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¿Por qué la administración de Anti-D exógeno no es perjudicial para el feto?

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La enfermedad hemolítica del recién nacido puede resultar de la incompatibilidad de Rhesus en el útero. En esta enfermedad, una madre Rh- queda expuesta a los antígenos de un feto Rh + por una hemorragia fetomaterna, lo que hace que desarrolle una respuesta inmune contra el antígeno D. En su segundo embarazo, la exposición repetida al antígeno D activa las células de memoria provocando una gran producción de anticuerpos IgG Anti-D que atraviesan la placenta adhiriéndose a los glóbulos rojos fetales, que luego son destruidos.

Para prevenir esto, las madres Rh-normalmente reciben Anti-D exógeno a las 28 y 34 semanas de gestación o después de cualquier evento sensibilizante. El objetivo de este tratamiento, según tengo entendido, es "absorber" cualquier antígeno D en el torrente sanguíneo materno, cubriéndolo con antígeno exógeno para que el sistema inmunológico de la madre no genere su propia respuesta.

Anteriormente había asumido que estos anticuerpos exógenos serían IgM para evitar que cruzaran la placenta, sin embargo, al mirar los resúmenes de las características del producto para algunas de las preparaciones comunes, veo que "al menos el 95%" del contenido de proteína diferente a la albúmina es IgG. Luego me pregunté si los anticuerpos exógenos tenían una vida media muy reducida, sin embargo, la vida media es de "aproximadamente 3-4 semanas".

¿Por qué la IgG exógena no causa la enfermedad hemolítica del recién nacido de la misma manera que la IgG endógena lo haría en una mujer previamente expuesta que no había recibido profilaxis? ¿Es dependiente de la dosis o me estoy perdiendo algo por completo?


He tenido dificultades para conseguir algo definitivo que sustente mi respuesta a su específico cuestión de seguridad, sin embargo, pensé en arriesgarme y darte mi comprensión. Se puede encontrar una revisión reciente de lo que se sabe sobre esto en: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2809506/

Creo que está en el camino correcto con su hipótesis de "dependencia de la dosis". Esto es exactamente lo que sugieren los fabricantes de RhoGAM, diciendo que la cantidad de anticuerpo administrada a las 28 semanas de embarazo es suficiente para bloquear cualquier antígeno Rh en los glóbulos rojos que se escape a la sangre de la madre, pero insuficiente para atravesar la placenta y ser un problema. En este momento, el niño será lo suficientemente grande como para que cualquier RhoGAM que atraviese la placenta no mate suficientes glóbulos rojos para dañar al niño.

Mamá recibe otra dosis de anticuerpo después del parto para asegurar una cobertura completa del antígeno que resulta de la mezcla de sangre en ese momento; sin embargo, esta dosis no es un problema porque el bebé ya ha dejado a la madre.

Por cierto, la justificación de la dosis prenatal es que la administración posparto por sí sola no logró prevenir la seroconversión en casi el 2% de las mujeres Rh, supuestamente debido a una hemorragia transplacentaria.


Talidomida

Talidomida, vendido bajo las marcas Contergan y Thalomid entre otros, es un medicamento que se usa para tratar varios cánceres (incluido el mieloma múltiple), la enfermedad de injerto contra huésped y una serie de afecciones de la piel, incluidas las complicaciones de la lepra. [3] Si bien se ha utilizado en una serie de afecciones asociadas al VIH, dicho uso está asociado con un aumento de los niveles del virus. [3] Se administra por vía oral. [3]

  • 50-35-1 Y
  • DB01041 Y
  • 5233 Y
  • D00754 Y
  • CHEBI: 9513 N
  • ChEMBL468 Y
InChI = 1S / C13H10N2O4 / c16-10-6-5-9 (11 (17) 14-10) 15-12 (18) 7-3-1-2-4-8 (7) 13 (15) 19 / h1-4,9H, 5-6H2, (H, 14,16,17) Y Clave: UEJJHQNACJXSKW-UHFFFAOYSA-N Y

Los efectos secundarios comunes incluyen somnolencia, sarpullido y mareos. [3] Los efectos secundarios graves incluyen síndrome de lisis tumoral, coágulos de sangre y neuropatía periférica. [4] El uso durante el embarazo puede dañar al feto y provocar una malformación de las extremidades. [3] En los hombres que están tomando el medicamento, la anticoncepción es esencial si una pareja puede quedar embarazada. [4] Es un medicamento inmunomodulador y funciona mediante una serie de mecanismos, que incluyen la estimulación de las células T y la disminución de la producción de TNF-α. [3]

La talidomida se comercializó por primera vez en 1957 en Alemania Occidental, donde estaba disponible sin receta. [5] [6] Cuando se lanzó por primera vez, la talidomida se promovió para la ansiedad, los problemas para dormir, la "tensión" y las náuseas matutinas. [6] [7] Si bien inicialmente se pensó que era seguro durante el embarazo, en 1961 surgieron inquietudes con respecto a los defectos congénitos, y el medicamento se retiró del mercado en Europa ese año. [6] [5] El número total de embriones afectados por el uso durante el embarazo se estima en 10,000, de los cuales alrededor del 40% murió alrededor del momento del nacimiento. [6] [3] Los que sobrevivieron tenían problemas en las extremidades, los ojos, el tracto urinario y el corazón. [5] Frances Kelsey de la FDA impidió su entrada inicial en el mercado estadounidense. [7] Los defectos congénitos causados ​​por la talidomida llevaron al desarrollo de una mayor regulación y monitoreo de medicamentos en muchos países. [7] [5]

Fue aprobado para uso médico en los Estados Unidos en 1998. [3] Está en la Lista de Medicamentos Esenciales de la Organización Mundial de la Salud. [8] Está disponible como medicamento genérico. [4]


Ingredientes activos

Estas son las partes de la vacuna elaboradas a partir de virus o bacterias (también llamadas "antígenos"). Desafían al sistema inmunológico para que produzca anticuerpos para combatir la enfermedad (vea nuestra animación sobre '¿Cómo funcionan las vacunas?'). Las vacunas contienen pequeñas cantidades de ingredientes activos: solo unos pocos microgramos (millonésimas de gramo) por vacuna. Para dar una idea de cuán pequeñas son estas cantidades, una tableta de paracetamol contiene 500 miligramos del medicamento. Esto es varios miles de veces más que la cantidad de ingrediente activo que encontraría en la mayoría de las vacunas. Se podrían preparar cientos de miles de vacunas individuales con una sola cucharadita de ingrediente activo.

Algunas vacunas contienen bacterias o virus completos. En estos casos, las bacterias o virus se debilitarán (atenuarán) gravemente para que no puedan causar enfermedades en personas sanas, o se matarán por completo (inactivarán). Muchas vacunas contienen solo partes de virus o bacterias, generalmente proteínas o azúcares de la superficie. Estos estimulan el sistema inmunológico pero no pueden causar enfermedades. Consulte nuestra página sobre 'Tipos de vacuna'.

En comparación con la cantidad de virus y bacterias en el medio ambiente con los que nuestro cuerpo tiene que lidiar todos los días, la cantidad de ingrediente activo en una vacuna es realmente muy pequeña. La mayoría de las vacunas bacterianas contienen solo unas pocas proteínas o azúcares de la bacteria relevante. Por el contrario, se estima que 100 billones de bacterias viven en la piel del ser humano promedio, cada una de las cuales contiene miles de proteínas que desafían constantemente nuestro sistema inmunológico.

Algunas vacunas del calendario del Reino Unido se fabrican utilizando tecnología de ADN recombinante. Solo una vacuna utilizada en el Reino Unido contiene organismos modificados genéticamente (OMG).


OBJETIVOS

El objetivo de esta guía es proporcionar a los profesionales de la salud una guía práctica sobre el uso de Ig anti-D como inmunoprofilaxis para prevenir la sensibilización al antígeno D durante el embarazo o el parto para la prevención de HDN.

Esta guía es una actualización de la guía BCSH de 2006 sobre el uso de inmunoglobulina anti-D para la profilaxis de Rh (Parker et al., 2006), y tiene en cuenta la guía actualizada de NICE para la profilaxis prenatal de rutina con anti-D (NICE, 2008). Esta revisión también tiene como objetivo asegurar la concordancia con otras pautas de BCSH, incluidas las pautas para la estimación de la hemorragia fetomaterna (BCSH, 2009), el análisis de grupos sanguíneos y anticuerpos durante el embarazo (BCSH, 2007) y los procedimientos de compatibilidad publicados recientemente en los laboratorios de transfusión de sangre (Milkins). et al., 2012), así como las pautas profesionales elaboradas por el Royal College of Obstetrics & Gynecologists (RCOG Green Top N o 22, actualizado en 2011).


1. RECOMENDACIONES DE CONSENTIMIENTO, MUESTRAS Y FORMULARIOS DE SOLICITUD

Proporcionar información sobre cualquier análisis de sangre y obtener el consentimiento es una responsabilidad clínica, y el consentimiento informado debe obtenerse y documentarse antes de tomar las muestras (NICE, Directriz 62, 2008).

1.1 Identificación de muestras y cumplimentación de formularios de solicitud

Es fundamental que las muestras de mujeres embarazadas se identifiquen correctamente y que los formularios de solicitud se completen con precisión. La identificación errónea en el momento de la toma de muestras podría dar lugar a la asignación de un grupo sanguíneo incorrecto al registro de transfusión. Esto podría resultar en errores en la profilaxis anti-D Ig (administración incorrecta o incorrecta de anti-D Ig profiláctica) y errores en la selección de componentes sanguíneos (SHOT, 2011 BCSH, 2014).

Es fundamental que el formulario de solicitud y la muestra se ajusten a los requisitos descritos en las directrices sobre la administración de componentes sanguíneos (BCSH, 2009a, b).

Además, es esencial que cualquier administración previa de anti-D Ig profiláctica en el embarazo actual, incluida la fecha y la dosis, se registre en el formulario de solicitud del laboratorio. Una historia clínica, en particular de niños anteriores que se vieron afectados por HDFN y de transfusiones previas, es información esencial y debe indicarse en el formulario de solicitud.

Las etiquetas preimpresas no deben usarse para etiquetar los tubos de muestras de sangre antes de la transfusión para pruebas de compatibilidad o detección prenatal. Las muestras deben etiquetarse a mano o las etiquetas impresas "a pedido" (junto a la cama del paciente) son aceptables como alternativa a las etiquetas escritas a mano.

Recomendación

  • Es fundamental que el formulario de solicitud y la muestra se ajusten a los requisitos descritos en las directrices sobre la administración de componentes sanguíneos (BCSH, 2009a, Grado 1B).
  • Las muestras deben estar fechadas, etiquetadas y firmadas por la persona que las toma, en presencia de la mujer embarazada a quien, siempre que sea posible, se le debe pedir que indique su nombre completo y fecha de nacimiento. Etiquetas de muestra preimpresas del procedimiento de flebotomía o tomadas de las notas, p. Ej. Etiquetas de "direccionador", no se deben utilizar (BCSH, 2009a, Grado 1B).

PERSISTENCIA A LARGO PLAZO DEL MICROQUIMERISMO ADQUIRIDO NATURALMENTE Y ENFERMEDAD AUTOINMUNE

Ahora se sabe que el tráfico bidireccional de células maternas y fetales ocurre de forma rutinaria durante el embarazo con persistencia de niveles bajos de células fetales en la madre y células maternas en su descendencia durante décadas después del parto (Bianchi et al. 1996 Lo et al. 2000). Maloney et al.1999 Nelson 2008) El microquimerismo (Mc) se refiere a una pequeña población de células o ADN en un individuo que deriva de un individuo genéticamente distinto. Se desconoce hasta qué punto se tolera Mc y si se producen cambios dinámicos a lo largo del tiempo, pero las observaciones de múltiples disciplinas implican al Mc en la patogenia de la enfermedad autoinmune décadas después del parto. Las fuentes adicionales de Mc incluyen el trasplante, la transfusión de sangre o la transferencia de células entre gemelos. en el útero(Adams y Nelson 2004) Aún no se comprende cómo el sistema inmunológico tolera la Mc y si el reconocimiento de estas células extrañas podría resultar en una enfermedad inmune al & # x0201cauto & # x0201d. El concepto de que Mc podría contribuir a la enfermedad autoinmune surgió en parte de las observaciones del quimerismo iatrogénico después del trasplante. (Nelson 1996) Enfermedad crónica de injerto contra huésped (EICH), una afección en la que las células del donante atacan al receptor del trasplante, comparte muchas características clínicas. similitudes con enfermedades autoinmunes que incluyen esclerosis sistémica, cirrosis biliar primaria, síndrome de Sj & # x000f6gren & # x02019s, miositis y lupus eritematoso sistémico. Las enfermedades autoinmunes también son más comunes en las mujeres, especialmente en los años posteriores a la maternidad. La hipótesis de que Mc podría inducir una enfermedad autoinmune también involucró las relaciones HLA entre las células del donante (fetal) y del huésped (maternas), porque la relación HLA entre el donante y el receptor era un componente crítico conocido tanto de la EICH crónica como del rechazo del injerto. (Nelson 1996)

Se desconocen los mecanismos implicados en Mc y la patogenia de las enfermedades autoinmunes y existen varias posibilidades. Las células microquiméricas podrían funcionar potencialmente como células efectoras o como objetivos de una respuesta inmune. Otros investigadores han informado de la reactividad de los clones de células T masculinas (supuestamente Mc fetal) que se obtuvieron de madres (con hijos) a los antígenos HLA maternos no compartidos (Scaletti et al. 2002). Otra forma en que Mc podría contribuir a la autoinmunidad es a través de la presentación de péptidos de Mc (p. ej., péptidos derivados del HLA fetal transmitido por el padre) por una célula huésped a otra célula huésped este mecanismo es análogo a la vía de reconocimiento & # x0201cindirect & # x0201d, que se cree que juega un papel en el rechazo crónico de injertos de órganos. Una similitud excesiva de HLA de las células fetales con las maternas sin una identidad HLA completa podría dificultar el reconocimiento de las células como extrañas. La autoinmunidad podría inducirse de esta manera mediante la presentación simultánea de péptidos derivados de HLA que son similares y diferentes a los propios. Por tanto, Mc podría tener efectos adversos, neutros (o beneficiosos) sobre el huésped, dependiendo de los genes HLA particulares implicados y de la relación HLA entre las diferentes poblaciones de células.

A. Microquimerismo fetal en esclerosis sistémica y tiroiditis autoinmune

Los estudios iniciales de Mc fetal en enfermedades autoinmunes se centraron en la esclerosis sistémica, una enfermedad con semejanza clínica con la EICH crónica. El primer informe fue un estudio prospectivo ciego que cuantificó el ADN masculino en mujeres con esclerosis sistémica y mujeres sanas que habían dado a luz al menos a un hijo. (Nelson et al. 1998) Las mujeres con esclerosis sistémica tenían niveles significativamente más altos de ADN masculino que los controles. Aunque las mujeres habían dado a luz a sus hijos décadas antes, los niveles sorprendentemente altos de ADN masculino en algunas mujeres con esclerosis sistémica correspondían al cuartil más alto de Mc fetal cuando se midieron en mujeres sanas que estaban embarazadas de un feto masculino normal. Los genes de HLA particulares y las relaciones de HLA entre el hospedador y las poblaciones de células microquiméricas son probablemente determinantes clave del efecto de Mc sobre el hospedador. Curiosamente, se observó un mayor riesgo de esclerosis sistémica posterior en la madre cuando un niño nacido previamente no era distinguible de la perspectiva de la madre para los genes que codifican la molécula HLA-DR (gen HLA de clase II) (Lambert et al. 2002).

Varios estudios han relacionado la Mc fetal con la enfermedad tiroidea autoinmune, que ocurre con frecuencia en mujeres, particularmente en el posparto. (Davies 1999) Se ha encontrado una mayor frecuencia de ADN masculino en el tejido tiroideo de mujeres con enfermedad de Hashimoto en comparación con el bocio nodular y también en Graves & # x02019 enfermedad en comparación con controles con adenoma. (Davies 1999), (Ando et al. 2002 Klintschar et al. 2001) Recientemente, utilizando un ensayo de PCR cuantitativa, se detectó Mc fetal en 8 de 21 muestras de tiroides de mujeres con enfermedad de Hashimoto en comparación con a 0 de 17 glándulas tiroides sanas. (Ando et al. 2002 Klintschar et al. 2001 Klintschar et al. 2006) En muestras de tiroidectomía y autopsia de mujeres con múltiples trastornos de la tiroides, se encontraron células masculinas usando hibridación fluorescente in situ (FISH) en tiroides de más de la mitad de las mujeres con una enfermedad de la tiroides en comparación con ninguna en los controles de autopsia. (Klintschar et al. 2006) Un gran estudio basado en la comunidad no mostró asociación entre la paridad y la presencia de tiroides id anticuerpos o disfunción tiroidea y sugirió un papel menor de Mc fetal en la enfermedad tiroidea autoinmune (Walsh et al. 2005) Sin embargo, el número de embarazos puede ser un factor de riesgo menos importante que las relaciones HLA entre las células fetales y maternas, como sugieren los estudios en esclerosis sistémica.

B. Microquimerismo materno en diabetes mellitus tipo I y síndrome de lupus neonatal

Recientemente se han encontrado células maternas en la circulación y los tejidos de sus hijos inmunocompetentes, incluso en la vida adulta, y se le conoce como Mc materna. Aún no se sabe si el Mc materno confiere beneficios durante el desarrollo o más adelante en la vida, o si a veces tiene efectos adversos. La diabetes tipo 1 (DT1) es una enfermedad autoinmune que afecta principalmente a niños y adultos jóvenes. Analizamos el Mc materno en ADN extraído de sangre total en pacientes con diabetes Tipo 1, sus hermanos no afectados y controles sanos no relacionados. El enfoque utilizado fue apuntar a alelos de HLA específicos de la madre no transmitidos y no compartidos empleando un panel de ensayos de PCR cuantitativos desarrollados para este propósito. Los niveles maternos de Mc fueron significativamente más altos en los pacientes con diabetes Tipo 1 que en los hermanos no afectados y los sujetos sanos. (Nelson et al. 2007) La diferencia entre los grupos fue evidente independientemente del genotipo HLA del sujeto. También estudiamos el páncreas de un paciente con DT1 masculino y otros tres hombres en busca de células femeninas (supuestamente Mc materno) empleando fluorescencia en el lugar hibridación para cromosomas X e Y. Se utilizó tinción concomitante para células hematopoyéticas (CD45) y para células de los islotes (insulina) para identificar el fenotipo celular. El Mc materno se encontró en el páncreas y consistía principalmente en células de los islotes & # x003b2, mientras que las células hematopoyéticas femeninas eran muy raras. Si bien es posible que las células maternas de los islotes & # x003b2 puedan ser objetivos de autoinmunidad, la interpretación más probable de estos hallazgos es que la Mc materna contribuye a la regeneración de las células de los islotes & # x003b2 o posiblemente contribuye al desarrollo / diferenciación en el páncreas.

La Mc materna también se ha relacionado con el síndrome de lupus neonatal (NLS), una rara enfermedad autoinmune del feto y el recién nacido caracterizada por anomalías dermatológicas, cardíacas y / o hematológicas. Se desconoce la causa del NLS, pero se asocia con autoanticuerpos maternos que se cree que atraviesan la placenta y causan enfermedad fetal, posiblemente en combinación con factores proinflamatorios fetales. La manifestación más grave, el bloqueo cardíaco completo congénito, puede producirse cuando los autoanticuerpos maternos (anti-SS-A / Ro y anti-SS-B / La) se unen a antígenos cardíacos fetales. (Buyon et al. 1993) Basado en estudios experimentales en los que El LES es inducido por la administración de células parentales en la progenie, se sugiere un papel potencial de Mc materno en NLS. Recientemente se detectaron células maternas en los corazones de los bebés varones con NLS que murieron por bloqueo cardíaco congénito. (Stevens AM 2003) Una técnica de inmunohistoquímica combinada para marcadores celulares específicos del miocardio y FISH para cromosomas X e Y en la misma sección de tejido reveló que estas células maternas eran miocitos cardíacos. Este resultado sugiere la interesante posibilidad de que el Mc materno se convierta en el objetivo de un proceso inmunológico del huésped que cause fibrosis del sistema de conducción y un eventual bloqueo cardíaco. Alternativamente, la transdiferenciación de Mc materno podría contribuir a la reparación del tejido y beneficiar al huésped. La biología de las poblaciones de células Mc sigue siendo poco conocida, pero la posible propensión de estas células a desempeñar un papel activo en los procesos patológicos o en la reparación de heridas merece una mayor investigación.


¿Cómo se diagnostican los embarazos molares?

El diagnóstico definitivo de embarazo molar se realiza mediante examen histológico.

Grado de recomendación: D

Las características patológicas compatibles con el diagnóstico de embarazos molares completos incluyen: ausencia de tejido fetal, cambios hidrópicos extensos en las vellosidades y proliferación excesiva de trofoblasto. Las características de un embarazo molar parcial incluyen: presencia de cambio hidrópico focal del tejido fetal en las vellosidades y cierta proliferación excesiva de trofoblasto. Estado de ploidía y tinción inmunohistoquímica para p57, un gen con impronta paterna, puede ayudar a distinguir los embarazos molares parciales de los completos. 22, 23 Nivel de evidencia 2+

Partos complicados

Parto vaginal

La primera etapa del trabajo de parto comienza con la aparición de contracciones uterinas regulares con dilatación y borramiento cervical concomitantes, y termina con una dilatación cervical completa. La primera etapa se subdivide tradicionalmente (Friedman, 1954) en una fase latente, cuya duración es variable y puede durar varias horas, y una fase activa, que generalmente comienza cuando el cuello uterino se dilata 4 cm y está marcada por más dilatación y borramiento cervical rápidos y progresivos. A menudo, el diagnóstico de la transición de la fase latente al trabajo de parto activo es retrospectivo, porque el tiempo de inicio del trabajo de parto activo varía según el paciente. La segunda etapa comienza con la dilatación cervical completa y termina con la expulsión del feto del canal del parto. La tercera etapa del trabajo de parto concluye con el parto de la placenta.

Los trastornos de la conducción del trabajo de parto son prolongados, en los que se produce dilatación cervical o descenso fetal, pero a un ritmo mucho menor de lo esperado, o detenciones. Ambos trastornos se tratan mediante el parto quirúrgico si no responden al tratamiento médico activo, esto se puede realizar por vía abdominal a través de una cesárea o por vía vaginal con fórceps obstétrico o extracción con ventosa si el cuello uterino está completamente dilatado y se cumplen los criterios específicos (ver más adelante la discusión sobre el parto vaginal operatorio ). Todas estas modalidades pueden tener efectos adversos neonatales y maternos, y la elección del instrumento o modo de parto siempre debe seleccionarse teniendo en cuenta estas posibles morbilidades.

En 2010, los datos del Consortium on Safe Labor estimularon el debate sobre si los datos de Friedman de 60 años se aplican a las mujeres que trabajan actualmente (Zhang et al., 2010). En este estudio retrospectivo realizado en hospitales de EE. UU., Se analizó la duración del trabajo de parto en más de 60.000 mujeres, cada una de las cuales dio a luz por vía vaginal un feto de vértice único y tuvo un resultado perinatal normal. Se encontró que la tasa del percentil 95 de dilatación de la fase activa era más lenta que la tasa estándar derivada del trabajo de Friedman & # x27s. Se encontraron dos diferencias importantes.

Primero, de 4 a 6 cm, tanto las mujeres nulíparas como las multíparas dilataron más lentamente de lo descrito históricamente. Después de 6 cm, las mujeres multíparas dilataron más rápidamente que las primíparas. En segundo lugar, la fase activa a menudo no comenzaba hasta al menos 6 cm. Aunque Friedman y Cohen lo desafiaron, muchos obstetras sienten que los datos del Consorcio sobre Trabajo Seguro, en lugar de los estándares propuestos por Friedman, deberían informar la gestión laboral basada en la evidencia (Cohen y Friedman, 2015). En 2012, un comité conjunto publicó un resumen que incluía el Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano Eunice Kennedy Shriver, la Sociedad de Medicina Materno-Fetal y el Taller del Colegio Americano de Obstetras y Ginecólogos (ACOG) (Spong et al., 2012) con respecto a las pautas de gestión laboral basadas en gran medida en el trabajo de Zhang. Serán necesarios más estudios para determinar si los datos más recientes de Zhang reemplazarán el trabajo de Friedman.


¿Por qué la administración de Anti-D exógeno no es perjudicial para el feto? - biología

La toxicología mecanicista es el estudio de cómo los agentes químicos o físicos interactúan con los organismos vivos para causar toxicidad. El conocimiento del mecanismo de toxicidad de una sustancia mejora la capacidad de prevenir la toxicidad y diseñar productos químicos más deseables; constituye la base para la terapia en caso de sobreexposición y, con frecuencia, permite una mayor comprensión de los procesos biológicos fundamentales. Para propósitos de este Enciclopedia se hará hincapié en los animales para predecir la toxicidad humana. Las diferentes áreas de la toxicología incluyen la toxicología mecanicista, descriptiva, reglamentaria, forense y ambiental (Klaassen, Amdur y Doull 1991). Todos estos se benefician de la comprensión de los mecanismos fundamentales de toxicidad.

¿Por qué comprender los mecanismos de toxicidad?

Comprender el mecanismo por el cual una sustancia causa toxicidad mejora las diferentes áreas de la toxicología de diferentes maneras. La comprensión mecanicista ayuda al regulador gubernamental a establecer límites seguros legalmente vinculantes para la exposición humana. Ayuda a los toxicólogos a recomendar cursos de acción con respecto a la limpieza o remediación de sitios contaminados y, junto con las propiedades físicas y químicas de la sustancia o mezcla, puede usarse para seleccionar el grado de equipo de protección requerido. El conocimiento mecanicista también es útil para formar la base de la terapia y el diseño de nuevos fármacos para el tratamiento de enfermedades humanas. Para el toxicólogo forense, el mecanismo de toxicidad a menudo proporciona información sobre cómo un agente químico o físico puede causar la muerte o la incapacidad.

Si se comprende el mecanismo de la toxicidad, la toxicología descriptiva se vuelve útil para predecir los efectos tóxicos de los productos químicos relacionados. Sin embargo, es importante comprender que la falta de información mecanicista no disuade a los profesionales de la salud de proteger la salud humana. Se utilizan decisiones prudentes basadas en estudios en animales y la experiencia humana para establecer niveles de exposición seguros. Tradicionalmente, se establecía un margen de seguridad utilizando el "nivel sin efectos adversos" o el "nivel más bajo de efectos adversos" de los estudios con animales (utilizando diseños de exposición repetida) y dividiendo ese nivel por un factor de 100 para exposición ocupacional o 1.000 para otra exposición ambiental humana. El éxito de este proceso es evidente a partir de los pocos incidentes de efectos adversos para la salud atribuidos a la exposición a sustancias químicas en los trabajadores en los que se establecieron y cumplieron límites de exposición apropiados en el pasado. Además, la esperanza de vida humana sigue aumentando, al igual que la calidad de vida. En general, el uso de datos de toxicidad ha dado lugar a un control voluntario y reglamentario eficaz. El conocimiento detallado de los mecanismos tóxicos mejorará la previsibilidad de los nuevos modelos de riesgo que se están desarrollando actualmente y dará como resultado una mejora continua.

Comprender los mecanismos ambientales es complejo y presupone un conocimiento de la alteración del ecosistema y la homeostasis (equilibrio). Si bien no se trata en este artículo, una mejor comprensión de los mecanismos tóxicos y sus consecuencias finales en un ecosistema ayudaría a los científicos a tomar decisiones prudentes con respecto al manejo de materiales de desecho municipales e industriales. La gestión de residuos es un área de investigación en crecimiento y seguirá siendo muy importante en el futuro.

Técnicas para estudiar los mecanismos de toxicidad

La mayoría de los estudios mecanicistas comienzan con un estudio toxicológico descriptivo en animales u observaciones clínicas en humanos. Idealmente, los estudios en animales incluyen observaciones clínicas y de comportamiento cuidadosas, un examen bioquímico cuidadoso de elementos de la sangre y la orina en busca de signos de función adversa de los principales sistemas biológicos del cuerpo, y una evaluación post-mortem de todos los sistemas de órganos mediante examen microscópico para verificar Lesión (consulte las directrices de la OCDE sobre las pruebas, las directivas de la CE sobre evaluación química, las normas de prueba de la EPA de los EE. UU., las normas sobre productos químicos de Japón). Esto es análogo a un examen físico humano completo que se llevaría a cabo en un hospital durante un período de dos a tres días, excepto por el examen post-mortem.

Comprender los mecanismos de toxicidad es el arte y la ciencia de la observación, la creatividad en la selección de técnicas para probar varias hipótesis y la integración innovadora de signos y síntomas en una relación causal. Los estudios mecanicistas comienzan con la exposición, siguen la distribución relacionada con el tiempo y el destino en el cuerpo (farmacocinética) y miden el efecto tóxico resultante en algún nivel del sistema y en algún nivel de dosis. Diferentes sustancias pueden actuar a diferentes niveles del sistema biológico causando toxicidad.

La ruta de exposición en los estudios mecanicistas suele ser la misma que para la exposición humana. La ruta es importante porque puede haber efectos que ocurren localmente en el sitio de exposición además de efectos sistémicos después de que la sustancia química ha sido absorbida en la sangre y distribuida por todo el cuerpo. Un ejemplo simple pero convincente de un efecto local sería la irritación y eventual corrosión de la piel después de la aplicación de soluciones ácidas o alcalinas fuertes diseñadas para limpiar superficies duras. De manera similar, puede ocurrir irritación y muerte celular en las células que recubren la nariz y / o los pulmones después de la exposición a vapores o gases irritantes tales como óxidos de nitrógeno u ozono. (Ambos son componentes de la contaminación del aire o smog). Después de la absorción de una sustancia química en la sangre a través de la piel, los pulmones o el tracto gastrointestinal, la concentración en cualquier órgano o tejido está controlada por muchos factores que determinan la farmacocinética de la sustancia química en el cuerpo. El cuerpo tiene la capacidad de activar y desintoxicar varios productos químicos, como se indica a continuación.

Papel de la farmacocinética en la toxicidad

La farmacocinética describe las relaciones de tiempo para la absorción química, la distribución, el metabolismo (alteraciones bioquímicas en el cuerpo) y la eliminación o excreción del cuerpo. En relación con los mecanismos de toxicidad, estas variables farmacocinéticas pueden ser muy importantes y, en algunos casos, determinan si se producirá o no toxicidad. Por ejemplo, si un material no se absorbe en una cantidad suficiente, no se producirá toxicidad sistémica (dentro del cuerpo). Por el contrario, un químico altamente reactivo que se desintoxica rápidamente (segundos o minutos) por las enzimas digestivas o hepáticas puede no tener tiempo para causar toxicidad. Algunas sustancias y mezclas policíclicas halogenadas, así como ciertos metales como el plomo, no causarían una toxicidad significativa si la excreción fuera rápida, pero la acumulación a niveles suficientemente altos determina su toxicidad, ya que la excreción no es rápida (a veces se mide en años). Afortunadamente, la mayoría de las sustancias químicas no tienen una retención tan prolongada en el cuerpo. La acumulación de un material inocuo aún no induciría toxicidad. La tasa de eliminación del cuerpo y la desintoxicación se conoce con frecuencia como la vida media de la sustancia química, que es el tiempo en que el 50% de la sustancia química se excreta o se altera a una forma no tóxica.

Sin embargo, si una sustancia química se acumula en una célula u órgano en particular, eso puede indicar una razón para examinar más a fondo su toxicidad potencial en ese órgano. Más recientemente, se han desarrollado modelos matemáticos para extrapolar variables farmacocinéticas de animales a humanos. Estos modelos farmacocinéticos son extremadamente útiles para generar hipótesis y probar si el animal experimental puede ser una buena representación para los humanos. Se han escrito numerosos capítulos y textos sobre este tema (Gehring et al. 1976 Reitz et al. 1987 Nolan et al. 1995). En la figura 1 se muestra un ejemplo simplificado de un modelo fisiológico.

Figura 1. Un modelo farmacocinético simplificado

Diferentes niveles y sistemas pueden verse afectados negativamente

La toxicidad se puede describir a diferentes niveles biológicos. La lesión puede evaluarse en toda la persona (o animal), el sistema de órganos, la célula o la molécula. Los sistemas de órganos incluyen los sistemas inmunológico, respiratorio, cardiovascular, renal, endocrino, digestivo, musculoesquelético, sanguíneo, reproductivo y nervioso central. Algunos órganos clave incluyen el hígado, los riñones, los pulmones, el cerebro, la piel, los ojos, el corazón, los testículos o los ovarios y otros órganos importantes. A nivel celular / bioquímico, los efectos adversos incluyen interferencia con la función proteica normal, función del receptor endocrino, inhibición de la energía metabólica o inhibición o inducción de enzimas xenobióticas (sustancias extrañas). Los efectos adversos a nivel molecular incluyen la alteración de la función normal de la transcripción de ADN-ARN, de la unión a receptores nucleares y citoplasmáticos específicos y de genes o productos génicos. En última instancia, es probable que la disfunción en un sistema de órganos principal sea causada por una alteración molecular en una célula diana particular dentro de ese órgano. Sin embargo, no siempre es posible rastrear un mecanismo hasta un origen molecular de causalidad, ni es necesario. La intervención y la terapia se pueden diseñar sin una comprensión completa del objetivo molecular. Sin embargo, el conocimiento sobre el mecanismo específico de toxicidad aumenta el valor predictivo y la precisión de la extrapolación a otras sustancias químicas. La figura 2 es una representación esquemática de los distintos niveles en los que se puede detectar la interferencia de los procesos fisiológicos normales. Las flechas indican que las consecuencias para un individuo se pueden determinar de arriba hacia abajo (exposición, farmacocinética a la toxicidad del sistema / órgano) o de abajo hacia arriba (cambio molecular, efecto celular / bioquímico a la toxicidad del sistema / órgano).

Figura 2. Nueva representación de los mecanismos de toxicidad

Ejemplos de mecanismos de toxicidad

Los mecanismos de toxicidad pueden ser sencillos o muy complejos. Con frecuencia, existe una diferencia entre el tipo de toxicidad, el mecanismo de toxicidad y el nivel de efecto, en relación con si los efectos adversos se deben a una sola dosis alta aguda (como una intoxicación accidental) oa una dosis más baja. exposición repetida (por exposición ocupacional o ambiental). Clásicamente, para propósitos de prueba, se administra una dosis alta, aguda, por intubación directa en el estómago de un roedor o exposición a una atmósfera de gas o vapor durante dos a cuatro horas, lo que mejor se parezca a la exposición humana. Los animales se observan durante un período de dos semanas después de la exposición y luego se examinan los principales órganos externos e internos en busca de lesiones. Las pruebas de dosis repetidas varían de meses a años. Para las especies de roedores, dos años se considera un estudio crónico (de por vida) suficiente para evaluar la toxicidad y carcinogenicidad, mientras que para los primates no humanos, dos años se considerarían un estudio subcrónico (menos de por vida) para evaluar la toxicidad por dosis repetidas. Después de la exposición, se realiza un examen completo de todos los tejidos, órganos y fluidos para determinar cualquier efecto adverso.

Mecanismos de toxicidad aguda

Los siguientes ejemplos son específicos de efectos agudos a dosis altas que pueden provocar la muerte o una incapacidad grave. Sin embargo, en algunos casos, la intervención dará como resultado efectos transitorios y completamente reversibles. La dosis o la gravedad de la exposición determinarán el resultado.

Asfixiantes simples. El mecanismo de toxicidad de los gases inertes y algunas otras sustancias no reactivas es la falta de oxígeno (anoxia). Estos productos químicos, que provocan la privación de oxígeno al sistema nervioso central (SNC), se denominan asfixiantes simples. Si una persona ingresa a un espacio cerrado que contiene nitrógeno sin suficiente oxígeno, se produce un agotamiento inmediato de oxígeno en el cerebro y conduce a la inconsciencia y, finalmente, a la muerte si la persona no se retira rápidamente. En casos extremos (oxígeno cercano a cero), la pérdida del conocimiento puede ocurrir en unos pocos segundos. El rescate depende de la rápida remoción a un ambiente oxigenado. La supervivencia con daño cerebral irreversible puede ocurrir por un rescate retrasado, debido a la muerte de neuronas, que no pueden regenerarse.

Asfixiantes químicos. El monóxido de carbono (CO) compite con el oxígeno para unirse a la hemoglobina (en los glóbulos rojos) y, por lo tanto, priva a los tejidos de oxígeno para el metabolismo energético que puede producir la muerte celular. La intervención incluye la eliminación de la fuente de CO y el tratamiento con oxígeno. El uso directo de oxígeno se basa en la acción tóxica del CO. Otro potente asfixiante químico es el cianuro. El ion cianuro interfiere con el metabolismo celular y la utilización del oxígeno como energía. El tratamiento con nitrito de sodio provoca un cambio en la hemoglobina de los glóbulos rojos a metahemoglobina. La metahemoglobina tiene una mayor afinidad de unión al ion cianuro que la diana celular del cianuro. En consecuencia, la metahemoglobina se une al cianuro y lo mantiene alejado de las células diana. Esto constituye la base de la terapia con antídotos.

Depresores del sistema nervioso central (SNC). La toxicidad aguda se caracteriza por la sedación o pérdida del conocimiento de una serie de materiales, como los disolventes, que no son reactivos o que se transforman en intermedios reactivos. Se plantea la hipótesis de que la sedación / anestesia se debe a una interacción del disolvente con las membranas de las células en el SNC, lo que afecta su capacidad para transmitir señales eléctricas y químicas. Si bien la sedación puede parecer una forma leve de toxicidad y fue la base para el desarrollo de los primeros anestésicos, "la dosis todavía produce el veneno". Si se administra una dosis suficiente por ingestión o inhalación, el animal puede morir debido a un paro respiratorio. Si no se produce la muerte por anestésico, este tipo de toxicidad suele ser fácilmente reversible cuando el sujeto se retira del medio ambiente o la sustancia química se redistribuye o elimina del cuerpo.

Efectos de la piel. Los efectos adversos para la piel pueden variar desde irritación hasta corrosión, dependiendo de la sustancia encontrada. Los ácidos fuertes y las soluciones alcalinas son incompatibles con los tejidos vivos y son corrosivos, provocando quemaduras químicas y posibles cicatrices. La cicatrización se debe a la muerte de las células cutáneas profundas y dérmicas responsables de la regeneración. Las concentraciones más bajas solo pueden causar irritación de la primera capa de la piel.

Otro mecanismo tóxico específico de la piel es el de la sensibilización química. Por ejemplo, la sensibilización se produce cuando el 2,4-dinitroclorobenceno se une a proteínas naturales en la piel y el sistema inmunológico reconoce el complejo alterado unido a proteínas como un material extraño. Al responder a este material extraño, el sistema inmunológico activa células especiales para eliminar la sustancia extraña mediante la liberación de mediadores (citocinas) que causan una erupción o dermatitis (ver “Inmunotoxicología”). Esta es la misma reacción del sistema inmunológico cuando ocurre la exposición a la hiedra venenosa. La sensibilización inmunológica es muy específica para la sustancia química en particular y requiere al menos dos exposiciones antes de que se produzca una respuesta. La primera exposición sensibiliza (prepara a las células para que reconozcan la sustancia química) y las exposiciones posteriores desencadenan la respuesta del sistema inmunológico. La eliminación del contacto y la terapia sintomática con cremas antiinflamatorias que contienen esteroides suelen ser eficaces en el tratamiento de personas sensibilizadas. En casos graves o refractarios, se utiliza un inmunosupresor de acción sistémica como la prednisona junto con el tratamiento tópico.

Sensibilización pulmonar. El diisocianato de tolueno (TDI) desencadena una respuesta de sensibilización inmunitaria, pero el sitio objetivo son los pulmones. La sobreexposición al TDI en individuos susceptibles causa edema pulmonar (acumulación de líquido), constricción bronquial y dificultad para respirar. Esta es una afección grave y requiere que se retire al individuo de posibles exposiciones posteriores. El tratamiento es principalmente sintomático. La sensibilización de la piel y los pulmones sigue una respuesta a la dosis. Exceder el nivel establecido para la exposición ocupacional puede causar efectos adversos.

Efectos oculares. La lesión del ojo varía desde el enrojecimiento de la capa externa (enrojecimiento de la piscina) hasta la formación de cataratas en la córnea y el daño del iris (parte coloreada del ojo). Las pruebas de irritación ocular se realizan cuando se cree que no se producirán lesiones graves. Muchos de los mecanismos que provocan la corrosión cutánea también pueden provocar lesiones oculares. Los materiales corrosivos para la piel, como los ácidos fuertes (pH inferior a 2) y los álcalis (pH superior a 11,5), no se prueban en los ojos de los animales porque la mayoría causa corrosión y ceguera debido a un mecanismo similar al que provoca la corrosión cutánea. . Además, los agentes tensioactivos como los detergentes y los tensioactivos pueden causar lesiones oculares que van desde la irritación hasta la corrosión. Un grupo de materiales que requiere precaución son los tensioactivos cargados positivamente (catiónicos), que pueden provocar quemaduras, opacidad permanente de la córnea y vascularización (formación de vasos sanguíneos). Otro químico, el dinitrofenol, tiene un efecto específico en la formación de cataratas. Esto parece estar relacionado con la concentración de esta sustancia química en el ojo, que es un ejemplo de especificidad de distribución farmacocinética.

Si bien la lista anterior está lejos de ser exhaustiva, está diseñada para brindar al lector una apreciación de varios mecanismos de toxicidad aguda.

Mecanismos de toxicidad subcrónica y crónica

Cuando se administran en una sola dosis alta, algunos productos químicos no tienen el mismo mecanismo de toxicidad que cuando se administran repetidamente en una dosis más baja pero aún tóxica. Cuando se administra una sola dosis alta, siempre existe la posibilidad de exceder la capacidad de la persona para desintoxicar o excretar la sustancia química, y esto puede conducir a una respuesta tóxica diferente que cuando se administran dosis repetidas más bajas. El alcohol es un buen ejemplo. Las dosis altas de alcohol provocan efectos primarios en el sistema nervioso central, mientras que las dosis repetitivas más bajas provocan daño hepático.

Inhibición de la anticolinesterasa. La mayoría de los plaguicidas organofosforados, por ejemplo, tienen poca toxicidad para los mamíferos hasta que se activan metabólicamente, principalmente en el hígado. El principal mecanismo de acción de los organofosforados es la inhibición de la acetilcolinesterasa (AChE) en el cerebro y el sistema nervioso periférico. La AChE es la enzima normal que interrumpe la estimulación del neurotransmisor acetilcolina. La leve inhibición de la AChE durante un período prolongado no se ha asociado con efectos adversos. A altos niveles de exposición, la incapacidad para terminar esta estimulación neuronal da como resultado una sobreestimulación del sistema nervioso colinérgico. La sobreestimulación colinérgica finalmente da como resultado una serie de síntomas, incluido el paro respiratorio, seguido de la muerte si no se trata. El tratamiento principal es la administración de atropina, que bloquea los efectos de la acetilcolina, y la administración de cloruro de pralidoxima, que reactiva la AChE inhibida. Por lo tanto, tanto la causa como el tratamiento de la toxicidad por organofosforados se abordan entendiendo la base bioquímica de la toxicidad.

Activación metabólica. Muchos productos químicos, incluidos el tetracloruro de carbono, el cloroformo, el acetilaminofluoreno, las nitrosaminas y el paraquat, se activan metabólicamente a radicales libres u otros intermedios reactivos que inhiben e interfieren con la función celular normal. A altos niveles de exposición, esto da como resultado la muerte celular (ver “Lesión celular y muerte celular”). Si bien las interacciones específicas y los objetivos celulares siguen siendo desconocidos, los sistemas de órganos que tienen la capacidad de activar estos productos químicos, como el hígado, los riñones y los pulmones, son todos posibles objetivos de lesiones. Específicamente, células particulares dentro de un órgano tienen una mayor o menor capacidad para activar o desintoxicar estos intermedios, y esta capacidad determina la susceptibilidad intracelular dentro de un órgano. El metabolismo es una de las razones por las que la comprensión de la farmacocinética, que describe este tipo de transformaciones y la distribución y eliminación de estos intermediarios, es importante para reconocer el mecanismo de acción de estas sustancias químicas.

Mecanismos del cáncer. El cáncer es una multiplicidad de enfermedades y, si bien la comprensión de ciertos tipos de cáncer está aumentando rápidamente debido a las numerosas técnicas de biología molecular que se han desarrollado desde 1980, todavía queda mucho por aprender. Sin embargo, está claro que el desarrollo del cáncer es un proceso de múltiples etapas y los genes críticos son clave para los diferentes tipos de cáncer. Las alteraciones en el ADN (mutaciones somáticas) en varios de estos genes críticos pueden causar una mayor susceptibilidad o lesiones cancerosas (ver “Toxicología genética”). La exposición a productos químicos naturales (en alimentos cocidos como carne de res y pescado) o productos químicos sintéticos (como bencidina, utilizada como tinte) o agentes físicos (luz ultravioleta del sol, radón del suelo, radiación gamma de procedimientos médicos o actividad industrial) son todos contribuyentes a las mutaciones de genes somáticos. Sin embargo, existen sustancias naturales y sintéticas (como los antioxidantes) y procesos de reparación del ADN que son protectores y mantienen la homeostasis. Está claro que la genética es un factor importante en el cáncer, ya que los síndromes de enfermedades genéticas como el xeroderma pigmentoso, donde hay una falta de reparación normal del ADN, aumentan drásticamente la susceptibilidad al cáncer de piel debido a la exposición a la luz ultravioleta del sol.

Mecanismos reproductivos. Al igual que el cáncer, se conocen muchos mecanismos de toxicidad reproductiva y / o del desarrollo, pero queda mucho por aprender. Se sabe que ciertos virus (como la rubéola), infecciones bacterianas y medicamentos (como la talidomida y la vitamina A) afectarán negativamente el desarrollo. Recientemente, el trabajo de Khera (1991), revisado por Carney (1994), muestra una buena evidencia de que los efectos anormales en el desarrollo en pruebas con animales con etilenglicol son atribuibles a metabolitos ácidos metabólicos maternos. Esto ocurre cuando el etilenglicol se metaboliza a metabolitos ácidos, incluidos los ácidos glicólico y oxálico. Los efectos posteriores sobre la placenta y el feto parecen deberse a este proceso de intoxicación metabólica.

La intención de este artículo es dar una perspectiva sobre varios mecanismos conocidos de toxicidad y la necesidad de estudios futuros. Es importante comprender que el conocimiento mecanicista no es absolutamente necesario para proteger la salud humana o ambiental. Este conocimiento mejorará la capacidad del profesional para predecir y gestionar mejor la toxicidad. Las técnicas reales utilizadas para dilucidar cualquier mecanismo particular dependen del conocimiento colectivo de los científicos y del pensamiento de quienes toman decisiones sobre la salud humana.


Funciones de la AR durante el desarrollo

Señalización de RA durante el desarrollo del rombencéfalo

La segmentación y el patrón del rombencéfalo están regulados por RA

Numerosos estudios se han centrado en el rombencéfalo embrionario como paradigma experimental para comprender los efectos reguladores de la AR. El desarrollo del cerebro posterior implica la generación de siete a ocho compartimentos neuroepiteliales o rombómeros (Fig. 4A), cada uno con una identidad distinta según su posición anteroposterior (A-P) (Kiecker y Lumsden, 2005). Esta segmentación subyace a varios eventos necesarios para el desarrollo del tronco encefálico, el oído interno, los arcos branquiales e incluso el corazón y los vasos grandes, que están colonizados por células de la cresta neural derivadas del rombencéfalo. Se requieren varios genes Hox, de acuerdo con sus patrones de expresión espacialmente restringidos, para el crecimiento y / o la identidad posicional de rombómeros específicos (revisado por Marshall et al., 1996 Rijli et al., 1998). El tratamiento de ratones o ratas preñadas con exceso de AR conduce a cambios teratogénicos en el rombencéfalo (Morriss, 1972). Curiosamente, la exposición a la AR en las etapas tardías de la gástrula / neurula temprana aumenta el tamaño del rombencéfalo a expensas de otras regiones del cerebro (Avantaggiato et al., 1996), mientras que el tratamiento de la AR en etapas posteriores conduce específicamente a una 'posteriorización' de los rombómeros (r) 2- 3 a una identidad r4-r5 (ver Marshall et al., 1996).

Fenotipos de pérdida de función resultantes de la inactivación dirigida de genes de la vía de señalización de retinoides en ratones

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Degradación y metabolismo de la AR. (A) El ácido todo-trans-retinoico es convertido por las enzimas CYP26 (CYP26A1, CYP26B1 y CYP26C1) en los metabolitos más polares 4-hidroxi-RA y 4-oxo-RA, que eventualmente se conjugan (principalmente como glucuronatos) y se eliminan (por excreción). (BI) Fenotipos de mutantes nulos para Cyp26a1 (C) y Cyp26b1 (E, G) y del compuesto Cyp26a1Cyp26c1 mutante (I), en comparación con sus compañeros de camada de tipo salvaje (WT) (B, D, F, H). En etapas prenatales (E18.5), Cyp26a1 Los mutantes - / - tienen un tubo neural abierto (nt *) y un truncamiento posterior severo del cuerpo con una posición anormal de las patas traseras (hl). Cyp26b1 Los mutantes - / - exhiben un espectro de anomalías faciales, laríngeas y vertebrales. Inactivación compuesta de Cyp26a1 y Cyp26c1 es letal embrionario temprano y conduce a un truncamiento dramático de la cabeza, con alteraciones asociadas en el rombencéfalo y la cresta neural. F, G muestran preparaciones esqueléticas visualizadas por tinción con rojo de alizarina / azul alciano. H, I son micrografías electrónicas de barrido. b1, b2, arcos branquiales ey, ojo (anormalmente abierto en el Cyp26b1 - / - mutante) fl, extremidad anterior fp, placa frontal h, corazón hd, cabeza la, laringe md, mandíbula mx, maxilar np, proceso nasal p, hueso parietal tl, cola. El asterisco en G indica vértebras cervicales fusionadas anormalmente. Reproducido con autorización: B, C (Abu-Abed et al., 2001) D-G (MacLean et al., 2009) H, I (Uehara et al., 2007).

Degradación y metabolismo de la AR. (A) El ácido todo-trans-retinoico es convertido por las enzimas CYP26 (CYP26A1, CYP26B1 y CYP26C1) en los metabolitos más polares 4-hidroxi-RA y 4-oxo-RA, que eventualmente se conjugan (principalmente como glucuronatos) y se eliminan (por excreción). (BI) Fenotipos de mutantes nulos para Cyp26a1 (C) y Cyp26b1 (E, G) y del compuesto Cyp26a1Cyp26c1 mutante (I), en comparación con sus compañeros de camada de tipo salvaje (WT) (B, D, F, H). En etapas prenatales (E18.5), Cyp26a1 Los mutantes - / - tienen un tubo neural abierto (nt *) y un truncamiento posterior severo del cuerpo con posicionamiento anormal de las patas traseras (hl). Cyp26b1 Los mutantes - / - exhiben un espectro de anomalías faciales, laríngeas y vertebrales. Inactivación compuesta de Cyp26a1 y Cyp26c1 es letal embrionario temprano y conduce a un truncamiento dramático de la cabeza, con alteraciones asociadas en el rombencéfalo y la cresta neural. F, G muestran preparaciones esqueléticas visualizadas por tinción con rojo de alizarina / azul alciano. H, I son micrografías electrónicas de barrido. b1, b2, arcos branquiales ey, ojo (anormalmente abierto en el Cyp26b1 - / - mutante) fl, extremidad anterior fp, placa frontal h, corazón hd, cabeza la, laringe md, mandíbula mx, maxilar np, proceso nasal p, hueso parietal tl, cola. El asterisco en G indica vértebras cervicales fusionadas anormalmente. Reproducido con autorización: B, C (Abu-Abed et al., 2001) D-G (MacLean et al., 2009) H, I (Uehara et al., 2007).

Se encontró evidencia de que se requieren retinoides endógenos para el patrón del rombencéfalo en embriones de codorniz con deficiencia de vitamina A (VAD), en los que la región caudal del rombencéfalo (r4-r8) estaba mal especificada en un r3 agrandado, y más rombómeros anteriores expandidos posteriormente (Fig. 4B ) (Gale et al., 1999). Los efectos específicos de la región de la deficiencia de AR también se han documentado en Raldh2 - / - mutantes de ratón, que carecen de segmentación rombomérica y exhiben una reducción severa del rombencéfalo posterior. Sorprendentemente, la expresión de genes normalmente restringidos a r3-r4 [como Hoxb1, Krox20 (Egr2)] se propaga posteriormente en estos mutantes, mientras que la expresión de los determinantes r5-r7 (Mafb, Hoxd4) se reduce o se elimina (Fig. 4C) (Niederreither et al., 2000). Estos defectos de patrón tienen consecuencias dramáticas para los eventos relacionados con el desarrollo, como el patrón del oído interno, la migración de la cresta neural (que conduce a una falta de desarrollo de todos los arcos branquiales excepto el primero) o la diferenciación neurita / nervio craneal. En pez cebra raldh2 mutantes, se describe una anteriorización del rombencéfalo similar (Begemann et al., 2001 Grandel et al., 2002). Estos resultados llevaron a la conclusión de que la AR producida por RALDH2 en el mesodermo somítico se difunde hacia el rombencéfalo, actuando como una señal "vertical" clásica para controlar el patrón y regular la expresión de determinantes romboméricos posteriores.

Como los RAR tienen funciones parcialmente redundantes, las anomalías del rombencéfalo se encuentran solo cuando al menos dos receptores se inactivan en combinación. Curiosamente, tales inactivaciones compuestas tienen diferentes resultados en el patrón del rombencéfalo. Rara - / - Rarg - / - mutantes muestran graves malformaciones similares a las de Raldh2 - / - mutantes (Wendling et al., 2001) (Fig. 4C). Rara - / - Rarb - / - los mutantes muestran un fenotipo diferente, en el que solo r5-r7 tienen límites anormales, y los genes normalmente restringidos a r5-r6 se diseminan posteriormente a expensas de los marcadores r7 (Fig. 4D) (Dupé et al., 1999). La exposición de embriones de tipo salvaje cultivados a BMS493, un antagonista de pan-RAR, en las primeras etapas somitas Rara - / - Rarg - / - defectos del rombencéfalo, mientras que un tratamiento anterior al comienzo de la gastrulación produjo una Rara - / - Rarb - / - fenotipo similar a (Wendling et al., 2001). Esto indica que RARα y / o RARγ median los efectos tempranos de RA en el patrón del rombencéfalo, mientras que RARβ funciona más tarde en el desarrollo para establecer el tamaño y el límite caudal del territorio r5 / r6.

Es importante destacar que los genes Cyp26 muestran patrones de expresión diferenciales específicos de rombómeros. Cyp26a1 la pérdida de función conduce a sutiles defectos de patrón, con un r4 agrandado y una transformación parcial de r3 en una identidad similar a r4 (Abu-Abed et al., 2001 Sakai et al., 2001) (Fig. 4E). No se observaron anomalías del cerebro posterior en Cyp26b1 - / - o Cyp26c1 - / - mutantes, aunque compuestos Cyp26a1Cyp26c1 la inactivación conduce a defectos graves (falta de segmentación y posteriorización de la región r1-r4 prospectiva) (MacLean et al., 2009 Uehara et al., 2007) (Fig. 4F). Como se describe a continuación, es probable que las enzimas CYP26 actúen de manera concertada para controlar la difusión de la AR y mantener territorios preromboméricos específicos en un estado libre de AR.

El rombencéfalo: un paradigma experimental para estudiar los gradientes morfogenéticos de la AR

Los sorprendentes efectos tanto del exceso de retinoides como de la deficiencia de retinoides en el patrón del rombencéfalo han estimulado la investigación de los mecanismos y modos de acción subyacentes de la AR. Hace casi 25 años, se identificó a la AR como el primer morfógeno vertebrado candidato, tras el descubrimiento de concentraciones desiguales de AR en la yema de la extremidad del polluelo en desarrollo (Thaller y Eichele, 1987). Los morfógenos son moléculas de señalización que actúan de forma autónoma no celular de una manera dependiente de la concentración para asignar identidades posicionales a campos de células (Wolpert, 2011). Durante los últimos 10 años, varios grupos han intentado obtener información sobre cómo se regula la distribución espacial de la AR. A continuación, discutimos los aspectos `` clásicos '' y más nuevos de esta regulación y el establecimiento de posibles gradientes de AR, siendo el principal concepto emergente que se requieren varias actividades enzimáticas (por ejemplo, de RDH y CYP26) además de RALDH para controlar dinámicamente y dar forma a las distribuciones de RA dentro del embrión.

Resumen de la vía de señalización de RA. La AR, sintetizada intracelularmente a partir del retinol circulante o que se difunde desde una célula adyacente (flecha roja curva), finalmente llega al núcleo. Las proteínas de unión al ácido retinoico celular (CRABP) pueden estar involucradas en esta transferencia. Las proteínas de unión al retinol celular (CRBP) pueden ayudar a presentar retinol a las retinol deshidrogenasas (RDH). Los dímeros de los receptores de RA (RAR) y los receptores de retinoides X (RXR), denominados RAR / RXR, pueden unirse a los elementos de respuesta de RA (RARE) en sus genes diana en ausencia de ligando, interactuando con complejos de proteínas (correpresores ) que estabilizan la estructura nucleosómica de la cromatina e impiden el acceso al promotor. Tras la unión de RA, un cambio conformacional en la estructura helicoidal del dominio de unión de ligando RAR cambia sus propiedades de interacción proteína-proteína, liberando los correpresores y reclutando complejos coactivadores que desestabilizan los nucleosomas y / o facilitan el ensamblaje de la transcripción pre -complejo de iniciación, que contiene ARN polimerasa II (Pol II), proteína de unión a TATA (TBP) y factores asociados a TBP (TAF).

Resumen de la vía de señalización de RA. La AR, sintetizada intracelularmente a partir del retinol circulante o que se difunde desde una célula adyacente (flecha roja curva), finalmente llega al núcleo. Las proteínas de unión al ácido retinoico celular (CRABP) pueden estar involucradas en esta transferencia. Las proteínas de unión al retinol celular (CRBP) pueden ayudar a presentar retinol a las retinol deshidrogenasas (RDH). Los dímeros de los receptores de RA (RAR) y los receptores de retinoides X (RXR), denominados RAR / RXR, son capaces de unirse a los elementos de respuesta de RA (RARE) en sus genes diana en ausencia de ligando, interactuando con complejos de proteínas (correpresores ) que estabilizan la estructura nucleosómica de la cromatina e impiden el acceso al promotor. Tras la unión de RA, un cambio conformacional en la estructura helicoidal del dominio de unión de ligando RAR cambia sus propiedades de interacción proteína-proteína, liberando los correpresores y reclutando complejos coactivadores que desestabilizan los nucleosomas y / o facilitan el ensamblaje de la transcripción pre -complejo de iniciación, que contiene ARN polimerasa II (Pol II), proteína de unión a TATA (TBP) y factores asociados a TBP (TAF).

¿La AR coincide con la definición de morfógeno? Como pequeña molécula lipofílica (Fig. 1), puede difundirse a través de las membranas celulares. Además, es soluble en agua hasta ~ 200 nM (Szuts y Harosi, 1991), es decir, dentro de su rango de concentración fisiológica, por lo que también pueden ocurrir gradientes de difusión en el espacio extracelular. Dentro del rombencéfalo, la RA puede controlar la expresión génica de una manera dependiente de la concentración, como lo demuestran los efectos dependientes de la concentración de los tratamientos de RA (por ejemplo, Durston et al., 1989).El tratamiento de embriones de pollo o pez cebra con el antagonista de AR BMS493 mostró que los límites de los rombómeros posteriores requieren concentraciones progresivamente más altas de AR para su correcta colocación (Dupé y Lumsden, 2001 Maves y Kimmel, 2005). La fuente de AR para el patrón del rombencéfalo es local y corresponde al mesodermo presomítico (PSM) y somitas que expresan Raldh2 cerca del rombencéfalo caudal (Fig. 5). Estas observaciones podrían respaldar un papel para la AR que actúa como un morfógeno difusible en el rombencéfalo presegmentado, quizás difundiéndose desde su fuente mesodérmica a través de contactos célula-célula. A diferencia de otros morfógenos establecidos [p. Ej. FGF8 o erizo sónico (SHH)], nunca se ha demostrado un gradiente para la AR, principalmente debido a limitaciones técnicas. Recientemente, White et al. (White et al., 2007) visualizaron RA indirectamente en pez cebra usando un marcador fluorescente bajo el control de RARE (raro: yfp). En embriones transgénicos, la expresión de YFP se clasificó claramente desde las regiones posterior a anterior del rombencéfalo. Esta expresión se pierde en embriones mutantes deficientes en RA, pero puede restaurarse mediante el trasplante previo de células que sobreexpresan Raldh2 en mesodermo somítico. En la mayoría de los casos, el rescate abarcó el ancho del tubo neural a lo largo de un diámetro de seis celdas (70 μm) (White et al., 2007).

En otro estudio con pez cebra, Maves y Kimmel (Maves y Kimmel, 2005) informaron una inducción secuencial de genes diana de AR y mostraron que los genes expresados ​​posteriormente no requieren una exposición más prolongada, pero requieren niveles más altos de AR para la inducción que los genes expresados ​​anteriormente. Esto sugiere que el gradiente de RA aumentaría con el tiempo y que las altas concentraciones necesarias para activar los genes posteriores solo se alcanzan más tarde durante el desarrollo del rombencéfalo. Los autores propusieron un modelo en el que el rombencéfalo necesita una fuente de AR en aumento temporal para definir las identidades de los rombómeros de forma secuencial (Fig. 5A).

La observación de que los genes Cyp26 muestran patrones de expresión específicos de rombómeros impulsó la idea de que la degradación podría estar involucrada en la configuración de la distribución de la AR. En un estudio con ratones, Sirbu et al. correlacionó la dinámica de Hoxb1 expresión, desde su inicio hasta su restricción en r4, con la expresión dinámica de los genes Cyp26 (Sirbu et al., 2005). Propusieron un modelo de "límites cambiantes" en el que los límites anteriores de los genes específicos de los rombómeros están fijados por el límite posterior de la actividad de CYP26 en el momento de su inicio de expresión. Hernandez et al. obtuvieron resultados consistentes en el pez cebra y elaboró ​​un modelo "sin gradiente", en el que la degradación de la AR por las enzimas CYP26 determina progresivamente más límites posteriores de la expresión génica dependiente de la AR de manera escalonada (Hernandez et al., 2007). Por tanto, los tres CYP26 funcionarían para establecer tres límites secuenciales en la capacidad de respuesta de RA, es decir, pre-r3 / r4, r4 / r5 y r6 / r7 (Fig. 5B).

Como Cyp26a1 está bajo el control de la señalización de RA, White y sus colegas han propuesto un papel más sutil para la degradación de RA (White et al., 2007 White y Schilling, 2008). Su modelo (Fig. 5C), en el que CYP26A1 juega un papel central en la modulación de los niveles de RA dinámicamente, puede reconciliar las diversas observaciones descritas anteriormente. Usando la implantación de perlas, los autores demostraron que la señalización de FGF actúa indirectamente al inhibir la activación de RA dependiente de Cyp26a1 expresión. Mediante análisis computacional, demostraron que los gradientes de RA pueden verse influidos por los efectos de retroalimentación interactiva (señalización de RA que luego induce la degradación de RA) y de retroalimentación (señalización de FGF y luego reprimiendo la degradación de RA). Los efectos de retroalimentación de los FGF acoplan la forma del gradiente RA a la del gradiente FGF. Argumentan que esto hace que el gradiente sea estable a las fluctuaciones en la síntesis de AR, pero también a un campo de células en expansión.

Ejemplos de genes que contienen elementos de respuesta a AR funcionales y / o conservados evolutivamente

yvnT5mX36veobQE251PHgcQ0geIxNFH5i2BAleqy4dvG0Wqg04UWlPysdtrs4OlCKcJNwe12AYacSY-Vc7Rczvp6AF8VcKwcDdXaWFLvzb-BV2CYIGt3-IdCKDXAWFLvzb-BV2CYVIGt3-APK-ID3AWFVZB-BVIJD3-VCKWCDDXaWFLvzb-BV2CYIGt3 -

Un aspecto que debe abordarse es la regulación a nivel de la fuente de AR. Estudios en Xenopus propuso un modo alternativo de formación de gradiente de AR basado en la cooperación entre RDH10 y RALDH2 (Strate et al., 2009). RDH10 produce retinaldehído en el mesodermo cervical anterior y el rombencéfalo ventral que se difunde posteriormente, donde RALDH2 lo convierte en AR. Por tanto, los niveles más altos de AR se producirían en el frente anterior de la expresión de RALDH2, donde la concentración de retinaldehído es más alta, con concentraciones decrecientes observadas posteriormente (Fig. 5D). Este pico de RA se movería posteriormente concomitantemente con la translocación de los dominios de expresión de RDH10 y RALDH2, desplazando el pico del gradiente desde el límite del rombencéfalo / médula espinal al interior de la médula espinal. Se requieren más estudios para abordar la importancia de tales efectos cooperativos en el rombencéfalo o en otros campos morfogenéticos. Recientemente se demostró que Raldh2 la expresión está bajo el control transcripcional de un complejo ternario que incluye proteínas Hox, Pbx y Meis. Ambos Pbx1Pbx2 y Hoxa1Pbx1 ratones mutantes compuestos muestran reducción mesodérmica Raldh2 expresión (Vitobello et al., 2011). Estos autores muestran que HOXA1-PBX1 / 2-MEIS2 se une directamente a un elemento regulador necesario para mantener la normalidad Raldh2 expresión. Así, en el rombencéfalo, las proteínas Hox pueden regular sus propios límites controlando los niveles de RALDH2, contribuyendo así a moldear el gradiente de RA producido.

Anomalías del cerebro posterior en modelos animales con señalización de RA alterada. (A) La estructura rombomérica del rombencéfalo en un embrión de tipo salvaje (WT), destacando los rombómeros 2-7 (r2-r7) con somitas adyacentes (negro) y otocyst (azul) también mostrados. Patrones de expresión presegmentaria / segmentaria de tres marcadores romboméricos clave [Kreisler (Mafb), Hoxb1, Krox20] están representados (las barras rojas punteadas indican dominios de expresión irregulares o mal definidos). (B-F) Las alteraciones en la segmentación del rombencéfalo y los patrones moleculares se ilustran en varios modelos animales con deficiencia endógena en la señalización de la AR: (B) codorniz deficiente en vitamina A (VAD) (C) Raldh2 - / - , al igual que Rara - / - Rarg - / - señalización de ratones mutantes (que carecen de RARα y RARγ) (D) Rara - / - Rarb - / - ratones (que carecen de RARα y RARβ) (E) Cyp26a1 - / - ratones y (F) Cyp26a1 - / - Cyp26c1 - / - ratones. Los rombómeros anormales (agrandados, no segmentados y / o con patrones anormales) se indican entre comillas. En algunos modelos no se determinaron (ND) anomalías de otoquistes. SC, médula espinal.

Anomalías del cerebro posterior en modelos animales con señalización de RA alterada. (A) La estructura rombomérica del rombencéfalo en un embrión de tipo salvaje (WT), destacando los rombómeros 2-7 (r2-r7) con somitas adyacentes (negro) y otocyst (azul) también mostrados. Patrones de expresión presegmentaria / segmentaria de tres marcadores romboméricos clave [Kreisler (Mafb), Hoxb1, Krox20] están representados (las barras rojas punteadas indican dominios de expresión irregulares o mal definidos). (B-F) Las alteraciones en la segmentación del rombencéfalo y los patrones moleculares se ilustran en varios modelos animales con deficiencia endógena en la señalización de la AR: (B) codorniz deficiente en vitamina A (VAD) (C) Raldh2 - / - , al igual que Rara - / - Rarg - / - señalización de ratones mutantes (que carecen de RARα y RARγ) (D) Rara - / - Rarb - / - ratones (que carecen de RARα y RARβ) (E) Cyp26a1 - / - ratones y (F) Cyp26a1 - / - Cyp26c1 - / - ratones. Los rombómeros anormales (agrandados, no segmentados y / o con patrones anormales) se indican entre comillas. En algunos modelos no se determinaron (ND) anomalías de otoquistes. SC, médula espinal.

Funciones de la AR durante el desarrollo del prosencéfalo

Mientras que muchos estudios han investigado las funciones de la AR en el rombencéfalo en desarrollo, otros aspectos del desarrollo del cerebro permanecen menos explorados. Los estudios iniciales que utilizaron el sistema de pollitos en el que se administró un antagonista de RAR / RXR mediante la implantación de perlas (Schneider et al., 2001), o utilizando el modelo de codorniz VAD (Halilagic et al., 2003), indicaron un papel de la AR en el patrón de AP del prosencéfalo embrionario y la supervivencia celular en el telencéfalo (el derivado del prosencéfalo más anterior). Además, se sugirió que RA especificara un carácter intermedio dentro del telencéfalo, actuando en combinación con SHH para impartir identidad ventral y con Wnts / FGF para imponer un carácter dorsal (Marklund et al., 2004).

Dos genes de Raldh se activan diferencialmente durante el desarrollo temprano de la cabeza embrionaria y el prosencéfalo. Raldh2 se expresa transitoriamente en la placa neural rostral y vesículas ópticas, mientras que Raldh3 se expresa un poco más tarde en el ectodermo de superficie que recubre el prosencéfalo anterior. Estudios de murino Raldh2/Raldh3 Los mutantes con pérdida de función solo respaldaron parcialmente los datos experimentales aviares. Usando un transgén informador que contiene RARE se encontró que Raldh2 la inactivación elimina toda la actividad de AR en el neuroepitelio del prosencéfalo (Mic et al., 2004a Ribes et al., 2006). Raldh2 - / - los embriones exhiben un crecimiento defectuoso y morfogénesis de la vesícula óptica, que es una evaginación del neuroepitelio del prosencéfalo y precursor de la retina (Mic et al., 2004a). Ribes y col. informó de deficiencias adicionales del prosencéfalo en Raldh2 - / - mutantes, con proliferación celular disminuida y expresión alterada de varios determinantes ventrales, incluidos genes sensibles a SHH (Ribes et al., 2006). Molotkova y col. analizado Raldh2 -/- y Raldh2 –/– Raldh3 - / - compuestos mutantes y cuestionaron una función temprana de la AR en el prosencéfalo basándose en su observación de patrones de expresión normal de genes, incluidos Fgf8 y Meis2 (Molotkova et al., 2007). Por lo tanto, si la AR juega un papel crucial además de regular el desarrollo de la vesícula óptica sigue siendo controvertido y es un tema difícil de abordar con los modelos de ratón Raldh-null disponibles (embrionarios letales). Un enfoque alternativo para inhibir la señalización de RA consiste en expresar un receptor negativo dominante (DN-RARα) en el telencéfalo embrionario (utilizando el sistema Cre-lox para la expresión específica de tejido). Este enfoque también condujo a una disminución de la proliferación celular y a un aumento de la muerte celular en las poblaciones de progenitores telencefálicos (Rajaii et al., 2008). Además, se encontró una distribución anormal de células que expresan Islet1 en el telencéfalo ventral, con células Islet1 + presentes en las eminencias ganglionares mediales (MGE) en lugar de estar restringidas a las eminencias ganglionares laterales (LGE), lo que sugiere un papel de la AR en la especificación de poblaciones de células progenitoras.

La señalización de retinoides puede influir en poblaciones progenitoras específicas en etapas posteriores del desarrollo del prosencéfalo, aunque estas funciones siguen estando poco caracterizadas. Smith y col. (Smith et al., 2001) sugirieron por primera vez que la AR podría ser una señal difusible que regula la neurogénesis en la corteza cerebral, basándose en la observación de que Raldh2 - y en un grado menor Raldh1 - se expresa en la capa de células meníngeas en desarrollo desde E13.5 hasta las etapas posnatales. La AR producida por las células meníngeas podría, por tanto, difundirse dentro del neuroepitelio, donde puede influir en la proliferación o diferenciación de las células progenitoras y / o la migración radial a lo largo de las capas corticales. La AR producida de forma meníngea puede regular la neurogénesis en otras regiones del cerebro en etapas posteriores del desarrollo (Zhang et al., 2003). Un nuevo actor surgió del trabajo reciente de Siegenthaler et al. (Siegenthaler et al., 2009). RDH10, que actúa corriente arriba de las RALDH, también se expresa en las meninges en desarrollo (Romand et al., 2008) y, mientras se estudia Foxc1 ratones mutantes que presentan una formación meníngea del prosencéfalo defectuosa, Siegenthaler et al. mostró disminuido Raldh2 y Rdh10 expresión en las meninges afectadas, y encontró que el tratamiento con todo-trans-RA mejoró el desarrollo cortical tanto in vivo como en un sistema de cultivo de explantes. Chatzi y col. (Chatzi et al., 2011) cuestionaron estos resultados y la hipótesis de un papel de la AR meníngea. Estos autores analizaron Raldh2 - / - mutantes en E14.5 después del rescate de AR materna, y no informaron cambios en la proliferación celular o en la organización general de las capas corticales, aunque las capas meníngeas carecían de actividad de AR como se observó con un transgén informador. Este problema deberá resolverse mediante estudios más profundos y podría requerir la generación de modelos murinos adicionales con ablación específica de tejido de la síntesis de AR en las meninges. Actualmente, el único papel inequívoco de la AR en el prosencéfalo en las etapas media y tardía del desarrollo se relaciona con la diferenciación de las neuronas e interneuronas de proyección estriatal GABAérgica que migran al bulbo olfatorio y la corteza, e involucra la actividad de RALDH3 en la zona subventricular LGE (Chatzi et al. , 2011 Molotkova et al., 2007). Además, cada vez está más claro que es probable que las funciones de la AR endógena persistan en poblaciones neuronales adultas (ver Cuadro 3).

Modelos de actividad secuencial de RA durante la segmentación del rombencéfalo. Se muestran distribuciones graduales de moléculas de señalización y patrones de expresión de enzimas que sintetizan y metabolizan RA. Las interacciones reguladoras positivas y negativas se representan como flechas y barras, respectivamente. Estas interacciones son secuenciales y se inician en etapas tempranas (presegmentarias) en la gástrula / neurula, por lo tanto, el esquema de rombómeros (gris) solo se muestra para proporcionar puntos de referencia posicionales. (A) El modelo de "gradiente creciente" propone que el gradiente morfogénico de RA no es fijo, sino que se vuelve más pronunciado con el tiempo, especificando rombómeros secuencialmente de anterior a posterior. (B) El modelo de "límites cambiantes" postula que la degradación de RA localizada controla y / o refina el tiempo de exposición. Es importante destacar que la expresión de las enzimas CYP26 es dinámica, logrando así los límites de la regulación dependiente de RA de manera escalonada. (C) En el modelo "basado en la degradación", el gradiente de RA está determinado por el control local de su degradación. Cyp26a1 La expresión está regulada por la acción opuesta de dos gradientes: RA regulando Cyp26a1 positivamente frente a la señalización de FGF - eventualmente reemplazando a RA - regulándola negativamente. Raldh2 también está controlado por esta influencia de dos gradientes, lo que contribuye a la regulación de la producción de AR en la fuente. (D) El modelo propuesto más recientemente incorpora la acción de RDH10, que produce retinaldehído en el rombencéfalo ventral y somitas que se difunde hacia las células que expresan RALDH2. Debido a la dinámica de Rdh10/Raldh2 expresión, los niveles más altos de AR se producen en el límite del rombencéfalo / médula espinal, y este pico se mueve posteriormente a medida que avanza el desarrollo. Los modelos que se muestran en A-D no son mutuamente excluyentes y, en conjunto, es probable que tengan en cuenta los efectos reguladores secuenciales de la AR en el rombencéfalo presegmentado y segmentado.

Modelos de actividad secuencial de RA durante la segmentación del rombencéfalo. Se muestran distribuciones graduales de moléculas de señalización y patrones de expresión de enzimas que sintetizan y metabolizan RA. Las interacciones reguladoras positivas y negativas se representan como flechas y barras, respectivamente. Estas interacciones son secuenciales y se inician en etapas tempranas (presegmentarias) en la gástrula / neurula, por lo tanto, el esquema de rombómeros (gris) solo se muestra para proporcionar puntos de referencia posicionales. (A) El modelo de "gradiente creciente" propone que el gradiente morfogénico de RA no es fijo, sino que se vuelve más pronunciado con el tiempo, especificando rombómeros secuencialmente de anterior a posterior. (B) El modelo de "límites cambiantes" postula que la degradación de RA localizada controla y / o refina el tiempo de exposición. Es importante destacar que la expresión de las enzimas CYP26 es dinámica, logrando así los límites de la regulación dependiente de RA de manera escalonada. (C) En el modelo "basado en la degradación", el gradiente de RA está determinado por el control local de su degradación. Cyp26a1 La expresión está regulada por la acción opuesta de dos gradientes: RA regulando Cyp26a1 positivamente frente a la señalización de FGF - eventualmente reemplazando a RA - regulándola negativamente. Raldh2 también está controlado por esta influencia de dos gradientes, lo que contribuye a la regulación de la producción de AR en la fuente. (D) El modelo propuesto más recientemente incorpora la acción de RDH10, que produce retinaldehído en el rombencéfalo ventral y somitas que se difunde hacia las células que expresan RALDH2. Debido a la dinámica de Rdh10/Raldh2 expresión, los niveles más altos de AR se producen en el límite del rombencéfalo / médula espinal, y este pico se mueve posteriormente a medida que avanza el desarrollo. Los modelos que se muestran en A-D no son mutuamente excluyentes y, en conjunto, es probable que tengan en cuenta los efectos reguladores secuenciales de la AR en el rombencéfalo presegmentado y segmentado.

Acciones de RA en derivados del intestino anterior

La señalización de la AR tiene muchas otras funciones durante la embriogénesis temprana. Discutimos brevemente cómo estas funciones pueden correlacionarse con gradientes de actividad y / o difusión entre capas celulares, enfocándonos primero en el aparato branquial y luego en los pulmones y el páncreas. Los detalles de las funciones de la AR en otros sistemas de órganos se pueden encontrar en otras revisiones (Duester, 2008 Niederreither y Dollé, 2008).

Señalización RA en el aparato branquial

Los arcos branquiales son estructuras segmentarias que se desarrollan a lo largo del endodermo del intestino anterior embrionario. Están colonizados por corrientes segmentarias de la cresta neural del cerebro medio / rombencéfalo y dan lugar a diversos derivados que incluyen el hueso hioides, la tiroides, las paratiroides y el timo, y poblaciones cardíacas específicas. La RA es producida localmente por RALDH2, que se expresa en el mesénquima que rodea el intestino anterior hasta un límite bastante definido al nivel de los arcos 4º-6º (Niederreither et al., 2003). El análisis de un transgén que responde a la AR reveló un área más extendida de actividad de la AR, que se extiende hasta el borde posterior del segundo arco. Además, esta actividad se encontró en las capas de células mesenquimales y endodérmicas. La función de RALDH2 en el aparato branquial se descubrió en Raldh2 - / - mutantes rescatados mediante la suplementación de AR materna en etapas específicas (Niederreither et al., 2003). Esta suplementación rescató parcialmente los defectos del rombencéfalo y la cresta neural, revelando un fenotipo branquial anormal en el que no se desarrollaron todas las estructuras derivadas de los arcos 3, 4 y 6, incluidas las bolsas endodérmicas y las arterias del arco aórtico. En consecuencia, muchos de los derivados de estos arcos faltaban o eran anormales en las etapas fetales. También se observaron anomalías de la aorta y de los grandes vasos, que se derivan de los arcos aórticos, con falta de tabicación del tronco aórtico (tronco arterioso persistente) incompatible con la supervivencia posnatal.El tratamiento de embriones de tipo salvaje en estadio somita temprano con un antagonista pan-RAR (BMS493) condujo a efectos similares en los arcos branquiales posteriores (Wendling et al., 2000). Generación de un hipomórfico Raldh2 La mutación reveló una susceptibilidad particular de la región branquial a la disminución de la síntesis de AR, ya que los mutantes hipomórficos mostraron anomalías que fenocopiaron a los rescatados. Raldh2 - / - mutantes (Vermot et al., 2003). Estas anomalías fenocopian una condición humana, el síndrome de DiGeorge, que es causado por deleciones cromosómicas que afectan los genes que codifican el factor de transcripción T-box 1 (TBX1) y la proteína adaptadora CRKL. Análisis de murino Tbx1/Crkl Los modelos de pérdida de función revelaron una señalización de RA localmente aumentada debido a cambios en el Raldh2 y Cyp26a1/Cyp26b1 dominios de expresión (Guris et al., 2006), y una interacción genética entre Raldh2 y Tbx1 se demostró recientemente (Ryckebusch et al., 2010). En conjunto, estos datos muestran que la AR actúa para modelar los arcos branquiales posteriores y sus derivados e implicar a la vía de los retinoides en la patogénesis del síndrome de DiGeorge.

Se han observado anomalías moleculares consistentes en la región branquial de Raldh2 mutantes (Niederreither et al., 2003 Vermot et al., 2003) y embriones cultivados tratados con BMS493 (Wendling et al., 2000). Entre los genes afectados se encuentran Hoxa1 y Hoxb1, que son dos genes que contienen RAROS que también son

Recuadro 3. Retinoides en el cerebro adulto

Es probable que las funciones retinoides persistan durante la vida posnatal. Los ratones mutantes para RARβ y RXRγ, dos receptores expresados ​​específicamente en estructuras estriatales que incluyen el putamen caudado y el núcleo accumbens (NAc), muestran una actividad locomotora reducida y un rendimiento motor alterado típico de la función estriatal anormal. En tono rimbombante, Rxrg - / - los ratones muestran un mayor comportamiento de desesperación y otro síntoma clave de depresión (anhedonia), que se revierten con el tratamiento antidepresivo crónico. La reexpresión de RXRγ mediada por adenovirus dentro del NAc también revirtió estos comportamientos, demostrando claramente una función postnatal para la señalización de RXRγ (Krzyzosiak et al., 2010). Estos hallazgos sugieren que la señalización alterada de los retinoides podría contribuir a enfermedades que afectan el sistema nigroestriatal, como las enfermedades de Parkinson y Huntington.

La AR también puede actuar en el hipocampo, una estructura clave para el procesamiento de la memoria y la emoción. La neurogénesis ocurre durante toda la vida en la zona granular del hipocampo, un sitio de alta actividad de AR. Rarb -/- y Rxrg - / - los ratones son deficientes en el aprendizaje espacial y la memoria, como las ratas con deficiencia de vitamina A (VAD), por lo que los déficits pueden ser rescatados mediante el tratamiento de la AR (Bonnet et al., 2008). La señalización retinoide alterada también puede estar involucrada en la degradación de la función del hipocampo en ratones envejecidos. Algunos estudios pioneros sugieren que los retinoides podrían regular la proliferación y / o diferenciación de las células madre del hipocampo en neuronas funcionales. Las células madre neurales adultas también se encuentran en la zona subventricular del prosencéfalo y en el bulbo olfatorio. In vitro, la AR puede aumentar la neurogénesis al mejorar la proliferación y diferenciación de neuroblastos del prosencéfalo adultos, e in vivo puede regular la proliferación de astrocitos que se dividen lentamente en la zona subventricular (Haskell y LaMantia, 2005). Una mayor caracterización de estas funciones podría tener importantes implicaciones para la terapia o la prevención de enfermedades neurodegenerativas.

afectado en el rombencéfalo en desarrollo. Otros posibles efectores del fenotipo de deficiencia de AR incluyen genes Fgf, principalmente Fgf8 y Fgf3, cuya expresión se redujo severamente en Raldh2 mutantes. Ni los estudios moleculares ni fenotípicos proporcionaron evidencia clara de un gradiente de concentración de AR que actúa en la región branquial. Sin embargo, indicaron que la señal del retinoide actúa de forma no autónoma en las células: por analogía con el modelo del rombencéfalo, se puede definir como una señal 'vertical' que viaja desde el mesénquima al endodermo faríngeo y como una señal 'plana' que se difunde a lo largo del cerebro. región branquial hasta el nivel del 3er arco. Otro paralelo con el rombencéfalo es que la acción de la AR puede estar restringida por la actividad de los CYP26, todos los cuales se expresan en poblaciones específicas de células branquiales / cervicales (Tabla 1).

Señalización de RA durante el desarrollo pulmonar

La señalización de retinoides específicos de la región tiene otras funciones importantes en el desarrollo de derivados del intestino anterior. Análisis de Raldh2 - / - mutantes y experimentos realizados en explantes embrionarios demostraron que la falta de actividad RA / RAR previene la inducción y el crecimiento de las yemas pulmonares primarias (Desai et al., 2006 Wang et al., 2006). Los eventos moleculares subyacentes incluyen una falta de Fgf10 inducción en el campo pulmonar (la región donde se inducen los brotes pulmonares primarios) causada por la regulación positiva de la señalización de TGFβ, que tiene un efecto inhibidor sobre Fgf10 expresión (Chen et al., 2007 Chen et al., 2010).

Señalización de la AR y desarrollo del páncreas

Se demostró en el pez cebra (ver Alexa et al., 2009), Xenopus (Chen et al., 2004) y ratón (Martin et al., 2005 Molotkov et al., 2005) que la AR también es necesaria para el desarrollo del páncreas. Aquí, la AR (producida mesodérmicamente por RALDH2) actúa difundiéndose hacia el endodermo, donde la mayoría de las anomalías moleculares se observan bajo deficiencia de AR. El páncreas se deriva de dos primordios endodérmicos conocidos como yemas ventral y dorsal, y la falta de AR afecta específicamente la inducción y el crecimiento de la yema pancreática dorsal. Un papel importante de la AR es regular a la baja la señalización de SHH, que tiene un efecto inhibidor sobre la inducción del páncreas. La AR también puede actuar en los pasos posteriores de la especificación de los linajes de células endocrinas pancreáticas (Martin et al., 2005 Ostrom et al., 2008). Un trabajo reciente indica que la AR puede actuar de manera más global para coordinar la posición de los órganos derivados del endodermo a lo largo del eje AP del intestino anterior y medio (Bayha et al., 2009), y que las enzimas CYP26 pueden restringir el alcance de la señalización de la AR y establecer el límite del campo pancreático (Kinkel et al., 2009).

RA y desarrollo de extremidades

Muchos de los primeros estudios han investigado el papel de la AR en el patrón de yemas de las extremidades embrionarias, desencadenado por informes de su capacidad para inducir duplicaciones de dígitos de imagen especular cuando se aplica localmente en yemas de alas de polluelo (Tickle et al., 1982) y de la medición de endógenos diferenciales. concentraciones a lo largo del eje AP de la extremidad (Thaller y Eichele, 1987). Las anomalías en el patrón esquelético de las extremidades se informaron por primera vez en Rara –/– Rarg - / - ratones mutantes compuestos (Lohnes et al., 1994), y más tarde se descubrió que los mutantes de las enzimas que sintetizan AR tienen yemas de las extremidades anteriores hipoplásicas o ausentes (Rdh10 -/- o Raldh2 - / - mutantes, respectivamente) (Cunningham et al., 2011 Niederreither et al., 1999 Sandell et al., 2007). Sin embargo, un estudio detallado de los mutantes compuestos de Raldh mostró que la AR no es necesaria para el desarrollo de las patas traseras (Zhao et al., 2009). Se encontró que la deficiencia de AR afecta la expresión de varios reguladores del crecimiento y el patrón de las yemas de las extremidades anteriores, incluyendo Fgf4 / 8 y Shh (Mic et al., 2004b Niederreither et al., 2002). Un estudio posterior concluyó que estos efectos son indirectos, con la AR actuando fuera de la yema de la extremidad y quizás incluso antes de su inducción: aquí, una inhibición de la señalización de FGF8 dependiente de la AR en el eje del cuerpo cerca del campo de la extremidad anterior crearía un entorno permisivo que permitiría a la extremidad inducción de yemas (Zhao et al., 2009). Finalmente, las células de los brotes de las extremidades deben desarrollarse en un entorno protegido por AR, principalmente a través de la acción sostenida de CYP26B1 (Probst et al., 2011 Yashiro et al., 2004). Curiosamente, tal función podría haber surgido antes de la especialización en extremidades de tetrápodos. De hecho, la señalización de RA también es necesaria para el desarrollo de las yemas de las aletas pectorales del pez cebra, que actúan desde la gastrulación hasta las primeras etapas somitas como una señal permisiva para la inducción y el crecimiento adecuados de la yema de la aleta (Gibert et al., 2006 Grandel y Brand, 2011). .

Función de la AR durante la somitogénesis y la diferenciación del tubo neural

Muchos estudios en profundidad han investigado las funciones de la AR durante el alargamiento del eje del cuerpo embrionario, donde controla varios eventos relacionados con la segmentación mesodérmica y la neurogénesis en el tubo neural caudal (la futura médula espinal). Los somitas son estructuras epiteliales segmentadas que se forman secuencialmente a lo largo del mesodermo paraxial izquierdo y derecho. Son los precursores de varios tejidos: su porción dorsal, el dermomiotomo, se diferenciará en músculo y dermis, mientras que su porción ventral, el esclerotomo, da lugar a elementos esqueléticos (columna vertebral y costillas). La formación de somitas es un proceso rítmico que se basa en un mecanismo de 'reloj y frente de onda', en el que un oscilador molecular impulsado por la señalización de Wnt y Notch genera ondas cíclicas de expresión génica que progresan rostralmente a lo largo del PSM (revisado por Gibb et al., 2010) . Este oscilador interactúa con un sistema de gradientes de señalización para crear un frente de maduración o "determinación", que se desplaza posteriormente a medida que se alarga el eje embrionario. Las células PSM se vuelven competentes para responder a las oscilaciones cuando se ubican antes del frente de determinación, iniciando el programa de formación de somitas. Hallazgos recientes sugieren que el mecanismo que controla la posición de este frente involucra dos gradientes dinámicos antagonistas: un gradiente de caudal a rostral Wnt / FGF y un gradiente de RA opuesto (Fig.6) (Diez del Corral et al., 2003) ( revisado por Aulehla y Pourquie, 2010 Pourquie, 2011). Como lo demuestran los transgenes informadores, en las etapas de gastrulación, la actividad de la AR se excluye progresivamente del mesodermo más posterior, lo que se correlaciona con la aparición de Cyp26a1 expresión en esta región (Ribes et al., 2009 Sirbu y Duester, 2006). En etapas posteriores durante el alargamiento axial, Raldh2 se expresa específicamente en los somitas recién formados y el PSM más anterior. Análisis de embriones de codorniz VAD y Raldh2 - / - mutantes de ratón revelaron que la falta de señalización de RA conduce a una expansión anterior de la Fgf8 dominio a lo largo del PSM y a la formación de somitas más pequeñas (Diez del Corral et al., 2003 Vermot et al., 2005). RA tiene la capacidad de reprimir la expresión ectodérmica posterior de Fgf8 durante un corto período de tiempo cuando se inicia el reloj molecular de la somitogénesis (Sirbu y Duester, 2006).

Otro papel importante de la AR es controlar la simetría bilateral de las columnas somíticas izquierda y derecha. Raldh2 - / - los embriones de ratón a menudo exhiben menos somitas en un lado (generalmente el derecho) (Vermot et al., 2005). Esta asimetría en la formación de somitas es causada por la desincronización de las ondas moleculares de expresión a lo largo del PSM izquierdo y derecho. Se obtuvieron resultados similares al interferir experimentalmente con la señalización de RA en embriones de pollo (Vermot y Pourquie, 2005) y pez cebra (Kawakami et al., 2005). Recientemente, se demostró que una mutación en ratón Rere (que codifica una proteína remodeladora de la cromatina también conocida como atrofina) conduce a una asimetría en la formación de somitas similar a la observada en Raldh2 - / - embriones (Vilhais-Neto et al., 2010). Estos autores demostraron que RERE regula positivamente la señalización de RA formando un complejo con el receptor nuclear NR2F2 (COUP-TFII), p300 (EP300) y RAR, promoviendo así la activación transcripcional de genes diana. Curiosamente, Nr2f2 se encontró que se expresaba asimétricamente en el PSM derecho, en un dominio que coincidía con la señalización asimétrica de RA detectada por un transgén informador. Esto condujo a un modelo revisado en el que la señalización transitoria asimétrica de RA actúa para `` amortiguar '' moléculas expresadas asimétricamente que actúan como determinantes del eje embrionario de izquierda a derecha, protegiendo al PSM de la acción desincronizadora de estas señales (Vilhais-Neto et al., 2010).

Íntimamente vinculado a la diferenciación mesodérmica durante el alargamiento corporal está el proceso de determinación del destino celular dentro de la médula espinal en desarrollo. La AR actúa mediante la difusión desde el mesodermo paraxial / somítico a la placa neural adyacente para controlar varios eventos moleculares necesarios para la especificación de tipos de células neuronales en la médula espinal prospectiva (Diez del Corral et al., 2003 Molotkova et al., 2005 Novitch et al. ., 2003 Wilson et al., 2004). Crucial para este proceso es el antagonismo funcional descrito anteriormente entre la señalización de RA y FGF, este último actúa para mantener una zona de "tallo" proliferativa en la placa neural más caudal (Fig. 6). Los niveles altos de FGF tienen un efecto inhibidor sobre Raldh2 expresión, y la presencia de CYP26A1 en la zona del tallo caudal previene además cualquier señalización inapropiada de RA. Una vez que la señal de FGF se atenúa a lo largo del PSM, la AR desencadenará el inicio de la diferenciación de la médula espinal y promoverá la inducción de genes implicados en la determinación de los tipos de células neuronales ventrales. Es importante destacar que la señalización de Wnt canónica media la transición de la señalización de FGF a RA durante el alargamiento del eje (Olivera-Martinez y Storey, 2007). Estos eventos se han revisado en detalle en otro lugar (Diez del Corral y Storey, 2004 Wilson et al., 2009).



Comentarios:

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