ISBN: 978-84-692-76778
PONENCIAS
Nº 2093. Patología Quirúrgica
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El Tercer Sistema: de la escultura embrionaria al microambiente tumoral Tomás Álvaro[1], Rosa Noguera[2], Fernando Fariñas[3] |
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zyrteczyrtec fontanerosenmalaga.esmixing ibuprofen and weedmixing adderall and weedLa matriz extracelular (MEC) representa una red tridimensional que engloba de una vez todos los órganos, tejidos y células del organismo. Constituye un filtro biofísico a través del cual las células se protegen, se nutren y se inervan. Estructurada sobre la base de un colágeno firme y una elastina flexible, accesibles a estudio in vivo mediante microscopía multifotónica, incluye entre sus múltiples funciones la de servir de reservorio para diferentes moléculas de la información, como neurotransmisores, hormonas o citocinas. Constituye el lugar de encuentro para las diversas subpoblaciones celulares que constituyen la respuesta inmune, el proceso de angiogénesis, la fibrosis y la regeneración tisular. Y representa el medio de transmisión de fuerzas mecánicas a la membrana basal y a todo el aparato de mecanotransducción celular, que a través del sistema de las integrinas pone en marcha el sistema de tensegridad y la activación de los mecanismos epigenéticos celulares. Finalmente, la MEC tiene unas características electromagnéticas cuyas propiedades resultan clave en el mantenimiento de su función, con un potencial eléctrico de 240 microV, oscilante con el ritmo circadiano y que aumentará en la fase ácida de un proceso inflamatorio y tenderá a disminuir en la fase alcalina.
La alteración de la MEC supone en primer lugar la pérdida de su función de filtro eficaz, tanto de nutrición como de eliminación, con las consiguientes repercusiones para las células parenquimatosas. Asimismo supone la denervación celular, la pérdida de la capacidad de regeneración y cicatrización y la alteración de la transmisión mecánica o mecanotransducción. También la pérdida del sustrato para una correcta respuesta inmune ante agentes infecciosos, tumorales y tóxicos.
Los tumores son tejidos funcionales conectados y dependientes del microambiente. Tanto en condiciones fisiológicas como patológicas, la comunicación recíproca entre células del estroma y el parénquima dirige la expresión génica. Y el microambiente tumoral, constituido por la MEC, las células del estroma y la propia respuesta inmune, son determinantes no solo de la morfología y clasificación tumoral, sino también de la agresividad clínica, el pronóstico y la respuesta al tratamiento del tumor. La capacidad oncogénica del estroma procede tanto de los fibroblastos asociados al tumor, como de las células linfoides que constituyen la respuesta inmune, y del estímulo mecánico de tensegridad de la MEC.
La evidencia de que la suerte de una célula no se decide por sus genes de manera lineal, en contra del determinismo genético, y la capacidad de considerar el conjunto de miles de moléculas, genes, proteínas, iones, lípidos, etc., que confluyen para realizar una única función celular o tisular ha dado lugar al concepto de hiperestructuras y a la idea de atractores, sacada de las matemáticas del caos y aplicadas ahora al cáncer. El cambio que transforma una célula proliferativa normal o “benigna” en”maligna” consiste en el cambio fenotípico de la transición epitelio-mesenquimal, fruto de cambiar el citoesqueleto epitelial por un fenotipo pseudomesenquimal, que otorga las propiedades de migración, invasión y diseminación. La interacción mesénquima-epitelio, influenciada por señales reguladoras extracelulares que proceden del microambiente tumoral, conforman el marco epigenético y la consideración de las células tumorales como atractores que constituyen las bases no genéticas de la progresión tumoral. La inducción de cambios en la MEC es suficiente para inducir el fenotipo tumoral, y viceversa, ciertos tumores pueden regresar restaurando una MEC que permita una correcta interacción entre el epitelio y el estroma. El hecho experimental que el fenotipo maligno es reversible a través de la corrección de las claves que facilita el microambiente tumoral abre las puertas a un nuevo enfoque para avanzar en el tratamiento del cáncer, más amigable y respetuoso con la consideración del organismo como un todo.
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I. El Tercer Sistema: histología y función.1.- Introducción al Tercer Sistema
2.- Evolución histórica del Tercer Sistema
3.- La Matriz Extracelular (MEC), una diosa con mil caras
4.- Histología de la Matriz Extracelular
5.- Aspectos Biológicos Y Funcionales Del Tercer Sistema
6.- Dinámica linfocitaria sobre la MEC
7.- Biotensegridad, o el poder de la MEC
8.- Mecanotransducción: la vida en/es movimiento
9.- CAMs: moléculas de adhesión celular
10.- Integrinas: el lazo entre el colágeno y el citoesqueleto
11.- Técnicas de estudio de la MEC
II. La MEC, reservorio eléctrico, electrónico y protónico12.- Hacia un paradigma electromagnético de la Biología y la Medicina
13.- Flujo energético en la matriz extracelular
III. La MEC y el microambiente tumoral14.- La MEC, nodriza del microambiente tumoral
15.- Células del estroma tumoral
16.- Respuesta inmune sobre el lecho tumoral
17.- Mecánica molecular
18.- Desmoplasia
19.- Transición epitelio-mesenquimal
20.- Consecuencias terapéuticas de la regulación del Tercer Sistema
21.- Agradecimientos
22.- Bibliografía
En honor a Alfred Pischinger, padre de la histoquímica y creador del concepto de sistema básico o tercer sistema, lugar de asiento de la función transmisora de matería, energía e información para todo el organismo.
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I. El Tercer Sistema: histología y función. 1.- Introducción al Tercer Sistema
El antiguo nombre de tejido conectivo sugiere una función de comunicación entre órganos, tejidos y células. Efectivamente, mediante su matriz todos los tejidos del organismo humano se comunican entre sí y a una velocidad superior a la del sistema nervioso. A nivel histológico, estas funciones de soporte y comunicación residen en la matriz extracelular (MEC), encargada del aporte de oxígeno y nutrientes a la célula y eliminación de CO2, toxinas y productos de desecho. Por eso constituye un espacio idóneo para el almacenamiento de material tóxico, especialmente debido a la presencia de proteoglicanos que pueden ligarse fácilmente a una gran variedad de sustancias tóxicas al estar cargados bioquímica y electromagnéticamente. El acúmulo de toxinas en la MEC es drenado a través del sistema linfático hacia la cadena ganglionar linfática más próxima, y si dicho drenaje no se da o es insuficiente se produce una respuesta que se traduce en inflamación, acidosis y dolor.
La MEC recibe inervación de las fibras nerviosas vegetativas, cuyas terminaciones libres constituyen auténticas sinapsis a distancia tanto de las propias células de la matriz como de las células parenquimatosas más próximas. Del hecho de que esa inervación esté intacta depende la predisposición de la matriz a responder con un proceso inflamatorio ante cualquier estímulo no fisiológico, tal y como ocurre en las hemiparálisis, en que el hemicuerpo paralizado no sufre, por ejemplo, artritis reumatoide. Otra de las funciones de la MEC consiste en actuar como reservorio de otras moléculas, incluyendo factores de crecimiento, citocinas y proteasas.
Una de las principales características de los vertebrados en comparación con los invertebrados es la diversidad de tipos de MEC, incluyendo el esqueleto. La MEC basada en colágeno constituye el principal elemento de soporte estructural de los animales multicelulares, así como desempeña un papel principal en los procesos de organización y orientación tisular, adhesión celular, migración, diferenciación, proliferación y apoptosis. Así mismo muchos genes de la MEC están asociados a diversas alteraciones, a veces de una manera absolutamente directa como ocurre en el síndrome de Ehlers-Danlos o en la epidermolisis bullosa. La gran cantidad de genes relacionados con la MEC así como sus enzimas parecen estar sobredimensionados en su genoma, lo cual ha sido invocado como evidencia del papel fundamental de la MEC en la evolución de los vertebrados (Huxley-Jones J, et al, 2007; Huxley-Jones J, et al, 2009).
La MEC está compuesta, pues, por una compleja mezcla de proteínas, proteoglucanos y glucoproteínas que confieren las propiedades estructurales de células y tejidos. Dichas proteínas ejercen a su vez un papel regulador de una extensa variedad de procesos celulares, tanto positiva como negativamente, y cada tipo celular muestra un perfil propio de receptores que constituyen la interfaz de comunicación con el microambiente que le rodea. De esta interacción se deriva la morfología celular, su comportamiento y la respuesta a moléculas solubles para los que la MEC sirve de reservorio, como citocinas y factores de crecimiento. De esta manera la MEC activa o deja de hacerlo los procesos celulares de crecimiento, muerte celular, adhesión, invasión, expresión génica y diferenciación. Naturalmente todos estos eventos celulares se traducen en los procesos fisiológicos del desarrollo embrionario, la morfogénesis tisular o la angiogénesis, pero también es motivo de inicio de procesos patológicos cuando la correcta información se pierde, dando lugar a procesos inflamatorios, autoinmunes, degenerativos y tumorales.
En la interpretación de este diálogo una estructura de la MEC de elevada complejidad y alta especialización desempeña un papel primordial: la membrana basal. A ella se adhieren las células epiteliales y de ella reciben las señales de control procedentes de la MEC. Entre otras muchas otras implicaciones, su estructura y función resultan claves en el proceso oncogénico. Las membranas basales son estructuras complejas compuestas por una lámina lúcida y una lámina densa y por cuatro tipos principales de familias de glucoproteínas que varían según el tipo de tejido: lamininas, colágeno tipo IV, nidógenos y proteoglicanos de tipo heparánsulfato. Entre sus funciones principales destacan las referidas a la adhesión celular, la regulación de la proliferación y su papel como filtro selectivo a la difusión.
La matriz intersticial estromal actúa para interconectar, no solo para sostener y naturalmente no para separar capas celulares, y está compuesta por moléculas fibrilares extracelulares. En esta red fibrilar se encuentran fibrillas de colágeno tipos I, III y V, glucoproteinas tales como fibronectina, vitronectina y tenascinas, y proteoglucanos del tipo condroitin sulfato y dermatán sulfato. Pero sobre todo, el líquido intersticial incluye agua que contiene hormonas, neurotransmisores, citocinas, sales minerales y muchas otras sustancias prestas para ser utilizadas, radicando aquí la función como reservorio molecular de la MEC. Naturalmente es también el lugar de nutrición desde donde se aportan oxígeno y nutrientes, y también donde se eliminan los elementos de desecho celular y CO2, por lo que su vitalidad y correcto funcionamiento depende de su limpieza y adecuado drenaje.
Los estudios de desarrollo embriológico muestran como el mesénquima esculpe la forma de los tejidos a través de uno de los elementos fundamentales de la MEC, la membrana basal. El equilibrio entre la degradación de la MEC principalmente por las metaloproteinasas, producidas en abundantes cantidades por los leucocitos y por el propio epitelio, determina la formación de glándulas, papilas, conductos o cualquier otra estructura epitelial (Huang S, et al. 1999). Esto es así hasta el punto de que, como hace tiempo que se sabe, si el epitelio de la mama se mezcla con el mesénquima de la glándula salival, la morfología que se forma es la de la glándula salival, aunque las células sigan produciendo las proteínas de la leche (Sakakura T, et al. 1976). En el tejido embrionario las membranas basales crecen rápidamente conduciendo el patrón de desarrollo normal de cada órgano, mientras que en los tejidos adultos, ni la expansión ni la degradación de la membrana basal es significativa en condiciones de normalidad.
La MEC sirve de anclaje a las células parenquimatosas que se fijan de forma tridimensional a través de las interacciones con la MEC. Este contacto es esencial para la supervivencia celular, hasta el punto de que cuando una célula se despega de la red y queda sin referencias de localización, ello conlleva un tipo particular de muerte celular programada llamada anoikis (Gilmore AP, 2005). Sólo las células tumorales metastásicas escapan a esta ley, que como veremos tiene repercusiones importantes en patología oncológica. La homeostasis tisular depende del equilibrio entre las células de los tejidos y su microambiente estromal, de manera que cuando este se perturba propicia la progresión tumoral, tal y como veremos más adelante.
La MEC está sujeta a un ritmo dinámico funcional que se activa durante el día y encuentra su fase de reposo en las horas de la noche, dependiente del flujo hormonal que marca el biorritmo de todo el organismo, en especial la hormona tiroidea y el cortisol, aparte naturalmente del sistema nervioso autónomo.
2.- Evolución histórica del Tercer Sistema
Varios son los científicos que han sentado las bases del conocimiento de la MEC, y han aportado aspectos esenciales a los conceptos de tercer sistema y matriz viviente (Noble D 2008; Saks V et al 2009). A mitades del siglo XIX, Carl Rokitansky describió sobre el crecimiento del tejido conectivo, afirmando que los elementos celulares y las enfermedades se producían a partir de los líquidos corporales, importante para lo que posteriormente se definiría como MEC. Así mismo, Claude Bernard definió el entorno extracelular o el “medio interno del organismo” proponiendo que su estado saludable era esencial para la salud y que la impureza de este terreno produciría enfermedades.
Ya en el siglo XX, Alfred Pischinger, el padre de la sustancia básica de la MEC, la describe como una sustancia similar a un gel amorfo que ocupa todo el entorno extracelular. Posteriormente llamó tercer sistema, sistema básico o de regulación basal, a toda la estructura que rodea a la célula definiéndolo como un sistema de homeostasis. Describió la estructura anatómica de este sistema de intercambio, el concepto del espacio extravascular y extracelular con la matriz extracelular, las células de soporte, las terminaciones nerviosas libre, los capilares y los inmunocitos.
Actualmente, Hartmut Heine, el primero en describir un punto de acupuntura desde el punto de vista histológico, sigue aportando un amplio conocimiento de la estructura de la MEC (especialmente los proteoglucanos y los glucosamionoglucanos) y de su autorregulación. La investigación moderna sobre matriz viviente y su base científica en medicina complementaría holística está siendo llevada a cabo por James L Oschman. Realiza una investigación en profundidad sobre peculiaridades de la matriz, más precisamente los aspectos energéticos. Todas las células saben lo que hacen las otras a través de las vías energéticas de la matriz viviente: el entorno de la célula, denominado matriz extracelular, lleno de colágeno, elastina, proteoglucanos y glucosamionoglucanos; la matriz intracelular, que representa entre otras estructuras el citoesqueleto; y el centro de la célula o matriz nuclear.
3.- La Matriz Extracelular (MEC), una diosa con mil caras
El modelo de patología celular de Virchow propone que la unidad mínima de vida en el organismo es la célula. Sin embargo esto es una abstracción, ya que en realidad la célula aislada de su entorno no puede sobrevivir. Alfred Pischinger expandió este modelo y propuso como unidad mínima de vida en los vertebrados la tríada de capilar-MEC-célula (Pischinger A, 2006). Ello supone la consideración de la MEC no como un material inerte o un tejido pasivo de sostén, sino como un componente vivo, dinámico y con múltiples funciones, una matriz viviente en palabras de Oschmann JL (2009). Y no solo eso, sino con capacidad de responder de forma rápida e integrada como una sola unidad. Son los proteoglicanos en particular los que poseen la capacidad de despolarización que a diferencia de la despolarización neuronal, que sigue el criterio de todo o nada, en la MEC es proporcional a la intensidad del estímulo.
La MEC es responsable de imprimir la especificidad tisular y asimismo también se asocia de manera específica a todo tipo de enfermedades. Por ejemplo, en tejidos normales participa activamente en el desarrollo y la maduración del SNC, su remodelación, la guía axonal, la regeneración tras lesión y la capacidad de plasticidad neural (Zimmermann DR, et al. 2008). En enfermedades autoinmunes podemos mencionar como ejemplo la glándula lacrimal y el aumento de la degradación de la MEC que se conoce está en relación con el síndrome de Sjogren (Schenke-Layland K et al, 2008). En enfermedad cardiovascular la MEC determina la remodelación y el fallo cardíaco (Miner EC, et al, 2006), a través de la fibrosis, un proceso activo capaz de anular la función conservada de los miocitos. En el proceso de metástasis podemos mencionar el cáncer de próstata y su estrecha asociación a los cambios de la MEC (Stewart DA, et al, 2004). En la mama determina tanto la morfología como la función glandular a través de la interacción entre el epitelio ectodérmico y el mesénquima mesodérmico; además su colaboración es necesaria en la disrupción de la organización tisular para la progresión de los carcinomas de este órgano (Ghajar CM et al, 2008). Aquí, como en melanoma (Miller AJ, 2006) y en tantos otros tumores, el estadiaje se elabora en base a como de alterada se encuentra la arquitectura del órgano donde se desarrolla el tumor.
Sin embargo, la pregunta interesante y que a fecha de hoy permanece sin respuesta es si dichos cambios son causa o efecto, esto es, ¿está alterada la arquitectura tisular antes de la aparición de las células malignas... o bien son las células tumorales las que sufren primero los cambios que las convierten en agentes de destrucción de la arquitectura tisular?. Si bien parece que ambas cosas suceden, sorprendentemente para los supuestos manejados de forma habitual hasta hoy, las evidencias disponibles apuntan a que es la pérdida tisular y de la arquitectura del órgano lo que convierte a la lesión en tumor maligno.
La MEC puede suponer tanto un estímulo de supervivencia para la célula como afectar su viabilidad de manera negativa. También puede jugar un importante papel en la progresión tumoral, induciendo o suprimiendo la apoptosis (Marastoni S, et al, 2008). Las moléculas de la MEC están en relación con los procesos de vida y muerte celular a través del equilibrio entre las metaloproteinasas y sus inhibidores. Constituyen en la actualidad potenciales dianas terapéuticas en procesos tan dispares como los inflamatorios (Korpos E, et al, 2009), la enfermedad neoplásica (Denys H, et al, 2009), el embarazo (Huang SC, et al, 2009), la función de la célula de Schwann (Chernousov MA et al, 2008), la regeneración en el SNC (Zimmermann DR, et al, 2008), alteraciones cardíacas como disfunción sistólica o diastólica o renales como la glomeruloescelrosis (de Cavanagh EM, et al, 2009).
4.- Histología de la Matriz Extracelular
La riqueza en material extracelular es variable en la organización y estructura de los diferentes tejidos. Es el marco estructural en el que están incluidos las células de soporte, las terminaciones nerviosas libre, los capilares y las células defensivas. Ese material extracelular está representado frecuentemente por una parte con estructura microscópica definida tradicionalmente, las fibras, y por la sustancia fundamental, un gel viscoso de macromoléculas muy hidratadas. El concepto clásico de sustancia fundamental amorfa ha quedado anticuado a medida que hemos aprendido detalles acerca de la configuración e interacciones de los constituyentes macromoleculares (Geneser F 3ª ed. ; Stevens A, Lowe J. 3ª ed. ).
Las fibras ofrecen resistencia tensil, elasticidad y forman un andamiaje sobre el cual están desplegadas las células. El resto de elementos crean un filtro biofísico de adhesión y son responsables de las características de hidratación ejerciendo una importante influencia sobre el intercambio vital. En general, entre una estructura gruesa de fibras de colágeno y elastina está la estructura fina de los proteoglucanos y glucoproteínas bañadas por el liquido intersticial o tisular.
Las proteínas estructurales que constituyen las tradicionales fibras extracelulares son de tres tipos: fibras colágenas, fibras reticulares y fibras elásticas. Se sabe que las fibras colágenas y las fibras reticulares no son sino dos formas morfológicamente diferentes de la misma proteína fibrosa, la colágena. Existen pues en realidad dos sistemas de fibras: el sistema colágeno y el sistema elástico.
De acuerdo con la estructura y funciones, el sistema colágeno puede ser considerado en: A) Colágenos que forman fibrillas. Pertenecen a este grupo los colágenos I, II, III, V y XI. Es útil con fines descriptivos, conservar el término de fibras reticulares (III) para los haces compuestos de fibrillas de colágena de 50nm o menos de diámetro. B) Colágenos asociados a fibrillas. Unen a los anteriores entre sí y a otros componentes de la MEC. Son los tipos IX y XII. C) Colágeno que forman red. Es el tipo IV. Uno de los principales componentes de las láminas basales. D) Colágeno de anclaje. Es el tipo VII, que está presente en las fibrillas de anclaje, que unen las fibras de colágeno tipo I a las láminas basales.
El sistema elástico, se distinguen fácilmente del colágeno por ser fibras más delgadas y no presentar estriaciones longitudinales. Se ramifican y se unen unas a otras formando una red de mallas muy irregulares. Además de las fibras elásticas típicas, en las que hay gran abundancia de elastina y una cantidad mucho menor de microfibrillas de fibrillina, se describen también las fibras elaunínicas y las oxitalánicas, que se encuentran con menor frecuencia en el organismo humano.
Los fijadores histológicos conservan mal la estructura fina de la MEC, y en las preparaciones rutinarias generalmente, dicha matriz aparece como material granuloso localizado entre las células y las fibras. En cortes por congelación se colorea por ácido periódico de Schiff (PAS) y se tiñe metacromáticamente. A nivel ultraestructural presenta una estructura reticular fina con pequeños grumos densos de 10-20nm. Está formada principalmente por macromoléculas de proteoglucanos y glucoproteínas fibrilares.
Los monómeros de proteoglucanos (PG) son compuestos formados por glucosominoglucanos (GAG) sulfatados, antiguamente denominados mucopolisacáridos, unidos por covalencia a proteínas centrales. Parecen una escobilla de limpiar frascos, con una parte central proteica y con los GAG asemejando a las cerdas de la escobilla. Los GAG son polímeros repetitivos largos no ramificados de disacáridos (hasta 200 sacáridos repetidos), constituidos por un ácido urónico (casi siempre el ácido glucorónico) y una hexosamina (glucosamina o galactosamina). Los principales GAG son el ácido hialurónico, el dermatánsulfato, el queratansulfato, el condroitínsulfato y el heparansulfato. Los agregados de PG son estructuras con forma de árbol con una molécula de ácido hialurónico a la que se unen proteínas transportadoras unidas a las proteínas centrales de los monómeros de PG, dispuestas transversalmente. La principal característica hidrófila de la MEC se debe a una elevada presencia global de GAG en su estructura. A causa de los numerosos grupos carboxilo y sulfato en sus moléculas, los GAG son polianiones, con carga muy negativa, uniéndose por electrovalencia a elevado número de cationes, principalmente el sodio. Los cationes a su vez, atraen y conservan gran cantidad de moléculas de agua. El potencial eléctrico de la MEC es de aproximadamente 240 microV. La modificación de las cargas eléctricas modificará las propiedades hidrófilas de la MEC. Las macromoléculas de PG ocupan un gran volumen de la MEC configurando dominios o también llamados poros del gel de la matriz. No pueden plegarse en estructuras compactas por lo que presentan una configuración helicoidal abierta de grandes dimensiones. Como la distancia entre dos proteínas centrales situadas en la estructura de los agregados de PG es de sólo 15-20nm, las moléculas grandes quedan atrapadas fácilmente. La organización espacial y la carga negativa de los PG junto con la turgencia intrínseca, facilita la difusión selectiva de las diversas moléculas y crean una red tridimensional estrecha que actúa como filtro biofísico que se opone a la deformación por fuerzas de compresión. Los agregados de PG reciben diferentes nombres (por ejemplo en el cartílago se denomina agregan) y no sólo se encuentran en la MEC sino que también están en la membrana basal (perlecan) o en superficies celulares (sindecan, betaglican…). La síntesis de PG y GAG es sorprendentemente rápida. Los fibroblastos por ejemplo, son capaces de producir estas estructuras en sólo 1 a 2 minutos. En condiciones normales se sustituyen después de un máximo de 4 meses. La vida media está entre 2 y 120 días.
Las moléculas de glucoproteínas fibrilares o estructurales (GP) son junto con el líquido intersticial el resto de los componentes de la matriz extracelular. Las GP contienen una parte proteica que predomina que se asocia a la parte glucídica que es ramificada. Las moléculas de las GP poseen regiones que se unen a receptores celulares y regiones que se unen a fibras. La fibronectina y la laminina son GP estructurales del tejido conectivo, biológicamente importantes. La fibronectina representa una familia de GP, con puntos de unión para las células, colágeno y GAG. Se une a los receptores celulares integrinas y conecta o une la célula a su entorno extracelular. La laminina se encuentra en las láminas basales, donde participa de la unión de esas estructuras a las células e influye en la filtración de moléculas a través de las láminas basales. El nidogen, la tenascina y la vitronectina son GP estructurales que nombraremos más adelante.
El líquido intersticial es el medio indispensable que hace que sea posible mantener la homeostasis entre las zonas intracelulares y extracelulares. Está formado por un vehículo de agua que contiene principalmente ácidos grasos, aminoácidos, azúcares, coenzimas, sustancias mensajeras como citocinas, hormonas, neurotransmisores y otras sustancias como sales minerales, productos de desecho, etc. La calidad de la vida de la célula depende en gran manera de la calidad del líquido en el que está bañada. Proporciona a la célula nutrición, permite que las células se comuniquen entre sí y que elimine los productos de desecho que producen.
En cualquier momento todas las células del organismo están unidas y se comunican entre sí a través del tercer sistema o sistema básico, siendo como nodos de una red unidas por contactos celulares, por matriz compartida y por factores secretados con autorregulación y autoorganización.
5.- Aspectos Biológicos y Funcionales del Tercer Sistema
La actividad biológica del ser humano resulta de interacciones entre el organismo, su medio interno y su ambiente exterior, tanto en la célula como en sistemas orgánicos complejos (Albers 4ª ed.; Darnell 5ª ed.). Para ello hay que pensar en la célula no como una entidad aislada, sino en permanente interacción con el medio que la rodea, es decir, la célula como individuo social. Esta interacción pone a la célula en comunicación con otras células y con su microambiente, fabricado por ella misma y por otras células. La construcción de tejidos y órganos o sociedades celulares, se basa en el reconocimiento del entorno, la distribución de componentes citoplásmicos, los cambios de forma, la movilización y el desplazamiento orientado, el establecimiento de contactos y asociaciones con otras células y/o con materiales extracelulares, entre otros mecanismos celulares. El desarrollo eficiente de todas estas actividades depende del buen funcionamiento de la superficie celular como integrante esencial de toda mediación de la célula hacia su interior y con su exterior. En biología funcional, el concepto de superficie celular supera los límites de la membrana plasmática al quedar ésta integrada con sus estructuras adyacentes, que corresponden a componentes del citoesqueleto y de la MEC.
La membrana plasmática según el modelo de Singer-Nicolson o modelo del “mosaico fluido”, con la doble capa de lípidos y las proteínas integrales que atraviesan total o parcialmente la membrana, se concibe como un mosaico de zonas más viscosas de la membrana que se mueven entre áreas más fluidas a la temperatura corporal de cada especie. Los diferentes componentes de la membrana celular tienen capacidad para movilizarse y realizar diferentes tipos de movimientos moleculares, como girar, bascular entre las superficies externa e interna y desplazarse tangencialmente a lo largo y ancho de la membrana. Esto explica muchas de las funciones celulares como el flujo de membrana, el funcionamiento de los receptores, el reconocimiento celular, la actividad enzimática superficial, la adhesión célula-célula y la adhesión célula-sustrato, la motilidad celular en un líquido o sobre sustratos, los fenómenos de endocitosis y exocitosis, los cambios de forma celular, la interacción y reclutamiento de ligandos, fenómenos inmunes y de histocompatibilidad. Paralelamente, determina la heterogeneidad fisicoquímica entre membranas de diferentes células y entre diferentes dominios de una misma membrana, así como la asimetría entre los componentes superficiales y citosólicos de una membrana.
El citoesqueleto es una estructura dinámica que ocupa el citoplasma. Los principales tipos de polímeros que forman el citoesqueleto son microfilamentos, microtúbulos y filamentos intermedios. La más mínima modificación extracelular del potencial eléctrico podría ser un desencadenante de cambios del citoesqueleto. La matriz nuclear está conectada con la matriz intracelular y por tanto puede reaccionar gracias a estas interconexiones a impulsos externos de diferente tipo.
La célula viva siempre está rodeada por la MEC, es su entorno directo. Las células en algunos tejidos están comunicadas por escasa MEC (tejido epitelial), en otros por el contrario es muy abundante (tejido conectivo). Se estima que la MEC supone un 20% de nuestra masa corporal total. De esta forma se convierte en el mayor órgano del cuerpo. Esta matriz es un filtro biofísico tridimensional de estructura fina que controla la transmisión de la nutrición y de los productos de desecho celulares, los mediadores y cualquier otra sustancia del entorno de la célula.
Todas las interacciones son posibles por el desarrollo evolutivo de formas eficientes de comunicación y capacidad de respuesta. Las señales que son objeto de transducción, es decir son transferidas a fin de elaborar una respuesta celular, y sus receptores complementarios, forman parte de cascadas de modulación de las estructuras y las funciones están integradas en sistemas esencialmente conservados en toda la escala biológica, como son el sistema endocrino-vascular y el sistema nervioso.
En el tercer sistema o sistema básico finalizan los capilares arteriales y comienzan los capilares venosos. Ninguna sustancia puede pasar directamente desde el torrente circulatorio hasta la célula y viceversa. Además el sistema linfático recoge su contenido de la matriz y de esta manera es un sistema de transporte paralelo al sistema venoso. Los nervios finalizan y comienzan en este sistema, produciendo activación mediante señales nerviosas u obteniendo información. La liberación de neurotransmisores por la célula nerviosa tiene que llegar a la célula diana a través de la matriz.
Además, en el sistema de la sustancia básica hay células de soporte y otras células que forman parte de la misma. Las principales células de soporte son los fibroblastos/fibrocitos, condroblastos/condrocitos, osteoblastos/osteocitos, los miofibroblastos y los adipositos. Las células de soporte son esenciales para la síntesis de la estructura de las fibras extracelulares y de los PG y GP. La calidad del filtro biofísico de los PG y de los GAG de la MEC depende de la exactitud de estas células.
Las células de soporte sanas (fundamentalmente los fibroblastos) hacen posible una restauración rápida de la MEC después de una lesión, recuperándose la protección celular. Entre las células locales de la MEC destacan los macrófagos, los neutrófilos y otros fagocitos que eliminarán la mayor parte de las sustancias indeseadas así como los mastocitos. Son todos ellos responsables de los mecanismos de defensa inespecíficos. Además los macrófagos muestran unas capacidades plurales de transformarse en diferentes formas funcionales. También hay células citotóxicas (linfocitos Tc) y linfocitos citolíticos naturales (linfocitos NK) para eliminar las células aberrantes o las células intoxicadas o lesionadas a nivel intracelular. Durante todas las actividades de transición, el sistema de defensa inespecífico controla el paso de sustancias y puede poner en marcha, si así se requiere, una movilización general de las defensas o reacción inflamatoria. La MEC es por tanto una zona de transición cuya principal función es la transmisión de material, energía e información mediante sustancias mensajeras, potencial eléctrico e impulsos eléctricos, que sirve de base a la mayor parte de las interacciones entre los diferentes sistemas de regulación del cuerpo.
Existen interacciones coordinadas competitivas entre factores solubles, otras células y la MEC que definen los nichos o microambientes bioquímicos y mecánicos locales, con regulación compleja y dinámica que influyen en el transito, la supervivencia, autorrenovación, proliferación y diferenciación de las células madre (Discher DE et al. 2009; Scadden DT 2006). Los nichos no son estáticos en función ni en número, y pueden ser creados o cambiados en condiciones específicas. La especificidad de las células hace que el nicho cumpla ciertas tareas en el cuerpo, a favor de todo el organismo. Actualmente existe una extensa investigación sobre las células madre y sus interacciones para esclarecer aspectos fundamentales para la medicina regenerativa de cómo contribuyen en el mantenimiento de la homeostasis y en la reparación tisular.
6.- Dinámica linfocitaria sobre la MEC
La MEC puede mostrar diversas formas estructurales así como diferente composición bioquímica. Una de sus formas corresponde a las membranas basales, que constituyen auténticas barreras que los linfocitos en su movimiento migratorio han de atravesar. Por otro lado, la matriz intersticial constituye una especie de guías o caminos por los que los linfocitos discurren con toda facilidad y a gran velocidad (Korpos et al, 2009). La migración de los timocitos, crucial para su correcta diferenciación, depende en gran medida de la MEC (Savino W, et al, 2004). Los linfocitos se relacionan con la MEC a través de receptores específicos, citocinas y factores quimiotácticos, y los diferentes tipos de leucocitos emplean diferentes mecanismos para migrar a través de la MEC, lo cual está determinado tanto por su composición como por su estructura.
En su continuo discurrir a través de los vasos, los linfocitos permanecen en la luz de los mismos, delimitados por la capa de células endoteliales, su propia membrana basal y la MEC. Cuando han de acudir a un territorio a ejercer sus funciones, por ejemplo atraídos por un foco de inflamación, entonces la extravasación leucocitaria incluye una cascada de eventos que van desde la penetración de la capa de células endoteliales hasta la transmigración a través de la MEC. Dicha cascada comienza con la adhesión de los leucocitos a las células endoteliales, proceso dirigido por las selectinas. A continuación se produce una activación dependiente de quimoquinas, la detención de la circulación leucocitaria que depende de las integrinas y la subsiguiente migración celular que depende del antígeno asociado a la función linfocitaria LFA-1. La transmigración celular de los leucocitos a través de las uniones de las células endoteliales está regulada por moléculas de adhesión intercelular como CD99 e intra- o transcelular como ICAM-1.
Tras atravesar en dos o tres minutos la monocapa de células endoteliales, los leucocitos topan contra la membrana basal endotelial, dependiente de las propias células endoteliales así como de las células perivasculares y mucho más lenta de atravesar. Finalmente migran a través de la matriz intersticial estromal, otra vez a gran velocidad, hasta alcanzar el foco inflamatorio que les llama. Naturalmente los mecanismos utilizados por los leucocitos par atravesar la membrana basal o avanzar a través de la matriz intersticial son diferentes, como también son diferentes de los mecanismos empleados por fibroblastos activados o células tumorales (Sabeh et al, 2009), que migran a través de un proceso de proteolisis pericelular mucho más lento.
En su migración a través de la MEC intersticial, los leucocitos exhiben movimientos ameboides que permiten que su cuerpo celular se alinee con las fibras de colágeno que utilizan como andamio o superficie de avance a través de un flujo mediado por los filamentos de actina que resultan en un cambio de la forma celular. En zonas estrechas el tamaño del núcleo puede generar resistencia interna, mientras que las estrecheces causadas por la resistencia externa de la densidad fibrilar intersticial es superada por la contracción de sus filamentos de miosina (Lammermann et al, 2008). En matrices bidimensionales las integrinas desempeñan un papel fundamental en el movimiento migratorio de los leucocitos. Es decir, que dependiendo de de la organización del medio extracelular, los leucocitos utilizan diferentes métodos o estilos de locomoción.
7.- Biotensegridad, o el poder de la MEC.
Los profesionales que trabajan en terapias físicas conocen perfectamente como a través del contacto, del masaje, del movimiento o del estiramiento se producen importantes cambios en la salud. ¿Pero qué ocurre a nivel celular o molecular para que se produzcan estos cambios? Pues la clave parece estar en la MEC y en las especializaciones que las células tienen para convertir los cambios mecánicos en cambios químicos o genéticos, lo que se conoce como mecanotransducción (Alenghat FJ, et al. 2002), proceso bien estudiado en la célula muscular cardiaca, el fibroblasto, el osteocito, el endotelio o las neuronas (Mammoto A, et al. 2009; Lin Y-W et al, 2009). Este mecanismo se basa en movimientos de compresión o de tensión de las células que reciben el impacto a través de los elementos específicos diseñados para ello. El sistema de tensión integrada del que la célula dispone para mantener su morfología y su función recibe el nombre de tensegridad.
Los mecanismos celulares y respuestas biológicas responden de una manera tan importante a la tensegridad que dedicaremos una parte de esta conferencia a explicar este concepto, su relación con la MEC y el citoesqueleto celular y sus implicaciones en el estado de salud y enfermedad. Un arquitecto, Buckminster Fuller, y un escultor, Kenneth Snelson, son famosos por idear las construcciones y esculturas más ligeras y resistentes que se conocen, como la cúpula geodésica, consistentes en estructuras que incluyen un componente de compresión, como varillas, unidas entre ellas sin tocarse a través de un componente de tensión, como cables. La geometría energética que constituyen, basada en el triángulo y en el tetraedro, ha sido encontrada en la naturaleza desde el nivel atómico o molecular, los fullerenos (en honor a Fuller) o el ion de potasio, hasta en virus como el adenovirus, en granos de polen, en complejos enzimáticos proteicos, en el citoesqueleto celular o en microorganismos enteros, como los volvox, un tipo de algas. Estas estructuras se encuentran en todos los niveles, macro y microscópicos, constituyendo el soporte de la esencia de la vida que no es otra cosa que el movimiento. Veámoslo en el hombre.
Los huesos constituyen la estructura fundamental de compresión de tensegridad en el organismo. Pero ellos solo forman parte de un marco mucho más complejo, en donde todo el sistema muscular, cartílago, ligamentos y tendones conforman la estructuras de tensión que los unen. Gracias a una fina estabilización entre las fuerzas que unen este marco a través de puntos críticos como son las articulaciones, el organismo entero se sostiene, y se mueve, y gracias al balance de los músculos en oposición, el sistema musculoesquelético entero está sometido a una fuerza de tensión isométrica constituyendo una red estructural del tipo que los arquitectos conocen como de preestrés. Esto es, una fuerza mecánica balanceada compuesta de elementos de compresión (huesos) y de tensión (músculos) que constituyen una estructura de tensión integrada o tensegridad. Otros órganos, como el corazón o el pulmón, también son órganos “preestresados”, cuyas fuerzas de distensión ahora son la fuerza hemodinámica o la presión del aire.
Pero los organismos vivos no son otra cosa que estructuras holográficas, sistemas dentro de sistemas dentro de sistemas una y otra vez, que repiten sus propiedades a diferentes escalas. Así, cuando bajamos al nivel tisular, cada órgano está compuesto de elementos celulares que están unidos entre ellos a través de un andamiaje que no es otra cosa que la matriz extracelular (MEC). Las células han desarrollado un mecanismo especial que les permite anclarse a las fibras de colágena, glicoproteínas y proteoglicanos que constituyen dicha matriz. Esas especializaciones son las integrinas, auténticos puentes moleculares de unión entre la MEC y el citoesqueleto (ver más adelante).
La red molecular del citoesqueleto está constituida por microfilamentos (de actina), microtúbulos (de tubulina) y filamentos intermedios, específicos de cada tipo celular. En el interior de la célula, los microtúbulos constituyen las estructuras de compresión, mientras que los filamentos de actina, estrechamente asociados a los de miosina, constituyen las estructuras de tensión (Ingber DE, 2008). De manera que la tensión mecánica generada por el movimiento músculo-esquelético se transmite por presión a los órganos internos, que recogen el estímulo en la MEC, que confiere a través de las integrinas el movimiento al interior de la célula, que distribuye la fuerza tensional a través de su sistema de tensegridad, el citoesqueleto. Este traduce en señales químicas y en estímulos mecánicos dichas fuerzas, que son conducidas hasta el núcleo, que igualmente dispone de su propio sistema de tensegridad, poniendo en marcha ahora la respuesta al estímulo recibido en forma de activación de genes y secreción de proteínas. Ya sea por activa o por pasiva, el circuito descrito pone en marcha, a través de estímulos mecánicos o mecanotransducción, la proliferación, el metabolismo celular, la diferenciación o la apoptosis.
Simplemente modificando la forma de la célula es posible activar diferentes programas genéticos celulares (Ingber DE, 1998). Ello no solo ocurre en células musculares, sino que ha sido probado en células epiteliales, nerviosas, inmunes, óseas y fibroblastos, dándole ahora una explicación científica al poder curativo de un masaje o la práctica de qigong (Manzaneque JM,et al, 2004) o a la modificación genética celular a través de la relajación -abriendo el estudio de paso a como la mente puede afectar los genes- (Dusek JA et al, 2008). Cuando la forma de una célula se aplana, detecta que hacen falta más células y se pone en marcha el proceso de división, si por el contrario la morfología se redondea, entonces ocurre lo contrario y se dispara el programa de apoptosis. En caso de equilibrio, ni aplanamiento ni redondez de la forma, la célula encuentra las condiciones ideales de diferenciación y funcionamiento en aquel microambiente u órgano que le haya tocado. Todas las células del organismo están sujetas a este mecanismo de tensegridad basado en la estructura interna de la matriz nuclear y el citoesqueleto o matriz citoplásmica que gracias a los filamentos intermedios alcanzan la matriz nuclear (Pienta KJ, et al. 1989) y gracias a los miofilamentos de actomiosina se enlazan con las fibras de la MEC a las que dan la mano a través de las integrinas. Cada célula siente su entorno y responde a él según sus propias necesidades (Discher DE,et al. 2005).
Las propiedades de conducción eléctrica de las células miocárdicas o las redes neurales pueden ser moduladas a través de las interacciones entre la MEC y los mecanismos de tensegridad celular. Dicha tensión isométrica es clave para la vida y explica desde la forma de las células, los órganos y los tejidos hasta porqué el cirujano tiene que suturar una incisión sobre la piel o porqué un órgano hueco se colapsa al abrirlo. Y ello ocurre a nivel macroscópico, en el organismo entero o en una estructura tisular, pero también a nivel de células y organelas, y también a nivel molecular, incluyendo la propia estructura del ADN (Getzenberg RH, 1991). Cobran sentido así no solo la aproximación al código genético en la funcionalidad celular, sino también el código epigenético y un tercer código tensegridal. Es posible intuir así que la vida no está basada en una serie de procesos químicos desestructurados, y que la biología, la fisiología y la patología tienen que considerar que la fuerza mecánica aplicada sobre un órgano vivo atraviesa diferentes escalas de tamaño hasta convertirse en un estímulo bioquímico celular a través de un proceso específico de transducción molecular (Ingber DE, 2006).
En todo el camino, el elemento central de nexo y comunicación será la MEC, cuya rigidez variable in vitro es capaz de producir una diferenciación fenotípica absolutamente dispar en las mismas células madre mesenquimales. Así, una MEC blandita, parecida al cerebro, con una presión de 1kPa (kilopascal) producirá diferenciación neurogénica; una MEC más firme de 10 kPa, parecida al músculo, inducirá diferenciación muscular, mientras que una matriz rígida, como el cartílago o el hueso, de 100 kPa, inducirá diferenciación osteogénica. Todo ello a partir de las mismas células madre mesenquimales (Engler AJ, et al. 2006). Visto así, desde el punto de vista evolutivo, si bien es cierto que los cambios en el ADN generan la biodiversidad, los genes aparecen como un producto de la evolución y no como la fuerza original que la conduce.
[Nota: El lector interesado en el apasionante campo de la biotensegridad encontrará amplia información en el elaborado y sistemático trabajo a lo largo de los últimos 25 años de Donald Ingber, de la Facultad de Medicina de Harvard. En particular, una revisión del modelo mecánico de estructura celular basado en la tensegridad puede encontrarse en Ingber DE, 2003 (I), mientras que una revisión de la mecanotransducción, la integración de señales físicas y mecánicas y su acción sobre el comportamiento celular y activación de señales proteícas y génicas, en Ingber DE, 2003 (II).}
8.- Mecanotransducción: la vida en/es movimiento.
En cuanto al proceso de mecanotransducción que convierte el estímulo mecánico en señal química y que permite la adaptación celular a su microambiente, cabe decir que sus alteraciones se han mostrado clave en un amplio espectro de enfermedades, que van desde la sordera, la arteriosclerosis o las cardiomiopatías, hasta la osteoporosis, el glaucoma o el riñón poliquístico, pasando por el cáncer y enfermedades del sistema inmune (Jaalouk DE, et al, 2009). Como su mecanismo incluye pasos que van desde la MEC hasta la membrana citoplásmica, el citoesqueleto y la propia membrana nuclear, la cantidad de proteínas y moléculas que pueden verse implicadas es enorme. Por eso se han clasificado en tres grandes grupos que incluyen aquellas alteraciones que corresponden al microambiente extracelular, las que afectan la estructura y organización celular y finalmente las de señalización celular, pero en cualquier caso, todas ellas acaban afectando a nivel genético y epigenético la cromatina nuclear (Wang N, et al. 2009) de manera diferente y específica en cada enfermedad.
Cabe añadir que la velocidad a la que se transmiten los estímulos mecánicos es mucho más alta que la de las señales químicas, dando ventaja a la caricia o el masaje ante el medicamento. Constituye, asimismo, un mecanismo físico de integración de la parte con el todo, ya que cada vez que movemos un músculo o recibimos un masaje, la piel se arruga, un hueso recibe la compresión, y un tejido vivo recibe el estímulo y responde con su función. Si el estímulo es excesivo o se mantiene en el tiempo, el efecto mecanoquímico remodela el sistema de tensegridad que informará del cambio mecánico y lo transformará en nuevas condiciones moleculares. La importancia de los genes se supedita así al movimiento, la danza, el masaje o las terapias físicas, que afectan realmente los programas de crecimiento celular, diferenciación, respuesta inmune y tantos otros, críticos para la salud. Y aprendemos así que ni los genes, ni las moléculas, ni sus interacciones pueden considerarse de forma independiente e individual. Todo el comportamiento y función biológicas cobran sentido a partir de ensamblajes supramoleculares, a partir de relaciones complejas de orden superior y patrones fractales presentes por doquier en la biología. Estos procesos se explican de forma matemática por las leyes del caos, a través de la formación de atractores, bifurcaciones y nuevos niveles emergentes que suponen siempre la implicación de todo el organismo de forma global, desde lo macro hasta lo micro, en una jerarquía de superorganización biológica.
En conclusión, hoy no podemos ignorar la capacidad de la célula viva para sentir, procesar y responder a los estímulos mecánicos. La aplicación de fuerza a las células pone en marcha sus mecanismos de transducción de energía mecánica a química a través de especializaciones mecanosensibles que disparan cascadas de señalización celular. Sus efectos suponen no solo la alteración de la estructura celular, su movimiento mecánico, su capacidad de fagocitosis o de diapédesis, sino también la activación de la expresión génica que pondrá en marcha el programa adecuado de proliferación, muerte celular o diferenciación (Lele TP, et al, 2007).
9.- CAMs: moléculas de adhesión celular
Las distintas moléculas que forman la matriz extracelular están unidas entre sí para formar un entramado cohesionado y de igual modo, las células están adheridas a las moléculas de la matriz extracelular. La mayoría de estas uniones son entre proteínas, pero también entre proteínas y azúcares (glucoproteínas). Dentro de este grupo de proteínas destacan las llamadas CAM (Cell Adhesión Molecules) o proteínas de adhesión celular. Con este término se designa a un grupo diverso de proteínas de membrana involucradas en procesos biológicos, de vital importancia que implican el contacto célula-célula o célula-matriz, como la proliferación, la migración, la diferenciación y la muerte celular. Las CAMs participan en estos procesos reconociendo receptores específicos que suelen ser otras moléculas CAMs situadas en otras células o en la matriz celular y originando una serie de señales que se transducen al interior de la célula regulando la transcripción celular después de la interacción con sus ligandos (Hynes et al 1999). Las CAMs se clasifican en familias entre las que se encuentran integrinas, selectinas, cadherinas, inmunoglobulinas y proteínas de la matriz extracelular. Estas CAMs pueden mediar la adhesión celular de distintas formas, ya sea que las moléculas de una célula se unan a otras moléculas del mismo tipo (interacción homofílica) o bien de tipo diferente (interacción heterofílica).
En vertebrados se piensa que más del 3% de los genes codifican moléculas de adhesión. Cambios en estas moléculas tienen importantes consecuencias en el comportamiento de las células. En los últimos años, gran cantidad de investigaciones otorgan a las CAMs un papel relevante en patología, como el establecimiento de metástasis, la angiogénesis de tumores o las enfermedades autoinmunes. Estos nuevos datos están generando numerosos proyectos para la investigación de nuevas terapias que tienen a las CAMs como dianas terapéuticas y que en muchos casos tratan de conseguir anticuerpos frente a CAM para modular su acción.
Las distintas conexiones entre moléculas de la matriz extracelular y las células se producen a través de complejas interacciones con las CAMs, que se clasifican en:
a) Proteínas presentes en la matriz extracelular
Fibronectinas: Son glucoproteínas formadas por dos cadenas de polipéptidos unidos por uniones disulfuro. Posee dominios en su estructura que permiten unirse al colágeno, a ciertos proteoglucanos, a algunos glucosaminoglucanos, a la fibrina, a la heparina y a proteínas de la superficie celular como las integrinas. Por tanto establece uniones entre moléculas de la matriz extracelular y de las células con la matriz extracelular. Las moléculas de fibronectina pueden aparecer formando fibras insolubles en los tejidos conectivos o solubles en el plasma de los fluidos corporales, como la sangre. Tienen un papel muy importante durante el desarrollo embrionario creando sendas por las que pueden migrar las células de un lugar a otro del embrión (Pankov et al 2002).
Tenascinas: Son una familia de proteínas de gran tamaño que aparecen en tejidos embrionarios y en tumores. Son capaces de unirse a las integrinas, a los proteoglucanos y a los receptores de inmunoglobulinas.
Otra glucoproteínas de adhesión de la matriz extracelular son el fibrinógeno, que une receptores de superficie de las plaquetas y permite la coagulación sanguínea, la laminina en la formación de las láminas basales, o la osteopondina presente en el hueso o el riñón entre otras.
10.- Integrinas: el lazo entre el colágeno y el citoesqueleto
Las integrinas son las moléculas más importantes que anclan la célula a la matriz extracelular, aunque algunos proteoglucanos también pueden realizar esta función. Constituyen una gran familia transmembrana de proteínas cuyos miembros son expresados según los tipos y necesidades fisiológicas de tejidos y células, con un dominio intracelular que contacta con el citoesqueleto y otro extracelular globular que es capaz de unir colágeno, integrinas y lamininas, constituyendo un enlace capaz de modificar el comportamiento celular (Akiyama 1996). También la célula puede modificar su capacidad de adhesión, y por tanto su movilidad, cambiando el juego de proteínas receptoras en su superficie.
Existen tres importantes subfamilias de integrinas (Luo et al 2007). Las proteínas de la subfamilia beta-1 se caracterizan por presentar la cadena beta-1 de tipo CD29. Su cadena alfa puede ser de varios tipos. En este grupo se incluyen las proteínas VLA (Very Late Activation) con 6 tipos diferentes de cadena alfa (CD49a-f) que generan las proteínas VLA1, VLA2, VLA3, VLA4, VLA5 y VLA6. Las proteínas VLA se expresan en la mayor parte de las células del organismo, excepto en los granulocitos. En basófilos y neutrófilos no existen este tipo de integrinas y sólo en eosinófilos se expresa la integrina VLA4 (alfa-4/beta-1). Los linfocitos expresan diversas integrinas beta-1 especialmente si están activados ya que se ha comprobado un incremento significativo días después de la activación. Las integrinas de la subfamilia beta-2, conocida también como CD18, se denominan integrinas linfoides y se asocian a tres isoformas de cadena alfa que recibe el nombre de CD11 formando las integrinas LFA-1 (Lymphocyte Function-associated Antigen-1) o CD11a/CD18 , MAC-1 (CR3 o CD11b/CD18) y p150,95 o CD11c/CD18. Estas integrinas se localizan en los leucocitos y participan en la adhesión a las células endoteliales activadas, necesaria para la extravasación de los linfocitos a través del endotelio hacia el foco inflamatorio y en la quimiotaxis de los leucocitos hacia los sitios de inflamación. Los miembros de la subfamilia beta-7 se expresan principalmente en linfocitos localizados en placas de Peyer, lámina propia y epitelio intestinal.
Los factores que producen la activación celular de linfocitos, como antígenos o citocinas, inducen indirectamente el cambio en la conformación de las integrinas aumentando su afinidad por el ligando. Los cambios en la distribución de integrinas en la membrana celular parecen estar causados por modificaciones del citoesqueleto que ocurren como consecuencia de las señales intracelulares generadas durante la activación celular. Las integrinas median una gran variedad de interacciones célula-célula y célula-matriz extracelular. Se unen a proteínas de la matriz extracelular como la fibronectina y laminina, a otras moléculas de adhesión como las ICAM-1 de la superfamilia de las inmunoglobulinas o a moléculas solubles como fibrinógeno y Factor de von Willebrand relacionadas con la coagulación. Las plaquetas activadas usan la proteína VLA-2 para su adhesión al colágeno, y la VLA-6 para interaccionar con la laminina. Las células endoteliales también se pueden unir al colágeno y a la laminina mediante VLA-2. La VLA-4, ligando para las moléculas de adhesión vascular de tipo I (VCAM-I: Vascular Cell Adhesion Molecules-I), se expresa de forma diferencial de modo que está presente en monocitos, linfocitos T y B y eosinófilos, pero no en neutrófilos y basófilos. Este patrón de expresión puede que sea un mecanismo de reclutamiento selectivo de leucocitos ante diferentes condiciones. Hay cuatro tipos de moléculas de unión célula-célula: cadherinas, inmunoglobulinas, selectinas y algunos tipos de integrinas. Las cadherinas se encuentran en la superficie de la mayoría de las células animales y forman uniones homotípicas, es decir, reconocen a otras cadherinas en la célula adyacente. Son una gran superfamilia de proteínas cuyos miembros suelen aparecer característicamente en ciertos tejidos, siendo especialmente importantes durante el desarrollo embrionario o formando parte estructural de los desmosomas (zonula adherens). Las moléculas de adhesión del tipo inmunoglobulina, forman uniones homofílicas con inmunoglobulinas presentes en la célula adyacente. Las selectinas son también proteínas de adhesión entre células, pero forman uniones heterofílicas, es decir, se unen a glúcidos presentes en la célula vecina y son importantes en la unión de los leucocitos a las paredes del endotelio cuando abandonan el torrente sanguíneo para adentrarse en los tejidos. Finalmente las integrinas, además de mediar la adhesión célula-matriz extracelular, también pueden mediar adhesiones célula-célula. En concreto, algunas integrinas pueden formar uniones con algunas moléculas transmembrana del tipo de las inmunoglobulinas.
Los defectos en la síntesis de integrinas pueden originar graves trastornos como la deficiencia de adhesión leucocitaria tipo I, enfermedad autosómica recesiva que provoca un defecto en las integrinas de tipo beta-2. Actualmente se han aprobado dos fármacos que actúan sobre las interacciones de las integrinas, anticuerpos monoclonales humanizados que actúan reconociendo e interaccionando con dos integrinas. El efalizumab que interacciona con la integrina LFA-1 y se aplica en el tratamiento de las placas cronificadas de enfermos con psoriasis, y el natalizumab que interacciona con VLA-4 y se emplea en el tratamiento de la esclerosis múltiple.
El esquema de componentes y moléculas implicadas en el proceso de mecanotransducción incluye canales iónicos mecanosensibles, cadherinas, caveolas, integrinas, adhesiones focales, cilios, filamentos del citoesqueleto, estructuras nucleares y proteínas de la MEC. Entre todos ellos, uno de los principales mecanismos a través del cual la MEC influye sobre el comportamiento celular es a través de las integrinas. Estas constituyen mecanoreceptores especializados, capaces de traducir una señal mecánica y transmitirla desde la superficie celular a través de una vía molecular específica para convertirla en cambios bioquímicos intracelulares, el estímulo de multitud de otros receptores, incluyendo neuronales (Berg KA, et al. 2007) o la inducción de la expresión génica.
Las integrinas, junto al citoesqueleto, juegan un papel central en el proceso de mecanotransducción, el mecanismo por el que las señales mecánicas se convierten en químicas para controlar como las células individuales deciden si crecer, diferenciarse, moverse o morir, y por tanto constituyendo los patrones histológicos de los tejidos en diferentes procesos fisiológicos o patológicos (Ingber DE. 2004)
Las moléculas de la MEC transmiten sus señales hasta las células de su entorno a través de las integrinas. A ese nivel existen grandes complejos macromoleculares que constituyen puntos de adhesión entre la matriz intersticial y la célula que se conocen como adhesiones focales (AF), auténticas organelas mecanosensitivas con capacidad de crecer en tamaño ante estímulos continuados o de decrecer ante la falta de estímulos, constituyendo así mecanismos de adaptación funcional celular.
Si bien es cierto que las integrinas básicamente promueven la supervivencia celular a través de las AF, también es cierto que el proceso fisiológico de anoikis y el correcto recambio de los tejidos epiteliales, dependen de estas señales. Esto es, las células solo crecen y se diferencian en un contexto tisular apropiado, y esta información se obtiene a través de la interacción específica entre la célula y la MEC. La apoptosis en respuesta a una inadecuada relación célula/MEC es lo que conocemos como anoikis (Gilmore AP, 2005).
La mayoría de los tumores malignos presentan un aumento de consistencia que se debe a la rigidez de su MEC (ver más adelante). La alteración mecánica de la matriz activa las integrinas, que además de promover la proliferación celular a través de la vía Erk, afecta la contractilidad celular a través de Rho (Huang S, et al. 2005), lo que conforma una pescadilla que se muerde la cola, en que a más rigidez mayor estímulo de las integrinas que al activarse acaban produciendo mayor rigidez, lo que se concreta a la postre en el fenotipo maligno de tumores epiteliales, como ocurre en la mama.
11.- Técnicas de estudio de la MEC.
Las técnicas habituales para el estudio morfológico específico o selectivo de la MEC, como la inmunohistoquímica, la inmunofluorescencia o la microscopía electrónica, además de las técnicas convencionales cotidianas con las que es posible estudiar la MEC, requieren la fijación, el procesamiento y el corte del tejido, lo cual limita la capacidad de estudio de estas estructuras y hace imposible su observación dinámica in vivo. Sin embargo nuevas técnicas como la microscopía confocal in vivo o la microscopía multifotónica (MMF) permiten un estudio dinámico de estas estructuras. Esta última consiste en la excitación de un fluorocromo por dos o más fotones de baja energía casi simultáneos (Friedl et al, 2007); la energía de ambos fotones se suma y juntos son capaces de estimular del mismo modo que lo haría un solo fotón con el doble de energía, obteniéndose así una alta capacidad de penetración de los fotones, que permite estudiar muestras dinámicas vivas como la MEC y sus funciones e incluso embriones enteros vivos que después se pueden reimplantar. Pero en particular la MMF tiene la capacidad de aprovechar las propiedades de las fibras de colágena generando una señal armónica llamada segundo armónico o doblaje de frecuencia que permite observar la organización de las fibras de colágeno sin necesidad de procesar el tejido (Schenke-Layland K. 2008). En tejidos malignos este segundo armónico permite identificar patrones alterados de colágena antes incluso de poder palpar el tumor, detectando el cambio del patrón normal de alineación perpendicular a un patrón radial propio del tumor (Provenzano et al, 2006), lo que, por ejemplo, permite la detección temprana y el estadiaje de tumores en la mama. También las fibras elásticas pueden ser estudiadas por este método (Konig K, et al. 2005).
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II. La MEC, reservorio eléctrico, electrónico y protónico 12.- Hacia un paradigma electromagnético de la Biología y la Medicina
Dicen los libros de historia de la Medicina que ya tres mil años antes de Cristo se trataba a pacientes con choques eléctricos producidos por anguilas. Y que cuatrocientos años antes de Cristo Thales se entretenía jugando con electricidad estática frotando ambar. Los médicos egipcios, chinos y griegos disponían de la fuerza magnética de la magnetita entre su arsenal terapéutico. La electricidad médica de la era moderna nació a finales del siglo XVIII, y en el XIX Duchenne con sus trabajos dio origen al campo moderno de la electromiografía. En la actualidad las llamadas terapias energéticas cuentan con una sofisticada tecnología y multitud de aplicaciones médicas bien reconocidas y experimentadas.
La electrobiología es el estudio de los sistemas eléctricos de los seres vivos, que estudia los registros que es fácil obtener del funcionamiento de órganos como el cerebro, el corazón o los músculos. Los tejidos y los órganos generan campos eléctricos y magnéticos, que obviamente no constituyen un subproducto de la actividad celular, sino que poseen una importante función biológica, hasta el punto de que todo proceso fisiológico del organismo posee una contrapartida electromagnética característica. Esta función es alterada con los procesos patológicos de la inflamación, la degeneración o la aparición de un nuevo tejido en el seno de un órgano. Y lo que todavía es más importante, la actividad electromagnética de un órgano no queda restringida dentro de la cápsula del órgano, sino que se extiende hasta afectar el campo de los órganos vecinos, interrelacionando y comunicando estructuras adyacentes y a veces lejanas, como hace el corazón enviando su onda electromagnética a través del torrente circulatorio a todo el organismo.
13.- Flujo energético en la matriz extracelular
Pero entonces, si es que hay unas corrientes eléctricas que nacen y corren por el organismo, ¿cuáles son sus circuitos sobre el tejido?, ¿dónde están cuando miramos por el microscopio?, ¿existen evidencias de la interconectividad entre las diferentes partes del organismo a través de estos circuitos? Trataremos, aunque sea brevemente, estos asuntos.
Sabemos que la electricidad biológica es un fenómeno iónico ligado a la polaridad de la membrana celular. Esto ocurre en la transmisión nerviosa, en la contractilidad muscular y en cualquier célula viva del organismo, y estos potenciales son fácilmente medibles a través del electrocardiograma o del electroencefalograma. Por otra parte, además de los eléctricos, existen flujos mucho menores que los iones producidos por electrones y protones, flujos electrónicos y protónicos. Tenemos así un sistema de interacción energético que junto al químico constituye el lenguaje del cuerpo y del que depende su integridad. Cabe añadir que las interacciones químicas de las moléculas de la información, neurotransmisores, hormonas y citocinas, con frecuencia no producen su efecto a través de contacto físico, sino activando propiedades energéticas de sus correspondientes receptores.
Un vistazo al sustrato material del cuerpo desde el punto de vista energético supone eliminar la vieja concepción de la célula como un globo o una bolsa llena de organelas y separada del exterior a través de la membrana celular. Lejos de eso la célula presenta una estructura interna constituida por microfilamentos, microtúbulos y filamentos intermedios, que constituyen su citoesqueleto, un auténtico microcableado que sirve para conectar los genes y la matriz nuclear a la MEC y sus fibras de colágena a través de las integrinas y las adhesiones focales, tal y como ya hemos visto. El alcance de esta fina instalación eléctrica incorpora a la fisiología la posibilidad de transmitir la caricia de un dedo en la piel hasta las mismas entrañas nucleares, la cromatina y los genes. Y la evidencia de su estructura aporta a la histología la chispa de la función, que permite ver ahora en el tejido los circuitos energéticos que soportan la vida y sus relaciones, integradas a través de los mecanismos de tensegridad y mecanotransducción.
Matriz nuclear, matriz citoplásmica y matriz extracelular están interconectadas formando una red que pone en comunicación todas las moléculas del cuerpo. Las vías de energía y los circuitos de información encuentran sus grandes autopistas precisamente en la MEC, cuya composición y estructura no solamente sirven de elemento de soporte, sino que constituyen precisos circuitos de transmisión mecánica, vibratoria, energética, electrónica y química, conformando la pieza clave que mantiene conectados a los órganos permitiendo su correcto funcionamiento.
Células y tejidos están constituidos por formaciones cristalinas, cristales vivientes con la propiedad de generar campos eléctricos cuando se comprimen o se alargan, lo que se conoce como piezoelectricidad. De nuevo esto es verdad para estructuras macro como los huesos y micro como el citoesqueleto, ambas estructuras cristalinas. Los huesos de las piernas y del resto del cuerpo se comprimen un poco a cada paso que se da, generando campos eléctricos característicos. Cuando un tendón o un ligamento se estira produce un campo eléctrico y cuando la piel se estira o se dobla al mover una articulación se producen pequeñas pulsaciones eléctricas. Dichas pulsaciones actúan sobre los tejidos, los cuales recorren a través de la MEC.
La MEC ofrece su función de autopista de comunicación gracias a su hidrofilia, que depende de las intensas cargas negativas de sus componentes. Dichas cargas aportan movimiento, contracción y giro a la matriz, que le dan funcionalidad y vida. La alteración de las cargas eléctricas de la matriz conllevará un potente impacto sobre su función, modificando sus propiedades hidrófilas y por tanto la difusión de sustancias y la transmisión de estímulos a su través.
La remodelación ósea y del tejido conectivo es continua, en respuesta a los movimientos y cargas a que están sometidos, y son los campos eléctricos producidos a través del movimiento los que suministran la información que dirige la actividad celular y el patrón de remodelación tisular (Bassett CA, 1993). Osteoblastos, mioblastos, células perivasculares y fibroblastos se encargan de reabsorber y producir el colágeno que sirve para reformar, adaptar y regular cada órgano a su función actual. El sistema circulatorio, el sistema nervioso, el musculoesquelético o el tubo digestivo, todos ellos están conectados a través de una compleja red de tejido conectivo con funciones nutritivas, de desecho, sensitivas y de comunicación, la MEC. Dicho tejido ofrece una continuidad a todos los órganos de la economía, determina la forma general de todo el organismo, recibe el impacto del movimiento y transmite sus correspondientes señales bioeléctricas.
La aparición de enfermedades de cualquier tipo, infecciones de tipo viral, bacteriano o micótico, tumores, etc., producen cambios en el contenido de iones, agua y ph de los fluidos extracelulares, afectando consecuentemente las membranas celulares y sus micropotenciales eléctricos. La conductancia tisular alterada del tejido inflamado o tumoral brinda la oportunidad de usar esta información con fines diagnósticos, como en el cáncer de mama (Kim BS, et al, 2007) o en el de colon (Goller DA, 1986), mediciones que es posible realizar desde la superficie cutánea.
La MEC sirve de reservorio de carga de electrones que son empleados en la neutralización de radicales libres que liberan los procesos oxidativos, como en el caso de la inflamación. Desde este punto de vista, la unidad fundamental de la MEC es el matrisoma (Oschman JL, 2009) cuya función consiste en mantener la homeostasis eléctrica, iónica y osmótica tanto a nivel local como sistémico. La MEC posee la capacidad de donar o absorber electrones, según las necesidades, de una manera tan rápida que las reacciones bioquímicas no pueden alcanzar.
Los fibroblastos están inmersos en una red constituida por proteoglicanos unidos a una especie de raspa de ácido hialurónico a través de su núcleo proteico. El matrisoma, la unidad de proteoglicanos que se repite, aloja entre sus cadenas de condroitín sulfato numerosos electrones que conforman la carga eléctrica negativa del campo de la MEC. Los componentes de la MEC son semiconductores con capacidad de transferir los electrones que alojan por gradiente hasta el lugar donde se necesiten. Y no solo la electricidad de los electrones, sino la proticidad de los protones, campo de estudio de la química cuántica, y otra de las funciones de la MEC (Oschman JL, 2009). La morfología de esta dinámica sutil e invisible queda reflejada al mirar por el microscopio en el estallido oxidativo que supone la acción de polinucleares neutrófilos, histiocitos y otras células del sistema inmune en el foco inflamatorio. Allí se produce la liberación de su carga de oxígeno reactivo y de nitrógeno, carga mortífera para microorganismos patógenos y fuerza de descomposición de células y tejidos lesionados. En definitiva, la MEC constituye el reservorio de cargas negativas disponible para mantener la homeostasis eléctrica y protónica de los tejidos, según los gradientes en la densidad de carga de los electrones varíen al ser depleccionados en su tarea de neutralizar radicales libres.
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III. La MEC y el microambiente tumoral 14.- La MEC, nodriza del microambiente tumoral.
La misma comunicación recíproca entre células del estroma y el epitelio que se encarga de dirigir la expresión génica y mantener la función normal de los órganos actúa en el cáncer (Bissell MJ, et al. 1987). Ya son varias décadas en las que la mayoría de estudios sobre el cáncer están centrados sobre las consecuencias de las mutaciones de diferentes genes críticos implicados en la proliferación, apoptosis y diferenciación celular tumoral, oncogenes y genes supresores de tumor. En la actualidad este determinismo genético está ya en revisión ante la evidencia de que los tumores son entidades celulares heterogéneas cuyo crecimiento depende de la interacción entre dichas células genéticamente alteradas y el microambiente tumoral en el que se desarrollan (Ingber DE. 2008). Dicho microambiente está constituido por la MEC, las células del estroma y la propia respuesta inmune, determinantes no solo de la morfología y clasificación del tumor, sino también de su agresividad clínica, su pronóstico y su respuesta al tratamiento (Álvaro et al, 2009; Lejeune M,et al, 2009). Podría considerarse, pues, a un tumor como un tejido funcional conectado y dependiente del microambiente que le envía señales y recoge las emitidas por el propio parénquima tumoral. No es posible seguir considerando un tejido canceroso básicamente como un desorden de la proliferación celular, ya que lo que verdaderamente confiere el fenotipo tumoral maligno es la destrucción de la integridad de la arquitectura tisular, la invasión de los límites histológicos y anatómicos y la metástasis a distancia. Esto es lo mismo que decir que el cáncer es realmente una enfermedad del desarrollo, cuyo crecimiento anómalo puede ser normalizado a través del mesénquima, otros tejidos embrionarios o la propia MEC (Kenny PA, et al. 2003). Y viceversa: los cambios en la MEC y la arquitectura normal del tejido son tan oncogénicos como la radiación o los virus (Ingber DE. 2008).
Se conocen más de 25 metaloproteinasas de la matriz extracelular (MMP) (Egeblad M et al, 2002), con un importante papel fisiopatogénico en diferentes situaciones clínicas que van desde enfermedades autoinmunes hasta el cáncer (Sternlicht MD, et al, 2001). Asimismo desarrollan un importante papel como mediadores en la angiogénesis tumoral y como moduladores de la respuesta inmune, tanto en situaciones inflamatorias como tumorales (McQuibban GA, et al. 2002). Del balance entre MMP y sus inhibidores (MMPI), estos últimos encargados de reducir la excesiva actividad proteolítica en la matriz extracelular de los primeros, dependen los diversos procesos fisiológicos y patológicos mencionados, incluyendo carcinogénesis, angiogénesis e implantación embrionaria (Huang SC, Sheu BC, et al. 2009)
15.- Células del estroma tumoral
El microambiente estromal que contribuye a la homeostasis tisular incluye una fracción celular compuesta por fibroblastos, miofibroblastos, la célula glial, células de tejido adiposo, vascular, músculo liso y células inmunes, todas ellas dispuestas sobre una compleja red de soporte formada por las proteínas colágenas, lamininas, fibronectina y proteoglicanos de la MEC (Li H, et al, 2007). La alteración de la composición de la MEC desencadena la aparición de diversas enfermedades, incluyendo el cáncer, donde puede desencadenar un papel primordial. La capacidad oncogénica del estroma procede del efecto tanto de los fibroblastos asociados al tumor, como de las células linfoides que constituyen la respuesta inmune, y del estímulo mecánico de tensegridad de la MEC, incluyendo las alteraciones de la membrana basal y la composición de la matriz intersticial, junto con los elementos químicos, citocinas, etc., para los que sirve de reservorio.
Ya a finales del siglo XIX, Paget propuso que el crecimiento tumoral dependía de la interacción de las células tumorales con las células del estroma. Los estudios actuales muestran que las células del estroma tumoral derivan de progenitores de la médula ósea, que son movilizados a través de la circulación hasta incorporarse al microambiente tumoral (Roorda BD, et al, 2009), donde se desarrollarán a través de diferentes líneas celulares en endotelios, fibroblastos, histiocito-macrófagos y constituirán el estroma tumoral. Dicho microambiente tumoral está implicado en la regulación del crecimiento celular tumoral, configura el potencial metastásico del tumor y es determinante en la respuesta al tratamiento (Li H, et al. 2007). Una de estas células en particular, los macrófagos, suponen un invitado obligado al proceso de migración, invasión y metástasis tumoral (Condeelis J, et al. 2006).
Son las células madre mesenquimales residentes en el estroma tumoral las que empujan a las células epiteliales del cáncer de mama a metastatizar (Karnoub AE, et al. 2007). Y las células madre derivadas de la médula ósea son las precursoras de las metástasis en órganos a distancia, siendo ellas las que se encargan de activar un microambiente adecuado, de preparar un nicho óptimo para acoger a las células del tumor (Hu M, et al. 2008; Kaplan RN, et al. 2005)
Pero, ¿cómo las células del estroma y sus productos poseen la capacidad de transformación oncogénica de las células del órgano donde asientan (Pupa SM, et al. 2002)?. Esto lo consiguen a través de la alteración de la regulación homeostática del tejido, que en condiciones normales se encarga de mantener la arquitectura, la adhesión, las indicaciones de muerte celular programada y la proliferación celular. Si las células del órgano que sea dejan de recibir esa información procedente de la MEC que en condiciones normales es garantía de buen funcionamiento, se alterarán la función, luego la estructura y finalmente se producirá el cambio oncogénico. Pero además, incluso la propia progresión tumoral supone una interacción continuada entre las células del parénquima y del estroma, del que se derivarán las características histológicas y el comportamiento clínico del tumor. La remodelación del microambiente tumoral supone la liberación de factores de crecimiento asociados a la MEC con capacidad de estimular tanto a las células endoteliales como a la línea celular del tumor que se trate. Finalmente el microambiente celular determinará tanto la respuesta al tratamiento citotóxico como el pronóstico del tumor.
En particular, los fibroblastos, productores de proteoglucanos y glucosaminocluganos en minutos que durarán varios meses, son los principales tejedores de la MEC. Su función se ve seriamente alterada cuando son portadores de mutaciones congénitas, como ocurre en la poliposis juvenil, o de mutaciones adquiridas, desempeñando un papel fundamental en la carcinogénesis tumoral (Aviv I, et al. 2009). Poseen la capacidad de cambiar su fenotipo y su función tanto en un contexto fisiológico como patológico, incluyendo el tumoral. En el contexto tumoral podemos encontrar los fibroblastos como miofibroblastos, fibroblastos peritumorales, células estromales reactivas y fibroblastos asociados a carcinoma (CAF), que característicamente muestran un elevado índice proliferativo, alfa-actina y están rodeados de abundantes fibras colágenas, constituyendo el cuadro morfológico de la desmoplasia. Los fibroblastos constituyen una fuerza de primer orden a la hora de potenciar el desarrollo tumoral (Olumi AF, et al. 1999), pudiendo constituir tanto un estímulo positivo como negativo, y actuando tanto sobre las células tumorales como sobre el resto del microambiente tumoral (Tlsty TD, et al, 2006).
16.- Respuesta inmune sobre el lecho tumoral
El papel de la respuesta inmune en la progresión tumoral abarca una gran cantidad de frentes, que incluyen: a) la colaboración de las células dendríticas que se encargan de presentar los antígenos procedentes de los primeros estadios del desarrollo tumoral; b) la presencia constante de inflamación crónica, presente en mayor o menor grado en todos los tumores y factor crítico que propicia el desarrollo tumoral; c) la modulación de la expresión génica de las células tumorales a modo de respuesta epigenética al estímulo de las células inmunes; d) la producción de mediadores proangiogénicos claves para el desarrollo de la vasculatura que permita el desarrollo tumoral; y e) la producción de proteasas celulares que permiten la remodelación tisular en el avance del tumor, invasión y metástasis.
Ya Virchow anunció que el cáncer se origina en sitios de inflamación crónica. La cantidad de datos clínicos y experimentales que relacionan inflamación y cáncer es abrumadora. Tumores en el pulmón, mesotelioma, vejiga, colon, aparato genital masculino y femenino, páncreas, esófago, glándula salival, linfomas, próstata, hígado, vesícula biliar, estómago, ovario (Tlsty TD, et al. 2006) y prácticamente cualquier otra localización del organismo disponen de suficientes evidencias como para acreditar sin lugar a dudas el papel de la inflamación en el desarrollo de tumores. Los agentes etiológicos primarios pueden ser tan variados como virus, bacterias, estímulos mecánicos, agentes tóxicos, fibras de asbesto o gusanos, es igual, pero el mínimo denominador común de todos ellos es el estímulo inflamatorio crónico sobre el tejido de asiento. Ello ha conducido a la propuesta por algunos autores de considerar muchos tumores simplemente como parte de la respuesta normal del huésped a la infección y la inflamación.
Inflamación y cáncer comparten numerosos procesos y están estrechamente relacionados. Especialmente polinucleares neutrófilos, células dendríticas, macrófagos , células NK y mastocitos desempeñan un importante papel funcional en tejidos preneoplásicos y ya tumorales (Tlsty TD et al, 2006). Cada estadio del desarrollo tumoral avanza de acuerdo a señales específicas, de tal forma que mientras la activación de la respuesta inmune en estadios avanzados puede ser beneficiosa para el huésped, su activación durante estadios tempranos puede alentar el desarrollo del tumor.
El microambiente tumoral está constituido por una mezcla específica de linfocitos, células NK, macrófagos, células T reguladoras, etc., que expresan un perfil característico para cada tipo tumoral (Álvaro T, 2009), y del que se deriva la eficacia de la respuesta inmune ante el tumor. El lector interesado en refrescar los conceptos básicos de inmunidad antitumoral encontrará un útil resumen en una conferencia del VII CVHA de Anatomía Patológica (Álvaro T et al, 2005). Aunque las células linfoides que infiltran los tumores se suelen considerar como citotóxicas para las células que constituyen el tumor, lo cierto es que con frecuencia dichas células contribuyen al proceso oncogénico, al crecimiento tumoral y a su diseminación, además de montar una respuesta de inmunosupresión asociada al tumor. Algunas células concretas se encargan de activar procesos específicos dentro del tejido tumoral, como es el caso de los mastocitos y la neovascularización tumoral. Asimismo, células dendríticas y macrófagos pueden aportar factores de crecimiento a las células malignas, a veces instigadas por secuencias virales que solo afectan a estas células del estroma y no a las células tumorales propiamente dichas. La misma célula, en microambientes distintos, actúa de manera diferente (Lewis CE,et al. 2006), como corresponde a su facultad de diálogo y respuesta dinámica al estímulo procedente del ambiente estromal.
Los mediadores derivados del proceso inflamatorio con capacidad para favorecer la proliferación celular, la inestabilidad genómica y las metástasis son prácticamente innumerables: la liberación de citocinas y quimocinas, la liberación de mediadores citotóxicos incluyendo especies de oxígeno reactivo, la secreción de proteasas, especialmente metaloproteasas, mediadores solubles de muerte y proliferación celular como TNF y muchos otros, interleucinas e interferones, y un largo etc.
Son tantos y con tantas posibles funciones que el estudio individualizado de cualquiera de esos agentes, en un mar de posibles influencias ha mostrado al momento un alcance limitado. Ello invita a una lectura de un nivel superior, las llamadas hiperestructuras, que tratan de manejar la avalancha de datos procedentes de los diversos campos de la genómica, la proteómica, y toda la fisiología celular (Amar P, et al. 2002). La idea es ser capaz de considerar el conjunto de miles de moléculas, genes, proteínas, iones, lípidos, etc., que confluyen para realizar una única función celular o tisular, por ejemplo, las hiperestructuras responsables de la iniciación de la replicación de DNA. O la idea de atractores, sacada de las matemáticas del caos y aplicadas ahora al cáncer en busca de nuevas respuestas ante la evidencia de que la suerte de una célula no se decide por sus genes de manera lineal (Huang S, et al. 2009).
El mensaje, desde luego, es estimulante, porque supone cambiar la idea de cáncer como proceso celular autónomo por la de cáncer como una enfermedad del desarrollo, que incluye una alteración de la interacción mesénquima-epitelio en el caso del carcinoma (ver más adelante), que es influenciada por señales reguladoras extracelulares que proceden del microambiente tumoral y de las células no neoplásicas del estroma tumoral. Todo ello compone el marco epigenético y la consideración de las células tumorales como atractores que constituyen las bases no genéticas de la progresión tumoral (Huang S, et al. 2006-07).
18.- Desmoplasia.
Es la MEC la que confiere la rigidez del tumor a la palpación a través de la vasculatura anómala en el estroma así como debido a la fibrosis y el aumento de presión intersticial. Este efecto depende directamente de las señales alteradas procedentes de las integrinas que a través del proceso de la desmoplasia promueve asimismo la transformación de las células tumorales en un circuito de retroalimentación positiva. En condiciones de homeostasis, las fibrillas de colágeno están sometidas a un escaso recambio, que se acelera de manera notable bajo condiciones de remodelación tisular, como ocurre en el desarrollo tumoral, tal y como se puede estudiar a través de los niveles séricos de sus productos de degradación, especialmente de colágeno tipo I, el componente principal del estroma neoplásico.
La reacción desmoplástica es de observación común en numerosos tumores sólidos, como la mama, la próstata, el colon o el pulmón. Esta reacción supone un cambio fenotípico particular dependiente de un estroma funcional y estructuralmente alterado, con elevados niveles de TGF-beta y PDGF producidos por las células mesenquimales del estroma tumoral e inductores de los cambios inmunofenotípicos observables con el estudio de alfa-actina, miosina, vimentina, desmina y la producción alterada de varias proteínas de la MEC como la colágena, laminina, tenascina, MMP y sus inhibidores y varios factores de crecimiento (Pupa et al, 2002). Curiosamente, dichos cambios propios del estroma tumoral son también expresados de la misma manera en respuesta a cambios inflamatorios y cicatrización.
Los componentes del microambiente celular tumoral no solo son fundamentales en la regulación de la progresión tumoral (Tlsty TD, 2001) (Tlsty TD, 2006), sino que ya lo son antes de que el tumor aparezca. Esto es así debido a que las células estromales pueden producir la transformación de las células adyacentes a través de la alteración de la regulación homeostática tisular que incluye el control de la arquitectura, la adhesión, la muerte celular y la proliferación (Pupa SM, et al, 2002). La sobreexpresión de las propias moléculas de la MEC que en condiciones fisiológicas promueven la supervivencia celular, pueden también aumentar la proliferación tumoral y conferir resistencia al tratamiento quimioterápico, como ocurre en el carcinoma de célula pequeña de pulmón. Además el propio tumor puede mostrar capacidad de síntesis de alguna de estas moléculas de la MEC. En el carcinoma escamoso de cabeza y cuello, uno de los tumores humanos con mayor capacidad de infiltración, es la MEC la que interviene ya sea acelerando o retardando el desarrollo y la progresión del tumor (Ziober AF, et al, 2006).
17.- Mecánica molecular.
Ya hemos comentado que la transformación maligna se acompaña de una pérdida progresiva de la homeostasis local y la alteración de la arquitectura tisular. Este hecho culmina con la invasión celular tumoral y la producción de metástasis a distancia. A lo largo de todo ese proceso se producen una serie de cambios ligados a la tensegridad celular y tisular que se traducen en un cambio del fenotipo mecánico tanto de la célula tumoral como de su microambiente. Las alteraciones micromecánicas de la MEC así como la remodelación del estroma extracelular por parte de la célula tumoral están ligadas a los fenómenos de displasia, infiltración de la MEC y metástasis (Kumar S, et al. 2009). El conocimiento de los mecanismos moleculares gracias a los cuales una célula percibe, procesa y responde a los estímulos mecánicos abre una perspectiva completamente nueva de abordaje a la biología del cáncer y su tratamiento.
Entre las propiedades celulares críticas para el fenotipo maligno se encuentran la morfología y estructura celular, la motilidad, la capacidad de proliferación y la disminución de la diferenciación. Las alteraciones en la interacción mecánica entre las células y su microambiente contribuyen a la displasia celular, de forma tal que en el epitelio mamario in vitro, conforme aumenta la rigidez de la membrana basal, se altera la expresión de integrinas, aumenta la fuerza de las adhesiones focales, se desorganiza la arquitectura acinar y se produce la invasión de la MEC (Paszek MJ, et al, 2005; Johnson KR, et al. 2007). Y viceversa, ya que como el trabajo de Paszek et al. fue el primero en demostrar, la regulación homeostática de la fuerza tensional celular es capaz de revertir el fenotipo maligno. La emisión de proyecciones similares a filopodios pero con una elevada densidad de actina, conocidos como invadopodios, son las proyecciones que la célula tumoral utiliza para facilitar la digestión e invasión de la MEC, remodelando la matriz existente y estableciendo nuevas vías o caminos como raíles en la MEC que servirán de soporte a la invasión celular tumoral (Yamaguchi H, et al, 2005). En la acción la célula tumoral sufrirá importantes deformaciones citoplásmicas y nucleares, con los correspondientes cambios en la organización del citoesqueleto, al atravesar un estroma que en el caso del cáncer de mama es entre 5 y 20 veces más rígido que la MEC de la glándula normal. A su vez, la expansión tumoral comprime la MEC adyacente, con la consecuente obstrucción al flujo vascular, linfático y del espacio intersticial. La expansión tumoral se asocia por un lado a un incremento del depósito de matriz y densificación de la MEC adyacente al tumor y por otro a secreción masiva de MMP y digestión matricial peritumoral.
Si bien no es este el lugar de profundizar en cada uno de estos pasos, si deseamos dejar constancia de este nuevo enfoque que aúna los campos de conocimiento y experimentación de la biología celular, la biofísica, la bioingeniería y la imagen, entre otros, dando lugar al naciente campo de estudio de lo que podríamos llamar “mecánica molecular”.
19.- Transición epitelio-mesenquimal
A nivel celular individual y como si se tratase de leucocitos en un proceso inflamatorio, las células tumorales adherentes sufren diapédesis, emitiendo pseudopodios que les permiten penetrar por las uniones intercelulares de los endotelios, una vez más con los consecuentes ordenamientos fibrilares citoesqueléticos. La invasión, el marcador por excelencia de malignidad, supone la capacitación celular de infiltrar los tejidos vecinos y penetrar el endotelio vascular, apareciendo elementos celulares independientes de la masa proliferativa principal, al otro lado de la membrana basal, que tanto júbilo produce en los patólogos hallar. Pero, ¿qué es lo que capacita a una de esas células o pequeño grupo de ellas para encontrarse aisladas dentro de la matriz intersticial estromal? Pues parece ser que ese cambio que transforma una célula proliferativa normal o “benigna” en”maligna” consiste en un cambio fenotípico peculiar que se conoce como transición epitelio-mesenquimal (Guarino M, et al. 2007). Este cambio consiste en la adquisición por parte de dicha célula de la capacidad de romper el contacto con sus células hermanas y aumentar su motilidad, lo cual es el fruto de cambiar su citoesqueleto epitelial con sus correspondientes propiedades por un fenotipo pseudomesenquimal, que le permite la migración, la invasión y la diseminación (Lee JM, et al. 2006).
20.- Consecuencias terapéuticas de la regulación del Tercer Sistema
La mayoría de los tratamientos disponibles en la actualidad de la enfermedad cancerosa tienen como objetivo la eliminación de las células tumorales que han perdido su programa de función normal, pero el problema es que la radioterapia o la quimioterapia destruyen también las células normales, y los propios oncólogos explican que estos tratamientos no curan. Necesitamos un enfoque nuevo para avanzar en el tratamiento del cáncer, más amigable y respetuoso con el organismo global, y hoy sabemos que el fenotipo maligno es reversible a través de la corrección de las claves que facilita el microambiente tumoral (Kenny PA, et al. 2003)
La inducción de cambios en la MEC, in vivo o in vitro, es suficiente para inducir el fenotipo tumoral pero lo que es más extraordinario, ciertos tumores pueden regresar restaurando una MEC que permita una correcta interacción entre el epitelio y el estroma (Ingber DE. 2008). Lo contrario también ocurre y existen evidencias experimentales de cómo el efecto hormonal cancerígeno sobre un epitelio ocurre a través de la alteración de la interacción estromal-epitelial.
La fibulina-1 es una interesante proteína de la MEC. En el cáncer de mama, el tratamiento con doxorubicina produce un aumento de fibulina-1, así como sus proteínas de unión, fibronectina y laminina-1, constituyendo un motivo de quimioresistencia (Pupa SM, et al, 2007). Los anticuerpos monoclonales contra fibulina-1 son capaces de revertir dicha quimioresistencia. La inhibición de la metaloproteinasa parece tener efecto terapéutico (Jodele S, et al. 2006). Es decir, nos encontramos en los inicios de una nueva era que permite integrar los conocimientos actuales sobre la MEC y su función, la biotensegridad, mecanotransducción, flujo energético, respuesta inmune, transición epitelio-mesenquimal, hiperestructuras y tantos otros aportes de diversos campos que aportan una auténtica visión integral del proceso neoplásico y su correspondiente abordaje terapéutico.
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A Lucía Álvaro, por su excelente colaboración en la transcripción del texto.
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- Rodolfo Esteban Avila - ARGENTINA (30/11/2009 13:41:40)
- Patricia Reyes Ureña - REPUBLICA DOMINICANA (30/11/2009 22:42:00)
- Patricia Reyes Ureña - REPUBLICA DOMINICANA (30/11/2009 22:42:00)
- Tomás Alvaro - ESPAÑA (Autor) (30/11/2009 23:57:57)
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