El efecto disruptivo del estrés crónico

El estrés crónico es considerado uno de los factores de riesgo más significativo en la emergencia  de la depresión.  Esta relación ha motivado un buen número de estudios experimentales sobre el proceso específico por el cual la exposición  a situaciones estresantes cambia la arquitectura celular del cerebro. La exposición persistente  a situaciones estresantes es capaz de disparar la emergencia de un conjunto de alteraciones neurobiológicas incluyendo pérdida sináptica, retracción dendrítica y alteraciones de la neurogénesis, particularmente en los núcleos  involucrados en el control cognitivo y la regulación emocional. En la última década, la investigación  se ha enfocado  específicamente  en las alteraciones neuronales y en particular, las alteraciones inducidas por estrés en la composición y función de receptores ionotrópicos. Por el contrario, el rol de las glias (específicamente microglias y astrocitos) ha recibido menos atención.  La capacidad de estas células para participar activamente en –y modular- la neurotransmisión  glutamatérgica es actualmente un área de investigación  de rápida expansión.

En la corteza prefrontal y el hipocampo, los niveles de L-glutamato (Glu) aumentan después de la exposición a estresores agudos  así como después de la administración aguda y crónica de corticosterona. En la mayoría de los casos, los niveles de Glu aumentan significativamente minutos después de la exposición al estrés y tienden a permanecer elevados  hasta una hora después de finalizado el estrés. La elevación de Glu inducida por el estrés  es dependiente de glucocorticoides y la remoción de las glándulas suprarrenales bloquea la potenciación de la liberación de Glu. El estrés, además de alterar la liberación presináptica de Glu, puede provocar la reorganización de los receptores ionotrópicos postsinápticos  de Glu (GluR), NMDA y AMPA. Inicialmente, el estrés dispara un aumento de  NMDA y AMPA, pero después de la exposición prolongada al estrés  se produce una regulación hacia abajo de estos receptores. La exposición al estrés también dispara cambios en la composición de las subunidades  de los receptores en la sinapsis. Por ejemplo, el estrés agudo induce un incremento del ARNm de la subunidad GluN2B del receptor NMDA, sin cambios observables en la subunidad GluN2A. Por otra parte, la exposición al estrés crónico dispara reducciones  en las  dendrítas apicales. La atrofia de las dendritas está asociada con niveles significativos de perdida de espinas particularmente en la corteza prefrontal y el hipocampo.  Estos cambios estructurales están acoplados con alteraciones  en las corrientes excitadoras postsinápticas.  Si bien   la reducción  en la densidad de espinas juega un rol en la alteración de la liberación de Glu, también hay que tomar en cuenta las acciones rápidas (no genómicas) de la corticosterona, las cuales en conjunto con las acciones genómicas proporcionan  una potenciación rápida y sostenida  del Glu en la fase aguda. De acuerdo con estos resultados,  el estrés agudo y crónico  podría alterar la potenciación de larga duración (LTP) y la depresión de larga duración (LTD). Específicamente,  se ha demostrado que el estrés produce  alteración de la LTP en el hipocampo, mientras la LTD es facilitada en animales expuestos al estrés y a hormonas adrenales. Estos hallazgos  son considerados relevantes en los disturbios de memoria espacial inducidos por el estrés. Hay otras rutas por las cuales el estrés puede afectar la transmisión glutamatérgica como, por ejemplo, la modulación inducida por el estrés de citoquinas proinflamatorias  y por consiguiente la  producción  de  ácido quinolínico dependiente de indolamina 2,3 dioxigenasa, un agonista del receptor NMDA, y de ácido kinurénico, un antagonista del receptor NMDA.  

En la sinapsis glutamatérgica, el Glu es almacenado en vesículas en la neurona presináptica por transportadores vesiculares de Glu (VGluT). Las vesículas glutamatérgicas migran al terminal presináptico en donde se unen a  -y se asocian con- las proteínas SNARE (N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor). El conjunto de vesículas glutamatérgicas localizado en el terminal presináptico es referido como el pool de liberación rápida de Glu.  En respuesta a un potencial de acción, las proteínas SNARE facilitan la liberación de Glu en la hendidura sináptica y las moléculas de Glu difunden en el espacio extracelular. El Glu libre puede unirse a –y activar- receptores ionotrópicos (NMDA y AMPA) y receptores metabotrópicos (mGlu), lo cual resulta en potenciales de acción  o cascadas de señalización acopladas a proteína G, respectivamente. Estos receptores pueden estar localizados en el terminal postsináptico, la membrana presináptica, terminales extrasinápticos y astrocitos perisinápticos.   

Históricamente, el principal rol de los astrocitos  en la sinapsis glutamatérgica es la remoción de Glu. En el centro de esta actividad  están dos transportadores de Glu localizados en la membrana de los astrocitos, conocidos como transportadores de aminoácidos excitadores (EAAT1 y EAAT2), los cuales pertenecen a una familia de transportadores de Glu que intercambian una molécula de Glu con dos o tres iones Na⁺ y un ion H⁺ por un ion K⁺. Los EAAT remueven aproximadamente 90% del Glu liberado en la sinapsis. En los astrocitos, el Glu es convertido por la enzima glutamina sintetasa en glutamina, la cual es liberada hacia la neurona presináptica para la formación y el re-uso del Glu. Los transportadores de Glu de las neuronas (GluT3)  también participan en la remoción de Glu.

Los astrocitos también responden al Glu sináptico  generando ondas de Ca²⁺ que pueden propagarse por distancias significativas y servir como medios de comunicación entre las células del sistema nervioso central vía liberación de ATP. Estas ondas pueden inducir elevaciones de Ca²⁺ en neuronas y microglias distantes y pueden modular directamente su función, afectando las respuestas neuronales a los neurotransmisores y la quimioatracción microglial. La propagación de las ondas de Ca²⁺ a través de poblaciones de astrocitos modula la acción de las microglias.  Es posible que este mecanismo exista como una forma de  comunicar a las microglias locales y distantes  la magnitud de la transmisión glutamatérgica en sinapsis simples  y múltiples, permitiendo su rápida respuesta en el caso que las concentraciones alcancen umbrales tóxicos. Las ondas de Ca²⁺ son una forma efectiva de comunicación entre astrocitos y microglias porque la vida media del Glu y el ATP extracelulares es relativamente corta. Por otra parte, estudios recientes demuestran que los astrocitos también liberan Glu en las neuronas para modular directamente la función glutamatérgica. Los astrocitos poseen la maquinaria requerida para almacenar y liberar Glu incluyendo VGlut1/2 y proteínas SNARE. La liberación de Glu por los astrocitos ocurre en respuesta a las elevaciones intracelulares de Ca²⁺ y es capaz de inducir la activación sincrónica  de varias neuronas a través de receptores NMDA. Esto proporciona al astrocito un mecanismo por el cual  puede orquestar la activación de numerosas células  del sistema nervioso central, modulando directamente la activación de un determinado número de terminales sinápticos.

El conocimiento del rol de las microglias  en la neurotransmisión ha evolucionado sustancialmente. Actualmente se acepta que los procesos microgliales hacen contacto directo con los elementos sinápticos con una frecuencia que depende  de la actividad sináptica. Un estudio reciente demuestra que la actividad  de una microglia puede ser modificada significativamente  por cambios en la experiencia visual y que la privación de luz incrementa marcadamente la frecuencia de contactos microglia-sinapsis. Esta observación, entre otras,  ha servido para extender el concepto de sinapsis tripartita  a cuatripartita, reconociendo la actividad sináptica de la microglia. Los ratones que carecen de microglias exhiben déficit de aprendizaje  y disminución  de la formación de sinapsis dependientes del aprendizaje.  Con  relación al rol especifico de las microglias en la señal glutamatérgica, varios estudios han identificado GluR y mGluR en estas células. La aplicación de Glu o de agonistas de receptores AMPA y NMDA induce  la reorganización estructural de las microglias, disparando un incremento en el número de ramas y en la longitud de los procesos. Las microglias también responden con vigorosos cambios funcionales y morfológicos a la liberación de ATP estimulada por Glu, un efecto que parece depender de receptores purinérgicos P2Y12. Por otra parte, las microglias responden al daño tisular aclarando Glu con sus propios EAAT. Hay evidencia que las microglias poseen EAAT, cuya expresión ha sido identificada principalmente en condiciones neuropatológicas con las microglias actuando de una manera neuroprotectora en el aclaramiento del Glu extracelular en situaciones de trauma cerebral e isquemia que se caracterizan por concentraciones neurotóxicas de Glu extracelular. Es conocido que el Glu actúa como una señal de alarma microglial iniciando la quimioatracción  a través de un mecanismo dependiente de ATP-P2Y12. Las microglias, a su vez, pueden dirigir la modulación mediada por astrocitos de la actividad sináptica glutamatérgica. La activación  de la microglia dispara la liberación de ATP microglial, el cual  a su vez dispara la liberación de ATP    en los astrocitos  a través de una ruta dependiente de P2Y1.

La reducción en la expresión  de la proteína acídica fibrilar glial (GFAP) es  una de las consecuencias de la exposición al estrés crónico y ha sido demostrada consistentemente en corteza prefrontal  e hipocampo en modelos animales y en tejidos postmorten de sujetos con depresión. En casi todos los casos, la reducción  en GFAP ha sido atribuida a la pérdida de astrocitos en estas regiones cerebrales. Sin embargo, la evidencia reciente indica que el estrés crónico más que provocar la pérdida celular induce una atrofia  significativa del citoesqueleto del astrocito. Más aún, hay una relación bien documentada entre la GFAP del citoesqueleto y los EAAT del astrocito. Específicamente, el EAAT1 se une directamente a la GFAP. Este hallazgo sugiere la posibilidad que la GFAP  tenga un rol central en la función óptima del astrocito y el aclaramiento de Glu. Una ruta adicional por la cual el estrés crónico puede influir en la expresión de los EAAT es a través de la modulación de aquaporina-4 (AQP4).  La AQP4 ha sido relacionada  con el reclutamiento diferencial de astrocitos en la inflamación y recientemente se ha demostrado que puede formar un complejo macromolecular con el EAAT2.  Esta posibilidad ha sido  razonablemente sustentada en ratones que carecen de AQP4, los cuales exhiben  una reducida expresión  de GFAP y niveles bajos de EAAT2 en el hipocampo.  Es posible, entonces, que la atrofia del citoesqueleto inducida por el estrés crónico esté relacionada con cambios en la señal glutamatérgica y en la captación de Glu. Consistentes con esta posibilidad, varios estudios han reportado que la exposición al estrés o a la corticosterona es suficiente para inducir cambios  en la expresión de EAAT.

El estrés crónico también altera la señal purinérgica.  Este cambio es muy relevante porque el ATP y los productos de su degradación extracelular (colectivamente referidos como purinas) constituyen un potencial mecanismo para el control de la transmisión glutamatérgica dependiente de  las glias. Varios estudios han demostrado que el estrés crónico suprime la expresión  del receptor P2X7, presente en los astrocitos y cuya activación aumenta la liberación de Glu.  La expresión de los receptores ionotrópicos de Glu también es alterada por la exposición al estrés crónico, con pérdida de receptores NMDA y disminución en la expresión de la subunidad GluA1 del receptor AMPA.

En conclusión, los hallazgos que confieren al estrés crónico un rol disruptivo y/o modificador de ciertos aspectos del control glial  sobre la señal glutamatérgica  han sido reconocidos por varios grupos de investigadores por su relevancia en el entendimiento de la depresión.  Sobre la base de la evidencia acumulada, el estrés crónico puede ser asociado con un grupo crítico de eventos neurobiológicos involucrados en la pérdida de astrocitos, alteraciones de la liberación de Glu y la emergencia de niveles excesivos de Glu extracelular  que disparan la excitotoxicidad. Numerosos estudios clínicos  proporcionan abundante evidencia  que apoyan esta posición, los estudios de neuroimagen, por ejemplo,  indican que los individuos  con depresión exhiben significativa pérdida de células a largo plazo.  Las investigaciones de los últimos años han identificado claramente que los astrocitos son profundamente dañados  por la exposición al estrés crónico. Los transportadores de Glu, EAAT 1 y 2, específicos de las glias representan actualmente los candidatos más obvios  para entender cómo el estrés altera las interacciones glia-neurona.

Fuente: Mayhew J et al (2015).  Astrocyte and microglial control of glutamatergic signalling: a primer on understanding the disruptive role of chronic stress. Journal of Neuroendocrinology 27: 498-506.