Interstitial Cells of Cajal and Enteric Nervous System in Gastrointestinal and Neurological Pathology, Relation to Oxidative Stress

The enteric nervous system (ENS) is organized into two plexuses—submucosal and myenteric—which regulate smooth muscle contraction, secretion, and blood flow along the gastrointestinal tract under the influence of the rest of the autonomic nervous system (ANS). Interstitial cells of Cajal (ICCs) are mainly located in the submucosa between the two muscle layers and at the intramuscular level. They communicate with neurons of the enteric nerve plexuses and smooth muscle fibers and generate slow waves that contribute to the control of gastrointestinal motility. They are also involved in enteric neurotransmission and exhibit mechanoreceptor activity. A close relationship appears to exist between oxidative stress and gastrointestinal diseases, in which ICCs can play a prominent role. Thus, gastrointestinal motility disorders in patients with neurological diseases may have a common ENS and central nervous system (CNS) nexus. In fact, the deleterious effects of free radicals could affect the fine interactions between ICCs and the ENS, as well as between the ENS and the CNS. In this review, we discuss possible disturbances in enteric neurotransmission and ICC function that may cause anomalous motility in the gut

Aplicación de la melatonina en modelos de isquemia reperfusión. Revisión.

La melatonina es una molécula con funciones variadas en el organismo, sintetizada mayoritariamente en la glándula pineal siguiendo un ritmo circadiano, y también está presente a otros niveles. En el estrés oxidativo sucesivo a la isquemia y a la reperfusión, los mecanismos antioxidantes que el organismo posee se ven sobrepasados, debido a la excesiva respuesta inflamatoria y a la sobreproducción de especies reactivas de oxígeno. La ubicuidad de la melatonina, así como su conocida acción antioxidante ha suscitado la investigación de su utilización como potencial agente terapéutico en el tratamiento de patologías tan prevalentes en nuestro medio como las enfermedades cardiovasculares o la amenaza de la viabilidad de los trasplantes de órganos, debido a la lesión por isquemia reperfusión. Estos fenómenos de estrés oxidativo son causados por la isquemia, aunque también por la reperfusión, tras la desobstrucción del vaso ocluido en el caso de procedimientos terapéuticos a nivel cardiovascular, o tras el restablecimiento del flujo sanguíneo en el trasplante de órganos o injertos tisulares. Tanto a nivel cardiovascular como en el trasplante de órganos, la melatonina es considerada como un posible tratamiento complementario a los procedimientos de reperfusión tisular, paliando la lesión por isquemia reperfusión resultante.<br /

Implicación fisiopatológica de las células similares a las intersticiales de Cajal (ICCs-like) en el útero

Santiago Ramón y Cajal descubrió, a finales del siglo XIX, una nueva estirpe celular a nivel de los plexos nerviosos del tubo digestivo, entre las neuronas, las células gliales y las células musculares lisas. Su principal función residía en la regulación del peristaltismo gastrointestinal, ejerciendo un papel de célula marcapasos a partir de la generación de ondas eléctricas lentas espontáneas. Tal ha sido el progreso en la investigación de estas células, denominadas células intersticiales de Cajal (ICCs), que en 2005 se descubrió a microscopía electrónica (ME) un tipo celular similar a las ICCs (ICCs-like) fuera del aparato gastrointestinal, de actividad contráctil e inmunohistoquímica c-Kit + compartida con las ICCs. Entre las localizaciones con las que se han relacionado las ICCs-like, renombradas como telocitos (TCs) según el curso de algunas investigaciones, es en el útero donde presentan un papel funcional y fisiopatológico a destacar. Se trata de células involucradas en fenómenos obstétricos de acción contráctil, como el transporte ascendente de esperma, la implantación embrionaria, el embarazo y el parto, así como en la expulsión de desechos menstruales en útero no gestante. Por su parte, dentro de la fisiopatología relacionada con estas células, encontramos alteraciones obstétricas como abortos recurrentes, partos prematuros, abolición de contracciones uterinas o fracasos en la implantación embrionaria, además de otras afecciones comunes en la edad fértil, como la endometriosis o el leiomioma.<br /

Envejecimiento del sistema nervioso entérico

El envejecimiento se caracteriza por una disminución progresiva de la capacidad funcional de todos los tejidos del organismo. Numerosas teorías han propuesto mecanismos para explicar dicho fenómeno, siendo una de la más aceptada la que responsabiliza a los radicales libres producidos a nivel celular. El estrés oxidativo altera la función y la estructura de las células, afectando a lípidos, proteínas e hidratos de carbono en todos los sistemas y aparatos. Cabe destacar que los sistemas nerviosos central y entérico son especialmente sensibles al estrés oxidativo, donde inducen cambios en su estructura y función. Para estudiar el efecto del envejecimiento, se han utilizado cortes de duodeno en ratas de 3, 12 y 24 meses de edad, marcados mediante inmunohistoquímica con anticuerpos frente a la proteína S-100. Se ha realizado un estudio morfométrico calculando las áreas de las túnica submucosa y muscular, y la superficie que ocupa el plexo submucoso, situado en la pared submucosa y el plexo mientérico, entre las capas musculares circular y longitudinal del duodeno, en los tres grupos de edad. Los resultados obtenidos sugieren un marcado descenso tanto del plexo submucoso como del mientérico, a medida que aumenta la edad de las ratas. Estos datos, coincidentes con estudios realizados por otros autores, apoyan la hipótesis de que con la edad, se producen alteraciones en el sistema nervioso entérico, que pueden ser responsables de la mayor susceptibilidad de trastornos de la motilidad intestinal, como el estreñimiento

Implicación de las Células Intersticiales de Cajal en la fisiopatología gástrica

Las células intersticiales de Cajal (ICC) fueron descritas por Santiago Ramón y Cajal y las relacionó con los plexos del sistema nervioso entérico. Se clasifican en distintos subtipos en relación con su localización, morfología y funciones. Además de su actuación como células marcapasos en el tracto gastrointestinal y su función de mecanorreceptor, tienen un papel fundamental en la neurotransmisión entérica al transmitir potenciales de acción de las fibras nerviosas entéricas a las células musculares lisas de la pared intestinal. Las alteraciones en la motilidad gastrointestinal están relacionadas con una disminución en el número de las ICC o déficit del receptor c-kit, expresado en la membrana de las ICC, las cuales están implicadas en enfermedades digestivas tales como la acalasia, pseudoobstrucción intestinal, enfermedad inflamatoria intestinal, enfermedad de Hirschprung, tumores del estroma gastrointestinal (GIST), gastropatía diabética. Esta última se ha relacionado con una disminución de la enzima antioxidante hemooxigenasa-1 (HO-1) provocando una reducción de las ICC, y de la óxido nítrico sintasa (nNOS) lo que conlleva a un enlentecimiento del vaciamiento gástrico. Por ello, la disminución o lesión de las redes de ICC en los pacientes diabéticos puede contribuir a generar la gastropatía diabética caracterizada por presentar anomalías en el peristaltismo gástrico.<br /

Pathophysiological implications of interstitial Cajal-like cells (ICC-like) in uterus: A comparative study with gastrointestinal ICCs

The main function of interstitial cells of Cajal (ICCs) is to regulate gastrointestinal peristalsis by acting as a “pacemaker” cell by generating spontaneous slow electrical waves. In 2005, electron microscopy revealed a cell type similar to ICCs (ICC-like) outside the gastrointestinal tract, with contractile activity and c-Kit+ immunohistochemistry shared with ICCs. Among the locations where ICC-like cells have been observed, it is in the uterus where they have a significant functional and pathophysiological role. These cells are involved in obstetric phenomena of contractile action, such as ascending sperm transport, embryo implantation, pregnancy, delivery, and the expulsion of menstrual debris. Within the pathophysiology related to these cells, we find obstetric alterations such as recurrent miscarriages, premature deliveries, abolition of uterine contractions, and failures of embryo implantation, in addition to other common conditions in the fertile age, such as endometriosis and leiomyoma

Actividad protectora de la melatonina en las membranas celulares y mitocondriales durante la isquemia y reperfusión hepática

El estrés oxidativo genera daño en los lípidos y proteínas, principales constituyentes de las membranas biológicas. La melatonina (MEL) tiene una potente actividad antioxidante que ejerce, bien neutralizando radicales libres por cesión electrónica, bien estimulando la actividad y expresión de las enzimas antioxidantes. En el presente trabajo, se evaluó el efecto de la indolamina en un modelo in vivo de isquemia-reperfusión (I-R) hepática en la rata. Para ello, 40 ratas macho raza Sprague-Dawley (225-250 g) se distribuyeron en cuatro grupos: Control (n=10), isquemia (n=10), I-R (n=10), y MEL tras I-R (n=10). La isquemia se realizó mediante la maniobra de Pringle, consistente en oclusión de la arteria hepática y de la vena porta. Se utilizaron 20 minutos de isquemia y 30 minutos de reperfusión. La MEL (50 mg/kg, intraperitoneal) se administró 30¿ antes del inicio de la isquemia vascular. El daño en las membranas celulares y mitocondriales se valoró mediante los cambios en su fluidez, por espectroscopía de fluorescencia con TMA-DPH como marcador, y por la determinación de las concentraciones de malonildialdehido y 4-hidroxialquenales y de la carbonilación proteica, mediante espectrofotometría, indicadores de la oxidación de lípidos y proteínas, respectivamente. Dado que el óxido nítrico está implicado en el daño oxidativo por I-R, también se valoró si la MEL podía reducir la lesión de las membranas mediada por radicales libres en un sistema que utiliza el nitroprusiato sódico (NPS) como donante de óxido nítrico. Tras realizar los estudios cinéticos de este modelo se utilizó NPS 1 mM y una incubación a 37°C durante 1 hora.Tras 20 minutos de isquemia no se produjeron alteraciones en la dinámica lipídica en las membranas celulares y mitocondriales ni se observaron signos de lesión oxidativa en los lípidos y proteínas del tejido hepático. La reperfusión vascular durante 30 minutos tras la maniobra de Pringle causó una marcada caída de la fluidez en las membranas celulares y mitocondriales y elevación de los marcadores de lesión oxidativa en lípidos y proteínas, lo que sugiere que los radicales libres pueden ser los responsables, al menos parcialmente, de la rigidez en las membranas hepáticas. El tratamiento con MEL preservó el nivel basal de fluidez en las membranas y previno la oxidación de los lípidos y proteínas, causada por la reperfusión.La exposición in vitro de las membranas celulares y mitocondriales aisladas del tejido hepático de la rata al NPS produjo rigidez en las mismas, a la vez que oxidación de sus constituyentes lipídicos y proteicos, lo que sugiere que ambos fenómenos están relacionados. Estos cambios fueron reducidos por la indolamina de forma concentración dependiente. Estos resultados refuerzan la necesidad de evaluar el potencial uso terapéutico de la melatonina en los procesos que cursan con I-R, como las patologías vasculares y el trasplante de órganos.<br /

Efectos del ejercicio físico en la fluidez de membranas celulares y mitocondriales: Su relación con el estrés oxidativo

Se requieren niveles óptimos de fluidez de membrana para una fisiología celular adecuada. Nuestro objetivo fue estudiar los efectos del ejercicio agudo y del entrenamiento regular sobre la fluidez de las membranas celulares y mitocondriales, la peroxidación lipídica y la oxidación proteica en los músculos esquelético y cardiaco, hígado y cerebro. 50 ratas macho Sprague-Dawley fueron distribuidas en 5 grupos (n=10) en función del protocolo de ejercicio: control o sedentarias (G1), ejercicio agudo (G2) y entrenamiento de 1, 4 y 12 semanas (G3, G4 y G5, respectivamente). G2-5 fueron sometidos a una prueba aguda progresiva hasta la extenuación en un tapiz rodante. Las cargas de trabajo se determinaron para los grupos de entrenamiento, teniendo en cuenta la velocidad máxima alcanzada. Las sesiones de entrenamiento fueron interválicas, alternando el 80% y el 35% de la carga máxima de trabajo, durante 1 h/día, 4 días/semana. Las membranas celulares y mitocondriales se aislaron a partir de los tejidos por centrifugación diferencial. Se determinó la fluidez por espectroscopía de fluorescencia, utilizando TMA-DPH como marcador fluorescente, y se expresó como el inverso de la polarización medida (1/P). La concentración de malonildialdehído y 4-hidroxialquenales (MDA + 4-HDA) y el contenido carbonilo proteico fueron determinados en los homogeneizados de los tejidos para valorar la peroxidación lipídica y la oxidación proteica, respectivamente. Nuestros resultados muestran que tanto el ejercicio agudo exhaustivo como el entrenamiento regular indujeron rigidez en las membranas celulares y mitocondriales aisladas a partir de los músculos esquelético y cardiaco, y en los sinaptosomas. La fluidez de las membranas mitocondriales hepáticas disminuyó tras el ejercicio agudo, aunque se preservaron los niveles de fluidez en las membranas de los hepatocitos. El ejercicio agudo aumentó los niveles de MDA + 4-HDA, especialmente en músculo esquelético, hígado y cerebro. Además, los niveles de carbonilos proteicos fueron mayores después del ejercicio agudo en el músculo esquelético, el corazón y el hígado. El entrenamiento corto de 1 semana también aumentó estos índices de estrés oxidativo. Sin embargo, el entrenamiento regular de larga duración de 4 ó 12 semanas no afectó ni a la peroxidación lipídica ni al contenido carbonilo proteico. Estos resultados son consistentes con la idea de que el ejercicio exacerba el daño oxidativo, lo que puede contribuir, al menos parcialmente, a explicar la rigidez en las membranas a causa del ejercicio

Efecto de la isquemia reperfusión hepatica en las membranas biológicas

Una de las causas más importantes de lesión hepática en situaciones como el trasplante hepático, la cirugía de resección hepática y los estados de shock es el fenómeno de isquemia-reperfusión. En la fase temprana de la reperfusión ocurren cambios en la microvascularización que implican la muerte de los hepatocitos, tras lo cual diversas células, como los polimofronucleares o los propios hepatocitos, liberan factores quimiotácticos e inflamatorios que perpetúan la lesión. Uno de los hechos más destacables de todo el proceso es la producción de radicales libres del oxígeno por parte del sistema xantina-oxidasa (XO) y las mitocondrias, estimulada principalmente por la depleción de adenosín trifosfato (ATP) celular en la fase hipóxica. Los radicales libres alteran la función y la estructura de las células hepáticas por medio del proceso de peroxidación lipídica, cuyo resultado es la disminución de la fluidez de la membrana celular y la consiguiente lesión irreversible del hígado. Nuestro objetivo fue valorar los niveles de fluidez en membranas celulares y mitocondriales de tres grupos de 4 ratas: 1) Controles sin isquemia; 2) 15 minutos de isquemia; 3) Isquemia seguida de 30 minutos de reperfusión vascular. La isquemia hepática se realizó por oclusión temporal de los dos elementos vasculares del pedículo hepático: arteria hepática y vena porta. La fluidez se determinó por espectroscopio de fluorescencia utilizando el 1-(4- trimetilamoniofenil) 6-fenil-1,3,5- hexatrieno- p- tolueno sulfonato (TMA-DPH) como marcador. Nuestros resultados demuestran que la fluidez disminuyó tanto en las membranas celulares como mitocondriales, si bien los cambios solo fueron significativos en las membranas celulares. Dado que la reperfusión de un órgano causa exacerbación del estrés oxidativo y que la exposición a radicales libres produce rigidez en las membranas biológicas, nuestros datos apoyan la hipótesis de que las alteraciones funcionales de las membranas celulares pueden desempeñar un papel clave en la lesión producida durante los fenómenos de isquemia reperfusión

Afectación del sistema nervioso entérico por el estrés oxidativo en la patología gastrointestinal y neurodegenerativa

El sistema nervioso entérico se ha considerado como el “segundo cerebro”, dadas sus complejas funciones sobre la motilidad y la neurotransmisión gastrointestinal. Las células intersticiales de Cajal son las encargadas de su función marcapasos, así como de la neurotransmisión entérica y mecanorrecepción. Se han descrito reducciones de su número en patologías gastrointestinales que cursan con deficiencias en su función de motilidad. Esto se ha visto en las zonas agangliónicas de la enfermedad de Hirschprung a nivel de los plexos nerviosos; a nivel del esfínter esofágico inferior en la acalasia; en la capa muscular circular del píloro en la enfermedad hipertrófica pilórica; y a nivel tanto mientérico como intramuscular en la gastroparesis, la enfermedad por reflujo gastroesofágico y la enfermedad inflamatoria intestinal. En la infección chagásica se han visto reducciones de las ICCs a nivel colónico y los tumores GIST parecen tener su origen en una hiperproliferación de las ICCs. Las enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson, el Alzheimer y la esclerosis lateral amiotrófica se relacionan con disfunciones del sistema nervioso entérico. Los cuerpos de Lewy y α-sinucleína en el Parkinson, y la β-amiloide en el Alzheimer pueden acumularse a nivel de los plexos mientéricos; y hay un aumento de células de Paneth a nivel intestinal en la esclerosis lateral amiotrófica. Los trastornos del espectro autista se relacionan con síntomas gastrointestinales e hiperserotoninemia.El estrés oxidativo influye directamente sobre la patogenia de las enfermedades neurodegenerativas a nivel del sistema nervioso entérico: La superóxido dismutasa y la mutación de su isoforma 1 se ha estudiado en la patogenia de la esclerosis lateral amiotrófica; la sobreexpresión de hemo-oxigenasa 1 se ha relacionado con el Alzheimer; y la desregulación de las vías nitrérgicas con disfunciones de las células intersticiales de Cajal. La presente revisión permite concluir el sistema nervioso entérico y el sistema nervioso central están íntimamente conectados.<br /