La hipoxia supone una disminución del oxígeno que hay disponible en las células del organismo, lo que produce alteraciones en su funcionamiento y lleva a que aparezca en distintas patologías como el ictus, el paro cardiaco y las enfermedades neurodegenerativas. Desde hace tiempo se sabía que en la hipoxia, cuando baja la concentración de oxígeno se produce un aumento de superóxido, que es una especie reactiva de oxígeno, pero no se conocía cómo se producía dicho proceso. Investigadores de la Universidad Complutense de Madrid, del Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares (CNIC) y del Instituto de Investigación Sanitaria Princesa (IIS Princesa) han publicado un artículo en la revista Nature en el que describen, por primera vez, cómo ocurre ese mecanismo, en el que está implicado el intercambiador sodio/calcio de la mitocondrias de las células.
Antonio Martínez Ruiz, del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular de la UCM e investigador del Hospital Universitario Santa Cristina, explica que la idea original del estudio partió de Pablo Hernansanz, del ISS Princesa, que fue a quien se le ocurrió que "el intercambiador sodio-calcio mitocondrial (NCLX) podía ser importante en el mecanismo, así que se aventuró a ello, se puso a estudiarlo y tenía razón".
Una manera habitual de trabajar en química es quitar o inhibir una proteína para ver si con ello se inhibe la vía, y así comenzó este trabajo, comprobando que la inhibición del intercambiador mitocondrial sodio/calcio es suficiente para evitar la adaptación a la hipoxia. De acuerdo con Martínez Ruiz se inhibió el intercambiador utilizando varios métodos, usando una molécula conocida con anterioridad, interfiriendo el ARN y también usando células de ratones knock-out de un grupo de Estados Unidos, y el resultado fue una sorpresa "porque se inhibía sodio/calcio, pero al mismo tiempo se inhibía el superóxido".
La importancia del sodio
Según Martínez Ruiz, "se sabe que la regulación del calcio para las mitocondrias es muy importante, de tal modo que se pensó que sacando calcio de la mitocondria y metiendo sodio, se debería afectar a la producción del superóxido", pero cuando se pusieron a investigarlo vieron que eso no ocurría. De hecho, se ha descubierto que en el mecanismo lo importante no era el calcio, sino la entrada de sodio, "lo que fue una de las primeras sorpresas, porque el sodio en ese caso está actuando como un mensajero, transmitiendo una señal, y siempre se había dado importancia al calcio, pero apenas al sodio".
Al llegar a esta parte de la investigación se unieron al trabajo otros profesores de la Complutense como Álvaro Martínez del Pozo, del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y que fue el director de tesis de Martínez Ruiz, e Ivan López Montero, del Departamento de Química Física. Los profesores de la UCM investigaron cómo influye el sodio sobre la fluidez de las membranas lipídicas y se vio que cambia esa fluidez, con lo que se comprobó "que el sodio sí influye en el comportamiento de la mitocondria, en la cadena de transporte de electrones, pero lo hace en un punto inesperado como es la coenzima Q, que participa además en la respiración celular aeróbica".
Martínez Ruiz informa de que los profesores de la UCM han aportado métodos biofísicos que se han sumado a la idea original de que los complejos de la cadena de electrones se iban a ver afectados por el sodio, pero "se ha visto que no son los complejos en sí, sino que es el paso que hay entre medias, que es esa coenzima Q. De hecho, el movimiento de esa coenzima, su difusión a través de la membrana, es lo que puede ser limitante, sobre todo cuando hay sodio, cuando entra el sodio a la mitocondria".
Una gran novedad de este estudio es, por tanto, que "el sodio actúa como mensajero y además que es un mecanismo más biofísico de interacción con los lípidos y no tanto con las proteínas". La hipótesis inicial era que el calcio se unía a una proteína concreta y eso cambiaba la actividad, pero "resulta que es el sodio y que además lo hace a través de la membrana de la mitocondria".
Producción de superóxido
Una vez que se activa el intercambiador sodio/calcio mitocondrial (NCLX) en hipoxia se produce el superóxido y gran parte de los investigadores, de acuerdo con Martínez Ruiz, pensaban que "si estaba saliendo más calcio, debería entrar desde fuera de la mitocondria, porque normalmente esta tiene muy poco calcio soluble". Se empezaron, por tanto, a mirar las entradas de calcio y se vio que no se veían afectadas, ya que realmente el calcio estaba precipitado dentro de la mitocondria, en unos gránulos de hidroxiapatita. En ese momento se consultó a la catedrática complutense María Vallet, quien confirmó que si se acidifica la matriz esos gránulos se disolvían, con lo que se liberaba el calcio.
El grupo de Jesús Ruiz Cabello, del Departamento de Química en Ciencias Farmacéuticas y en la actualidad en el CIC biomaGUNE, ayudó a medir mejor esos gránulos de calcio de la mitocondria, con técnicas de microscopía electrónica, sobre todo para confirmar que esos gránulos eran efectivamente de calcio. Según Martínez Ruiz "se han utilizado esas técnicas al límite, y se sabe que era así porque cuando lo hacían en un microscopio no se distinguían, pero cuando se hacían en otro con un poco más de sensibilidad, ya sí se veía que ahí había efectivamente calcio".
La descripción de ese calcio dentro de las mitocondrias se hizo hace unas cinco décadas, pero "casi nadie se acordaba de ello". Lo que ahora se ha visto es que "tienen un papel fisiológico que durante la hipoxia les permite liberar calcio y con eso desencadenan que entre el sodio, cambie la cadena de transporte de electrones, se produzca el superóxido, que la respiración esté alterada...".
Futuras terapias
El descubrimiento, como asegura Martínez Ruiz, podría ser usado para futuras terapias en el tratamiento de patologías en las que la hipoxia está involucrada, aunque "hoy en día es más un deseo que una realidad, porque siempre es difícil llevar un estudio básico a la clínica". De todos modos, se sabe, por ejemplo, que en un ictus hay evidencia de que inhibiendo este intercambiador se puede inhibir o minimizar el daño, y también en infartos de corazón, aunque es cierto que la realidad puede ser bastante más complicada que los trabajos en laboratorio.
También se podría utilizar en trasplantes, porque en ellos se suelen hacer isquemias controladas y "quizás ahí se podría parar la respuesta celular de hipoxia sobrevenida durante esas isquemias". E incluso en otras enfermedades más crónicas, como las neurodegenerativas, podría tener alguna utilidad, pero "hay que verlo con más calma, porque en ocasiones todavía no se sabe si hay que inhibir o activar esta vía, dependiendo de la situación, así que las herramientas para las diferentes terapias son muy distintas. Lo que está claro, de momento, es que la vía tiene importancia, pero todavía no se sabe cómo modularla al detalle para cada caso concreto. Habría que hacer bastante más investigación".
Por ejemplo, Ángel Cogolludo y Laura Moreno, del Departamento de Farmacología y Toxicología, han realizado otra parte del estudio publicado, relacionándolo con una de las respuestas fisiológicas a la hipoxia aguda como es la vasoconstricción pulmonar. En ella, "las arterias de los pulmones, cuando hay una bajada de oxígeno, se contraen, cosa que no ocurre con las demás arterias del resto del organismo, sino que es justo al revés. Este mecanismo ya se conocía, pero lo que han hecho estos dos investigadores complutenses es comprobar que aquí también afecta la vía de sodio/calcio".
Martínez Ruiz añade que ahora parte de los estudios están centrados en la reperfusión, es decir la restauración del suministro sanguíneo tras un ictus o un infarto de corazón. Explica el profesor complutense que "en esos casos la urgencia es abrir los vasos, porque se sabe que la isquemia mata, pero la reperfusión también daña, así que si se consiguiera reducir ese daño, que es en parte oxidativo, se mejoraría la recuperación tras ictus o infarto".
Trabajo multidisciplinar
Como se ha puesto en evidencia a lo largo de este artículo se ve que "para hacer un avance importante hay que colaborar entre disciplinas y lo bueno de la UCM es que es muy fácil hacerlo". Por ejemplo, el hecho de que Martínez Ruiz sea profesor asociado de la Complutense, y que tenga contactos previos, hace que se favorezca esta interdisciplinariedad en la universidad, porque "aunque en el Hospital se favorece la investigación básica no se llega a tanto, pero sin embargo en la Complutense, es un gusto".
Otros investigadores que han colaborado en el trabajo, más allá de nuestro campus, son Anna Bogdanova, de la Universidad de Zurich, con quien ya llevan unos años trabajando; el grupo americano de John W. Elrod, de la Universidad de Temple, de Filadelfia, donde han diseñado los knock-outs de NCLX; el grupo de José Antonio Enríquez, del CNIC (Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares), porque "tiene una amplia trayectoria en el estudio de las mitocondrias", y otros muchos grupos con los que se han ido poniendo en contacto porque "hacen falta muchas técnicas distintas para un trabajo de este tipo, que implica distintos tipos de vista y gente que pueda hacer análisis muy especializados".
