecto),
b) modificación de la función de los elementos que constituyen
un determinado tejido y c) alteración de las relaciones
de las células con el tejido extracelular. Desde un punto
de vista causal, puede generalizarse el concepto de enfermedad
considerándola como la respuesta tisular a la conjunción
de determinados agentes exógenos (físicos, químicos o
biológicos) y endógenos (información contenida y desarrollada
en una célula junto a señales derivadas de otras células).
La interacción entre estos factores y las células determina
varias formas de respuesta celular: la quiescencia, la
proliferación, la diferenciación y la lesión celular.
Esta última forma de respuesta, la lesión celular, en ocasiones lleva a la muerte de la célula. En este capítulo nos centraremos
principalmente en la lesión y la muerte celular,
indicando las características comunes de las dos formas
evolutivas de lesión celular: la degeneración, en la cual los
cambios producidos son potencialmente reversibles, y la
muerte celular, en la que los cambios son irreversibles.
DEGENERACIÓN CELULAR
La degeneración es un proceso regresivo en el que se produce un deterioro celular junto a cambios bioquímicos y morfológicos más o menos característicos. La degeneración celular evoluciona hacia la normalidad, si la causa de la degeneración cede, o hacia la muerte celular si la agresión persiste. Desde un punto de vista morfológico se distinguen dos grandes tipos de degeneraciones celulares según el producto acumulado dentro de la célula: degeneración hidrópica y acumulaciones intracelulares anormales.
Degeneración hidrópica
Prácticamente todos los tipos de lesión presentan, al menos inicialmente, acumulación de agua intracelular. Como consecuencia, la célula adopta un aspecto edematoso, debido a la acumulación de agua y sodio en el citoplasma o en las cisternas del retículo endoplásmico. Antes del empleo del microscopio electrónico, en la descripción macroscópica de este fenómeno se utilizaba el término «degeneración turbia » debido al aspecto «cocido» que presentaban los tejidos. Aunque en el contexto de la degeneración hidrópica aparezcan estos cambios (debido al edema mitocondrial que aumenta la granulosidad citoplasmática y origina un efecto Tyndall), otros procesos diferentes pueden también producir la misma apariencia macroscópica.
Acumulación intracelular de sustancias
Ciertas circunstancias facilitan la acumulación excesiva o anormal de determinadas sustancias en los tejidos. De forma esquemática, la composición del producto acumulado es variable: a) constituyentes normales (grasa, glucógeno o proteínas); b) constituyentes anormales (p. ej., productos del metabolismo intermediario en defectos enzimáticos); c) componentes excesivos (sustancias habitualmente presentes en baja concentración intracelular), y d) sustancias exógenas (partículas de polvo, metales). El estudio de los aspectos morfológicos de los diferentes tipos de acumulaciones extracelulares escapa a los objetivos de este capítulo. No obstante, a modo de ejemplo, indicaremos algunas características de un tipo de acumulación celular anormal: la degeneración grasa. En primer lugar debe distinguirse conceptualmente la acumulación de grasa en las células parenquimatosas (degeneración grasa) del exceso de grasa en células especializadas (adipocitos) o de la fagocitosis de lípidos por las células del sistema mononuclear fagocítico. En general, la degeneración grasa es consecuencia de tres mecanismos biológicos que intervienen de forma aislada o combinada: el aumento del aporte al tejido, la insuficiente metabolización o la deficiente eliminación de lípidos.Varias situaciones constituyen ejemplos de estos mecanismos, que originan degeneración grasa (principalmente hepática). Así, muchos tóxicos, al alterar los sistemas energéticos celulares, ocasionan una utilización deficiente de los ácidos grasos. Por otro lado, en la diabetes mellitus, el defecto absoluto o relativo de insulina (hormona lipolítica) produce la acumulación intracelular de grasa. Finalmente, existe un defecto en la eliminación tisular de grasa en los déficit proteicos graves (debido a la disminución de las proteínas transportadoras) y en el alcoholismo (a causa de la disrupción de proteínas microtubulares hepáticas).
MUERTE CELULAR
Las dos formas principales de muerte celular en los vertebrados son la necrosis y la apoptosis.
Necrosis
El concepto de necrosis se refiere a los cambios morfológicos que sufren las células al morir como consecuencia de una lesión grave y súbita causada por cualquiera de los agentes lesionales (isquemia, hipertermia sostenida, traumatismo físico o químico). Por esta razón, el término necrosis se considera sinónimo de muerte accidental. El término gangrena se aplica cuando una masa considerable de tejido sufre necrosis.
CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS.
Las lesiones que aparecen en este tipo de muerte celular dependen del daño causado a dos estructuras clave: las mitocondrias y la membrana plasmática. La lesión mitocondrial priva a la célula de energía para el mantenimiento de la homeostasia normal, mientras que la lesión de la membrana plasmática altera la capacidad osmorreguladora y, como consecuencia, la célula se edematiza y finalmente estalla. El contenido celular se vierte al tejido poniendo en marcha una respuesta inflamatoria, que en términos biológicos es deseable ya que su finalidad consiste en eliminar los detritos e iniciar el proceso de reparación.
TIPOS DE NECROSIS.
Atendiendo a la evolución del tejido necrosado, se distinguen tres tipos principales de necrosis: por licuefacción, coagulativa y caseosa. La necrosis por licuefacción ocurre cuando la muerte celular sobreviene antes de la destrucción de enzimas catalíticas, que actúan sobre los tejidos circundantes. El ejemplo característico de necrosis por licuefacción es la que se produce en el centro de los abscesos. La necrosis por coagulación se debe al efecto desnaturalizante de la acidosis sobre las enzimas y proteínas estructurales. La presencia de necrosis por coagulación es típica en áreas isquémicas (en concreto, infartos). La necrosis caseosa se debe a la presencia de sustancias lipídicas en el foco de necrosis, que ocasionan un aspecto cremoso de la lesión. De forma característica la necrosis caseosa se asocia a la enfermedad tuberculosa.
Apoptosis
La muerte celular por apoptosis es un proceso más sutil desde el punto de vista morfológico. A menudo se equipara el concepto de apoptosis con el de muerte programada, aunque no es estrictamente correcto. Así, aunque en los vertebrados la muerte celular es un fenómeno aceptable e incluso previsible en poblaciones celulares, esto no ocurre de igual manera en células individuales. Por lo tanto, la apoptosis, de forma aparentemente paradójica, es un proceso a la vez programado y estocástico. Un ejemplo claro de este concepto es la evolución de las células B dentro del folículo linfoide. Se considera que el 95 % de las células generadas sufrirán un proceso de apoptosis (aspecto «programado») pero es imposible a priori determinar cuáles serán las células que seguirán este destino (carácter estocástico). Por otro lado, dos tipos de datos abogan en contra del concepto de muerte programada. El primero de ellos es que la apoptosis frecuentemente es inducida por la ausencia de un factor exógeno (hormona o factor de crecimiento) producida por otra estirpe celular por lo que, en el caso de existir un «programa», éste se encontraría fuera de la célula.Por otro lado, aunque diversos estímulos fisiológicos sean capaces de activar la apoptosis (p. ej., acción de los corticoides sobre los timocitos), las células pueden ser inducidas a sufrir un proceso apoptoico idéntico por agentes patológicos (p. ej., radiaciones ionizantes sobre los timocitos). Por todo ello, es posible considerar la apoptosis desde el punto de vista biológico como un «suicidio» celular voluntario o inducido, en aras de preservar la integridad funcional del conjunto del organismo.
CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS.
Los cambios morfológicos observados durante la apoptosis son claramente diferentes a los descritos en la necrosis. Las alteraciones morfológicas comunes de la apoptosis afectan todas las estructuras subcelulares:1. La membrana plasmática sufre un proceso denominado zeiosis, que aparece al microscopio con un aspecto de «burbujas». A diferencia del proceso de necrosis, en el que la membrana pierde su capacidad para mantener un gradiente osmótico, las células que sufren un proceso apoptoico mantienen, incluso tras su fragmentación, la capacidad de control osmótico. Entre los factores responsables de este fenómeno se señalan la integridad del citoesqueleto y la activación de determinadas enzimas (p. ej., transglutaminasa).
2. Disminuye de manera notable el volumen citoplasmático, que aparece anormalmente electrodenso al microscopio electrónico. Este fenómeno se atribuye a la pérdida isoosmótica de agua y iones, aunque se desconocen los mecanismos exactos por los que ocurre. En general, no se observan alteraciones de las organelas citoplasmáticas, excepto una hinchazón de las cisternas del retículo endoplásmico. Otra característica es que cesan la transcripción y la traducción, degradándose tanto el RNA como las proteínas ya existentes.
3. El núcleo celular sufre importantes cambios morfológicos durante el proceso de apoptosis. Inicialmente disminuye de tamaño, incrementándose la densidad de la cromatina, que aparece de forma parcheada. Con posterioridad la cromatina adopta un aspecto de semiluna y se localiza en contacto con la membrana nuclear. Finalmente, el núcleo se fragmenta en una o varias esferas densas. Estos cambios morfológicos se acompañan de la fragmentación del DNA en subunidades regulares, como resultado de la rotura de las hebras de DNA en la región de los lazos internucleosómicos, cuya consecuencia se comprueba por un aspecto «en escalera » del DNA en la electroforesis en agarosa.
REGULACIÓN GENÉTICA.
Fundamentalmente existen dos modelos de apoptosis: el modelo inductivo, en el cual las células ponen en marcha un programa de destrucción al recibir un estímulo, y el modelo de liberación, en el cual los sistemas supresores de la apoptosis presentes en una célula son anulados al no recibir un estímulo (soluble o por contacto). En ambos casos, la vía común final está mediada por la activación o la supresión de genes de la célula que desarrollará el proceso apoptoico.
Inductores intracelulares de la apoptosis.
En este grupo se incluyen la proteína supresora p53 y las proteínas codificadas por los protooncogenes c-myc y fas (proteína apo-1).La proteína p53 induce en muchas líneas celulares un freno a la proliferación celular y puede conducir a la diferenciación de las células. En numerosas células la diferenciación es un primer paso hacia la muerte celular, de manera que, la expresión de p53 en líneas mieloides o epiteliales causa la apoptosis de las células. Una hipótesis del papel de la p53 en este tipo de procesos es que este producto génico detendría la célula dañada en G1 mientras se intenta reparar la lesión. Las células que se oponen a este bloqueo serían forzadas a entrar en apoptosis. El protooncogén c-myc (v. cap. 4) es un elemento importante de control de la proliferación celular. Sin embargo, en condiciones de detención del crecimiento, la expresión de c-myc lleva a la apoptosis. De esta forma, parece que el efecto final de c-myc (proliferación o apoptosis) depende de la presencia de otros factores concomitantes (factores de crecimiento u otros estímulos para la supervivencia).
Fas es un gen que codifica una proteína de membrana (apo-1) homóloga a los receptores para el factor de necrosis tumoral alfa (TNF-a) o el factor de crecimiento neural (NGF). Se ha demostrado que si una célula, de forma natural o por transfección, expresa apo-1 y mediante anticuerpos se induce su activación, entra en apoptosis. Por otro lado, en ratones con la mutación lpr (defectivos en fas) se produce una linfoacumulación debido a que sus linfocitos mueren en menor cantidad que los de los ratones normales. Los tres casos señalados constituyen los primeros ejemplos de inductores intracelulares de la apoptosis. Debe destacarse que se están describiendo nuevos factores estimulantes de la apoptosis.
Supresores intracelulares de la apoptosis.
Los principales genes supresores de la apoptosis pertenecen a la familia bcl-2. La acción antiapoptoica del bcl-2 se describió inicialmente en los linfomas nodulares de bajo grado de malignidad, en los que la disregulación de este gen (por translocación) producía una acumulación linfocitaria. Por otro lado, aunque la transfección del gen bcl-2 a una linea linfoblastoide B dependiente de la IL-3, no permitía que esta línea proliferara de forma autónoma, evitaba la muerte por apoptosis de las células al suprimir el factor de crecimiento. De todas formas, la presencia de bcl-2 no previene la apoptosis en todas las circunstancias ni en todos los tejidos. Una de las razones de este fenómeno puede ser la interacción de la proteína bcl-2 con otras sustancias de estructura homóloga: bax, bcl-xs y bcl-xL. La proteína bax ejerce una acción opuesta a bcl-2, con la que forma heterodímeros permitiendo que la apoptosis se lleve a cabo en las condiciones apropiadas. Bcl-xs y bcl-xL derivan de un mismo gen por desarrollo y posterior unión (splicing) diferente del mRNA. Bcl-xL ejerce un efecto similar a bcl-2 al evitar la apoptosis mientras que bcl-xs bloquea el efecto de bcl-2 y permite que se produzca la apoptosis. El mecanismo de acción de bcl-xs es diferente al de bax, ya que no forma heterodímeros con bcl-2 sino que compite con esta proteína por sus sustratos o reguladores.Además de la familia bcl-2 existen datos de otros genes codificadores de proteínas antiapoptoicas (p. ej., T24-ras activado o v-abl).
Vía final común.
Las consecuencias finales de estos productos génicos y/o de la interacción directa de receptores y estímulos apoptoicos son la activación de enzimas dependientes del calcio y la expresión de nuevos antígenos en la superficie celular. Las tres proteínas mejor caracterizadas son una endonucleasa dependiente del calcio (implicada en la condensación de la cromatina y en la degradación del DNA), la calpaína (responsable de la rotura del citoesqueleto y de la constricción celular) y una transglutaminasa (que produce la unión cruzada de proteínas plasmáticas). La expresión de nuevos marcadores de membrana implicará el reconocimiento de las células apoptoicas por los macrófagos.
DESTINO DE LAS CÉLULAS APOPTOICAS.
El destino de las células que sufren un proceso de apoptosis es diferente del de las células necróticas. Este proceso ha sido bien estudiado en el caso de los leucocitos polimorfonucleares (PMN) y probablemente pueda ser aplicado a otros tipos celulares. En general, consistiría en la expresión por parte de las células apoptoicas de ligandos que serían reconocidos por las células del sistema mononuclear fagocítico, procediendo éstas a su ingestión y degradación ulterior. El elemento clave en la célula apoptoica es la exposición en la membrana de residuos aniónicos, habitualmente confinados a la superficie interna de la membrana (residuos N-acetilglucosamina, fosfatidilserina, etc.). La unión entre estos residuos aniónicos y los macrófagos parece estar mediada por la proteína trombospondina, para la cual existen al menos dos tipos de receptores macrofágicos: las citoadhesinas (integrinas b3) (v. cap. 3) y la molécula CD63. En la figura 1-4 se representan los elementos básicos de reconocimiento de las células apoptoicas.
IMPORTANCIA BIOLÓGICA.
La apoptosis es un mecanismo esencial para entender múltiples fenómenos biológicos fundamentales como la embriogénesis, el recambio celular en tejidos formados por células intermitóticas (digestivas, cutáneas o hemopoyéticas), la atrofia mamaria tras la lactancia o la atrofia prostática. Por otro lado, la apoptosis desempeña un papel fundamental en la respuesta inmunológica e inflamatoria. Así, interviene en dos procesos fundamentales de la generación de células inmunocompetentes: la deleción clonal tímica y la selección de linfocitos B hipermutantes en órganos linfoides secundarios durante la respuesta secundaria. También interviene en la respuesta citotóxica, de forma que las células natural killer (NK; asesinas naturales) y los linfocitos T inducen una respuesta apoptoica en las células diana (en algunos casos claramente demostrado a través de la molécula apo-1). Además, interviene en la resolución de la inflamación, evitando que la liberación de sustancias proteásicas por los PMN neutrófilos amplifiquen el proceso lesional. El reconocimiento de los PMN neutrófilos apoptoicos por las células del sistema mononuclear fagocítico permite su ingestión y degradación intracelular, sin liberación de los componentes lesivos. Finalmente, la apoptosis está implicada en la inmunomodulación fisiológica por los corticoides endógenos.
PAPEL EN LOS PROCESOS PATOLÓGICOS.
De forma general puede afirmarse que la apoptosis participa en todos los tipos de procesos patológicos básicos. En algunos casos, el papel que se le atribuye es especulativo mientras que en otras situaciones existen datos concluyentes.El primer grupo de enfermedades en las que la alteración de los mecanismos apoptoicos podría ocurrir es el de las enfermedades degenerativas. En este sentido, algunos autores han implicado a la proteína b-amiloide de la enfermedad de Alzheimer, que actuaría a través del bloqueo de la acción de factores tróficos sobre las neuronas o potenciando la acción de factores neurotróficos inductores de apoptosis.
En segundo lugar, la apoptosis desempeña un papel importante en algunos procesos infecciosos (particularmente particularmente los inducidos por virus). En general, se considera que la infección por tipos muy diversos de virus puede poner en marcha mecanismos apoptoicos en la célula diana, lo que provocaría, además de la lesión del huésped, una limitación de la replicación vírica. Por ello, algunos virus (p. ej., el virus de Epstein-Barr) aumentan su supervivencia en las células mediante productos génicos antiapoptoicos procedentes del propio virus o a través de la inducción de mecanismos antiapoptoicos en la célula huésped. Por otro lado, en el SIDA, una de las hipótesis que explica la discrepancia entre la depleción de linfocitos T y la presencia de virus en sangre se basa en la inducción de la apoptosis de los linfocitos CD4+ por glucoproteínas víricas. De hecho, se ha demostrado que la incubación de linfocitos CD4+ con complejos gp-120-anticuerpos, en presencia de un estímulo proliferativo, produce la apoptosis de estos linfocitos.
En tercer lugar se han demostrado alteraciones de los mecanismos apoptoicos en enfermedades autoinmunes (lupus eritematoso y glomerulonefritis por inmunocomplejos). Por un lado, se ha observado que cepas de ratones con la mutación lpr, además de presentar una linfoacumulación en los órganos linfoides, muestran datos similares al lupus eritematoso. Además, en linfocitos de pacientes con lupus eritematoso sistémico, se ha demostrado la expresión anormal de proteínas codificadas por el gen bcl-2. Finalmente, en una cepa de ratones transgénicos que hiperexpresan el gen bcl-2 aparece una glomerulonefritis por inmunocomplejos.
Las enfermedades neoplásicas constituyen el último grupo de procesos en los que se han descrito alteraciones de los mecanismos apoptoicos. El ejemplo mejor estudiado es el de los linfomas nodulares de bajo grado de malignidad, en los que es característica la aparición de una translocación t(14:18). Una de las consecuencias biológicas de la translocación consiste en que el gen bcl-2 queda bajo el control del promotor del gen que codifica la cadena pesada de las inmunoglobulinas. Por ello, aparece una hiperexpresión de proteína bcl-2 y, debido a su efecto antiapoptoico, una linfoacumulación. Por otro lado, en el linfoma de Burkitt inducido por el virus de Epstein-Barr, determinadas proteínas víricas inducen la hiperexpresión de bcl-2, que además de su efecto antiapoptoico directo, protege a las células de la apoptosis inducida por c-myc. Finalmente, en muchas neoplasias se observan alteraciones de la proteína p53, causadas por alteraciones genéticas (mutaciones o deleciones) o debido a la inactivación por proteínas víricas.