Revisión histórica
Los hallazgos de anomalías axonales inducidas por un traumatismo en la mayoría de los modelos experimentales de lesión craneal contundente, sin interrupción de la mielina ni daño franco en los procesos neurales o gliales adyacentes, no han aportado pruebas de desgarro o cizallamiento directo de los axones tras una lesión traumática.910 Esto fue apoyado por estudios de fractura por congelación, realizados en las fases tempranas de la lesión axonal, que no mostraron ni la disrupción inmediata de la mielina internodal ni la pérdida temprana de las uniones gliales-axonales, lo que sugiere que la vaina de mielina en sí misma no es dañada inmediatamente por las fuerzas de la lesión.23 En esta etapa, ambos grupos mencionados postularon que las fuerzas de la lesión traumática actúan primero sobre el axolema o el axoplasma, mientras que evitan la vaina de mielina. Dentro de esta hipótesis, las fuerzas mecánicas de la lesión podrían estirar o lesionar el axolema hasta sus límites biomecánicos, momento en el que la homeostasis iónica fallaría e iniciaría el cambio axonal reactivo.
Sin embargo, en una serie de investigaciones posteriores en tejido cerebral tanto de humanos1222 como de animales2124 , Povlishock y sus colegas proporcionaron datos para apoyar un papel iniciador del citoesqueleto intraaxonal. Sus estudios revelaron una compleja secuencia de eventos intra-axonales que progresaron hasta el cambio axonal reactivo. En concreto, utilizando anticuerpos dirigidos al componente de neurofilamentos del citoesqueleto, descubrieron que había una acumulación focal de la subunidad de 68 kDa (NF-L) al cabo de una hora de la lesión y que este aumento era espectacular a las dos horas. A medida que aumenta el tiempo, los neurofilamentos se desorganizan y se desalinean con respecto al eje longitudinal del axón. No se detectó ninguna pérdida o disolución de neurofilamentos. Por lo tanto, estos datos son incompatibles con la degradación del citoesqueleto mediada por una proteasa neutra. En cambio, el aumento de la subunidad de neurofilamentos de 68kDa apoyaba la posibilidad de una reorganización del conjunto de neurofilamentos inducida por el trauma. Además, en esta serie de experimentos no se detectaron evidencias ultraestructurales de una alteración axolémica directa. Se detectó el plegado y la distensión del axolema y se atribuyó al cambio axonal reactivo en curso. Estos hallazgos sugirieron que un efecto mecánico directo sobre el citoesqueleto del cilindro del axón era el acontecimiento fundamental en el inicio de la patogénesis de la lesión axonal.
Otros enfoques sugirieron que el axolema estaba implicado en el inicio del cambio axonal reactivo. Maxwell et al. utilizaron un modelo de tracción nerviosa para analizar los cambios morfológicos dentro de los axones dañados.18 Estos autores aportaron pruebas de que los lugares iniciales de daño, tras una lesión por estiramiento no disruptiva, son los nodos de Ranvier, algunos de los cuales desarrollan «ampollas nodales». Estas hemorragias son protuberancias del axoplasma limitadas por el axolema en el espacio perinodal y son más numerosas a los 15 minutos de la lesión, pero menos en intervalos posteriores. En los axones dañados con hemorragias nodales, los neurofilamentos estaban desorganizados, se desviaban del eje longitudinal del axón y se extendían dentro de las hemorragias. Por el contrario, los microtúbulos mantuvieron su disposición longitudinal y no se desviaron hacia la ampolla. El análisis cuantitativo de este material demostró que había una pérdida significativa de microtúbulos y un aumento del espaciado de los neurofilamentos en el axoplasma de los ganglios con las manchas nodales asociadas. Esta pérdida de microtúbulos podría interrumpir el transporte axoplásmico rápido, lo que daría lugar a la acumulación focal de orgánulos membranosos en regiones paranodales adyacentes del axón para formar hinchazones axonales. Además, estos trabajadores aportaron las primeras pruebas citoquímicas que apoyan la idea de la afluencia de calcio en las fibras nerviosas mielinizadas lesionadas por estiramiento.25 El uso de la técnica de oxalato-piroantimonato para la localización del calcio mostró un mayor contenido de precipitado de piroantimonato dentro de las manchas nodales a los 15 minutos de la lesión por estiramiento. Esto se correlacionó con una reducción en el etiquetado de la actividad de la bomba de membrana Ca2+ATPasa en el axolema nodal.26 El nodo de Ranvier es la región especializada del axolema en la que se localizan grupos de canales de Na+, bombas impulsadas por ATPasas para el calcio y un intercambiador Na+/Ca2+.2027 Por lo tanto, la pérdida de la actividad de la bomba de membrana en el axolema nodal podría proporcionar un mecanismo para la afluencia de calcio libre en los nodos de Ranvier tras una lesión traumática. Esta evidencia apoya la hipótesis de que las fuerzas de la lesión traumática dan lugar a una pertubación focal del axolema con la consiguiente afluencia de calcio libre capaz de activar una subpoblación de proteasas neutras.25
Las investigaciones biofísicas han utilizado técnicas novedosas para analizar el axolema en condiciones experimentales análogas a la lesión axonal. Tras una lesión por estiramiento leve se produce una serie de constricciones y expansiones en las fibras del nervio ciático de la rata adulta. Este cambio de forma se conoce como «beading».28-30 La transformación de la forma esencialmente cilíndrica de la fibra nerviosa normal a una que es beaded se produce rápidamente, en un plazo de 10 a 20 segundos tras el inicio del estiramiento. Los datos experimentales iniciales sugieren que el rebordeado se produce por un mecanismo relacionado con el axolema, el citoesqueleto o ambos. En este modelo, la proteína transmembrana β1-integrina se une tanto a la matriz extracelular como al citoesqueleto.14 La tensión ejercida sobre la matriz extracelular se señala a través de la β1-integrina al citoesqueleto con la consiguiente alteración de su integridad y disposición espacial. Sin embargo, un estudio reciente ha indicado que el rebordeado no requiere un citoesqueleto interconectado y ha concluido que el axolema es el lugar de inicio o de constricción del rebordeado.31 Cabe especular que el rebordeado puede formar parte del proceso biológico que se describe como cambio axonal reactivo en la literatura relacionada con la lesión axonal inducida por un traumatismo.
En los últimos cuatro años se ha establecido la implicación del axolema en la patogénesis de la lesión axonal. Maxwell et al. demostraron que una lesión cerebral traumática grave causada por una aceleración lateral era capaz de desgarrar directamente el axolema en primates no humanos.32 Este estudio fue el primero en proporcionar pruebas ultraestructurales que apoyaban el concepto de cizallamiento axonal en la lesión traumática del cerebro. La pérdida de la integridad del axolema se asoció a una rápida disolución del citoesqueleto axonal. En los axones que mostraban desgarro o fragmentación axolemal, la organización filamentosa del citoesqueleto fue sustituida por un precipitado floculento consistente con una rápida disolución de las proteínas del citoesqueleto subyacente. Estos cambios se detectaron a los pocos minutos de la lesión, pero sólo se produjeron en una subpoblación de axones de calibre fino y poco mielinizados tras una lesión grave. Estos cambios morfológicos representaron una respuesta aguda de los axones a la lesión y se denominaron «axotomía primaria», definida como la que se produce a los pocos minutos de la lesión, en contraste con la axotomía secundaria retardada, que se desarrolla a lo largo de un periodo de horas. En el mismo material experimental no había evidencia de la interrupción del axolema una hora después de la lesión. Esto sugiere que la membrana axonal alterada se vuelve a cerrar una hora después de la lesión.
Después de esta publicación, Povlishock y sus colegas reconsideraron su hipótesis central, que no incluía un papel para el axolema en el inicio de la lesión axonal inducida por el trauma. Tras reflexionar, sugirieron que el desgarro directo del axolema podría representar el extremo más grave de una gama de alteraciones axolemales.33 Este fue un punto de inflexión importante, ya que, durante muchos años, este grupo de investigación había defendido que no había pruebas de alteraciones directas en el axolema tras la lesión en ninguno de los numerosos paradigmas que habían investigado. Además, habían defendido que la patobiología de la lesión axonal inducida por un traumatismo era el resultado de la alteración directa del transporte axoplásmico debido a que las fuerzas de la lesión interrumpían directamente el citoesqueleto axonal.71221
En una serie de experimentos diseñados para investigar esta cuestión, Povlishock y sus colegas emplearon el trazador extracelular, la peroxidasa de rábano picante (HRP), para determinar si las alteraciones directas en el axolema eran detectables en las lesiones cerebrales traumáticas de gravedad leve y moderada.3334 Este novedoso enfoque se basó en el principio de que los trazadores macromoleculares como la HRP son normalmente excluidos del axoplasma por un axolema intacto. Por lo tanto, la detección de la actividad de la peroxidasa intraaxonal constituiría una prueba de la alteración del axolema. Además, el sitio de la actividad de la peroxidasa delinearía el sitio inicial de la pertubación axonal, lo que permitiría comprender los factores iniciadores involucrados en la patogénesis de la axotomía secundaria. Sus hallazgos mostraron que la patobiología de la lesión axonal inducida por el trauma era un proceso heterogéneo y complejo que implicaba una patología iniciadora múltiple y variada.
En particular, la gravedad de la lesión traumática determinaba los acontecimientos posteriores en el axolema y el citoesqueleto, lo que daba lugar a una respuesta diferencial al insulto. En concreto, tras una lesión moderada, se detectaron pertubaciones directas del axolema que se reflejaron en una alteración de su permeabilidad a las macromoléculas.33-35 Esto se asoció a una rápida compactación local de los neurofilamentos axonales evidenciada por una disminución de la distancia entre los filamentos. Sin embargo, tras una lesión cerebral traumática leve no se detectaron evidencias de alteraciones en el axolema y se encontró un conjunto diferente de anormalidades citoesqueléticas, con desalineación e hinchazón axonal. Anteriormente se había descrito una respuesta diferencial a la lesión en un modelo de carga por compresión de la lesión axonal.36 Con una carga de baja tensión, los axones mostraban una alteración axoplásmica independiente de cualquier cambio en la integridad axolemática, totalmente coherente con los cambios descritos con la lesión cerebral traumática leve. Con lesiones más graves, los mismos axones mostraron un cambio axolemático que se correlacionaba con un fallo axoplásmico dramático. Estudios posteriores han ampliado estos hallazgos demostrando que estas alteraciones en el axolema y en el citoesqueleto no son específicas del modelo3435 ni de la especie.37 Además, tras la demostración de las alteraciones inducidas por el trauma en la permeabilidad del axolema, los estudios sugirieron que el calcio puede estar implicado en el inicio de los eventos del citoesqueleto. Esta aparente contradicción con los puntos de vista anteriores se debía a que postulaban que el calcio actuaba a través de mecanismos no identificados previamente. En lugar de activar las enzimas proteolíticas, el calcio podría actuar de forma menos drástica para alterar los neurofilamentos laterales, provocando el colapso de los neurofilamentos y dando lugar a su mayor densidad de empaquetamiento. Es posible que estos neurofilamentos laterales puedan ser escindidos por procesos mediados por el calcio o desfosforilados a través de las acciones de quinasas y fosfatasas para dar lugar a la alteración del espacio tridimensional de los neurofilamentos.1
En conclusión, la controversia que rodea el papel del axolema en la patobiología de la lesión axonal inducida por el trauma se ha resuelto en cierta medida. Ahora se acepta que la alteración del axolema es el evento inicial en ciertas formas de lesión traumática. Sin embargo, la base mecánica de la axotomía secundaria se considera ahora cada vez más compleja, con alteraciones del citoesqueleto axonal demostradas en las formas más graves de lesión cerebral traumática.