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72- VISIONES MOLECULARES EN ATAXIA DE FRIEDREICH Y TERAPIAS BASADAS EN ANTIOXIDANTES. Por Agnès Rötig, Daniel Sidi, Arnold Munnich, and Pierre Rustin. INSERM U393 and Service de Cardiologie pédiatrique, Hôpital Necker-Enfants Malades, Paris, France. Revista: TRENDS in Molecular Medicine Vol.8 N 5, May 2002. Traducción de Ana Leguina, Cristina Fernández, y Miguel-A. Cibrián.

La ataxia de Friedreich (FDRA) es una enfermedad neurodegenerativa autosómica recesiva, que produce ataxia y cardiomiopatía. El gen causante de la enfermedad codifica una proteína mitocondrial de función desconocida, la frataxina. La pérdida de función de la frataxina es causada por una expansión del trinucleótido GAA en el primer intron del gen, dañando así la transcripción del gen. La carencia de frataxina parece producir primeramente un disminuido refuerzo de las defensas antioxidantes, produciéndose daños oxidativos a la aconitasa de las proteínas hierro-azufre, altamente sensibles, y a tres complejos mitocondriales de la cadena respiratoria (I a III). De acuerdo con esto, la terapia basada en antioxidantes parece prometedora contrarrestando el curso de la enfermedad.

La ataxia de Friedreich es un desorden degenerativo caracterizado por una ataxia cerebelosa progresiva con pérdida de los reflejos profundos, debilidad piramidal,y disartria. El engrosamiento de las paredes del corazón es un síntoma que se aprecia en los pacientes, y un 70 % de ellos desarrolla una cardiomiopatía hipertrófica realmente amenazante para la vida [1]. Además, el 10 % de los pacientes también presenta diabetes mellitus y el 20 % padece intolerancia a los carbohidratos. La ataxia de Friedreich es un desorden autosómico recesivo con una frecuencia de 1 por 50.000 nacimientos vivos. El gen de la enfermedad ha sido mapeado en el cromosoma 9q13 [2] e identificado por clonado posicional [3]. Este gen codifica una proteína de 210 aminoácidos, llamada frataxina. La mutación responsable para la enfermedad consiste en una expansión de repetición GAA en el primer intron de dicho gen de la frataxina en el 98 % de los pacientes, y resulta en una pérdida de función de la frataxina debido a la dañada transcripción del gen [4].

Cuál es el papel de la frataxina en el metabolismo del hierro?:

El papel preciso de la frataxina humana aún es desconocido, pero el estudio de un homólogo en levadura, YFH1, ha proporcionado la primera pista para entender su función. De hecho, el homólogo de la frataxina en la levadura había sido calificado previamente como un mutante incapaz de desarrollarse en un medio limitado de hierro. La supresión de YFH1 resulta en unas tensiones que imposibilitan realizar la fosforilización oxidativa, debido a una deficiencia en la cadena respiratoria mitocondrial. En estas condiciones éstas tensiones dan lugar a una carencia de mtDNA [5 y 6]. Además, se ha observado un volumen férrico duplicado en las células .yfh1 a expensas del hierro citosólico, tal y como se observa un incremento en el volumen férrico en la mitocondria. Finalmente, ha sido demostrado que YFH1 y las proteínas frataxina se localizan en la mitocondria [7]. Estos resultados, todos unidos, sugieren que la frataxina está involucrada en el metabolismo férrico mitocondrial.

Al mismo tiempo, ha sido detectada deficiencia de la enzima, muy específica, combinada con los complejos I, II, y III en las biopsias endomiocardiales de dos pacientes con ataxia de Friedreich [8]. Estos tres complejos tienen en común la presencia de clusters hierro-azufre (ISC) asociados con por lo menos una de sus subunidades. Otro ISC conteniendo proteína, aconitasa, también ha sido hallado muy deficiente. Este resultado adicional ha denotado una deficiencia generalizada de proteína de hierro-azufre (ISP) en estos pacientes y establecido que la ataxia de Friedreich debe ser considerada un auténtico desorden mitocondrial. Estos datos han sido seguidamente confirmados por análisis realizados en muestras post-morten del cerebro y corazón [9]. En tejidos homogenados, la actividad de la aconitasa medida representa realmente la actividad de dos diferentes aconitasas: la aconitasa mitocondrial, que es parte del ciclo de los ácidos tricarboxílicos y la aconitasa citosólica. Por todo esto, se ha generalizado la deficiencia de proteínas que contienen ISC (aconitasas, mitocondriales y citosólicas, complejos I, II y III), esto no sucede por diferentes mutaciones en genes distintos, sino por ensamblajes anormales o por error de los clusters hierro-azufre en las proteínas. Esta deficiencia ISC también se ha observado en la levadura mutante, cómo el complejo II, complejo III y la aconitasa también eran muy deficientes en las tensiones .yfh1 comparadas con las tensiones tipo-salvaje [8]. Estos resultados, tanto en humanos como en levadura, muestran claramente que la función anormal en el ataxia de Friedreich involucra ISC.

Hipótesis revisadas respecto a las funciones de la frataxina:

Aunque se han descrito al detalle las consecuencias de la falta de la función de frataxina, y varios enfoques multi-disciplinares han establecido que la proteína frataxina está localizada en la mitocondria, en la matriz a o cerca de la membrana interna, actualmente la función de la frataxina continua siendo un tema de debate (Fig.1).

La idea de que la frataxina podría ser una proteína involucrada en el control del hierro mitocondrial en el transporte celular, surge por observación de que la levadura mutante YFH1 acumula hierro en la matriz mitocondrial, probablemente a costa del hierro citosólico. Esta hipótesis implica que la frataxina estimula el transporte férrico fuera de la mitocondria y la ausencia de esta función produce una acumulación férrica intramitocondrial [5].

Según una segunda hipótesis, la frataxina juega un papel en el almacenamiento del hierro mitocondrial. Principalmente, esto es el resultado de la observación de que el añadido de hierro adicional en levadura purificada YFH1 resulta en un grupo de YFH1 que puede separar hasta 3000 átomos de hierro [10]. Esto concede a la frataxina un papel potencial en la biodisponibilidad del hierro mitocondrial.

Es más, se ha demostrado que la frataxina humana expresada en la E. Coli y en la S. Cerevesiae (nota: son 2 tipos de bacterias) se agrupa dentro de un polímero capaz de ligar hierro, sugiriendo que la Frataxina humana actúa como proteína de almacenamiento férrico. Muy interesante al respecto ha sido la reciente identificación de una ferritina mitocondrial tanto en ratones como en humanos [11].

Una tercera hipótesis sugiere que la frataxina está directamente involucrada en el ensamblaje ISC o en la síntesis ISP, puesto que se observa un especifico déficit ISC en el corazón de pacientes de Ataxia de Friedreich y en los modelos de ratones [8, 13]. Teniendo esto en cuenta, la distribución filogenética de la frataxina podría también jugar un papel en el ensamblaje de las proteínas del grupo hierro-azufre [14]. Además, se ha observado que es necesaria la presencia de frataxina para el ensamblaje ISC en la ferrodoxina de la levadura, lo cual lleva a pensar en un papel directo de la frataxina en la biogénesis ISC [15].

Recientemente, se ha demostrado que la frataxina estaba involucrada en la protección ante las agresiones oxidativas resultantes de deficiencias en la cadena respiratoria [16]. Esta podría funcionar tanto en la inducción de la defensa antioxidante mitocondrial, o mediante el control de la síntesis de un componente clave en la vía de señalización del superóxido dismutasa, o cuantificando el hierro libre en la matriz mitocondrial. De hecho, se ha demostrado en cultivos de fibroblastos provenientes de piel de pacientes con Ataxia de Friedreich y en cardiomiocitos de ratones transgénicos deficientes en frataxina que son incapaces de inducir defensas antioxidantes, conocidas como actividad SOD, en respuesta a la sobreproducción de superóxido como resultado de la inhibición de la cadena respiratoria [16]. Esta conclusión ha sido reforzada por la subsiguiente observación de que el daño oxidativo causado por el exceso de hierro, no induce al SOD en células de pacientes con Ataxia de Friedreich [16]. El conocimiento del mecanismo por el cual la ausencia o disminución en los niveles de frataxina produce un fallo de las defensas antioxidantes, requerirá una descripción de la vía de señalización SOD en las células humanas, poco conocida hasta ahora. Finalmente, también ha sido sugerido que la frataxina podría ser un activador de la fosforilación oxidativa [18], aunque esto no pudo ser confirmado por otro grupo de investigación [19].

Sea cual fuere el papel primario exacto de la frataxina, de alguna forma la consecuencia de la falta de frataxina es una acumulación de hierro libre en la mitocondria. La sobrecarga de hierro libre en cambio aumenta el estrés oxidativo a través de la reacción química de Fenton (el hierro libre activa la producción de compuestos de oxigeno reactivos) y además altera las funciones mitocondriales. Los grupos hierro-azufre en la cadena respiratoria de los complejos I, II, III y la aconitasa mitocondrial, conocidos como sensibles objetivos de ataque por parte de los radicales libres de oxigeno, perderían rápidamente su actividad en los pacientes de Ataxia de Friedreich.

Modelos de ratones transgénicos de Ataxia de Friedreich:

Las investigaciones llevadas a cabo desde el laboratorio del Dr. Michel Koenig han generado varios modelos de ratón transgénico para la Ataxia de Friedreich [13, 20]. Primero establecieron que la inactivación del gen de la Ataxia de Friedreich en ratones lleva a una temprana mortalidad embrionaria sin acumulación férrica [20]. Posteriormente, se obtuvieron dos modelos específicos de ratón por ruptura condicional del gen de la frataxina: Fueron creados un ratón trangénico para modelo cardiológico, y otro para muscular.

Los ratones mutantes para el modelo cardiaco desarrollan ataxia con una media de comienzo a los 12 días de vida acompañada de una progresiva pérdida de la propiocepción. Ambos modelos de ratones transgénicos también presentan hipertrofia cardiaca que se desarrolla en una cardiomiopatía dilatada, con un comienzo más temprano en los ratones del modelo cardiaco. Un examen histológico de los corazones de ambos ratones mutantes presenta anormalidades que sugieren un transtorno mitocondrial. Finalmente, los dos modelos de ratón transgénico presentaban un defecto en la cadena respiratoria consecuente con una pérdida ISC, a las 7 semanas de edad para los ratones del modelo muscular y en los ratones del modelo cardiaco después de la muerte. Es importante anotar que la acumulación férrica sólo fue observada en los ratones del modelo muscular a la edad de 10 semanas, en cambio el contenido de hierro era normal a las 7 semanas cuando ya podía detectarse una deficiencia significativa ISC. En los ratones del modelo cardiaco no ha sido observado ningún depósito de hierro, ni siquiera después de la muerte. Esto lleva a la conclusión que la deficiencia de ISP y la cardiomiopatía tienen lugar antes de cualquier acumulación significativa de hierro en la mitocondria [13].

Posibles enfoques terapéuticos:

El conocimiento más profundo de la patogénesis de la Ataxia de Friedreich ha permitido el desarrollo de posibles enfoques terapéuticos para esta enfermedad. Debido a que la acumulación férrica inicialmente se pensó que jugaba un papel primordial en la patogénesis, hubo un entusiasmo inicial por probar quelantes férricos. Sin embargo, rápidamente se dieron cuenta de que la mayoría de los quelantes disponibles reducían el hierro intracelular, pero no eliminaban el hierro mitocondrial. Además, podrían asociarse importantes efectos colaterales con el uso de quelantes [21]. Por todo esto, en ausencia de una terapia génica, parece razonable intentar prevenir el daño ISC, resultante presumiblemente de los daños producidos por superóxidos, utilizando compuestos antioxidantes. Se ensayó primero in vitro el potencial efecto protector de varias substancias contra el daño ISC por hierro inducido, usando homogenados del corazón. Con este objetivo, se estudió en detalle el efecto del hierro en la peroxidación lípida, en la actividad del complejo II y en la actividad de la aconitasa en homogenados de corazones humanos [22].

El hierro reducido (Fe2+), probado como cloruro ferroso, pero no hierro oxidado (Fe3+), produjó una rápida lipoperoxidación y una disminución de la actividad del complejo II en los homogenados del corazón, indicando que el efecto tóxico de hierro depende de su estado de oxidación. Por esta razón, la reducción de agentes como el ascorbato o el glutation podría ser dañina para los pacientes con una carga excesiva de hierro, cuando es probable que estas drogas reduzcan hierro libre en vivo [23]. Por lo que se refiere a las enzimas de la matriz solubles, los iones ferrosos (Fe2+) solos no causaron ningún daño a la actividad de la aconitasa. Sin embargo, la adición un quelante férrico, EDTA o desferioxamina, conocido como protector de los componentes de la membrana de la peroxidación inducida por hierro, condujo a una pérdida significativa de actividad de la aconitasa. Así, los quelantes de hierro cambiaron la naturaleza de las enzimas elegidas como blanco en lugar de proteger contra la toxicidad férrica, lo cual también podría ser perjudicial. Luego, se estudió en homogenados del corazón humano el efecto protector de las quinonas antioxidantes, ubiquinona (coenzima Q10) y la idebenona, un análogo de cadena corta de la ubiquinona [22]. La idebenona es conocida por atravesar la barrera de sangre-cerebro [24], y está disponible como medicamento, Mnesis. La actividad del complejo II en homogenados del corazón se ve severamente dañada después de la incubación con hierro reducido (Fe2+), pero una baja concentración de coenzima Q10 o idebenona reducida in situ por la cadena respiratoria, protege la actividad del complejo II contra la lesión férrica [25]. El mismo efecto protector se observó para los lípidos de membrana.

Teniendo en cuenta que en los modelos in vitro se reduce el daño oxidativo se asume que las quinonas, en particular la idebenona, podrían mejorar el corazón y posiblemente las funciones cerebrales de los pacientes de Ataxia de Friedreich.

Estudios clínicos con idebenona:

Inicialmente fueron tratados tes pacientes con idebenona (5mg/kg/día). Esto dio como resultado una substancial mejora de la hipertrofia cardiaca. El espesor de la pared septal disminuyó en un 30 %, el espesor de la pared del ventrículo izquierdo disminuyó en un 10 a 20 %, y el índice de la masa del ventrículo izquierdo disminuyó en un 20 a 30 % después de cuatro meses de tratamiento en los tres pacientes [22].

Después, un ensayo más largo realizado con 48 pacientes, confirmó totalmente estos prometedores resultados. Tras seis meses de tratamiento con idebenona, el 48 % de los pacientes presentó una reducción de >20 % de la masa del ventrículo izquierdo (fig. 2), lo que es altamente significativo, ya que una reducción de la hipertrofia cardiaca nunca se había obtenido en el curso natural de esta enfermedad.

La hipertrofia cardíaca se vio estabilizado en la otra mitad de los pacientes. En ninguno de ellos la hipertrofia aumentó significativamente en el periodo de los seis meses que duró el ensayo. Estos datos permanecen constantes después de más de dos años continuando el tratamiento (Dr. Sidi, artículo aún no publicado). Aunque, después de un año de tratamiento, la ataxia y los reflejos profundos del tendón no han cambiado de forma significativa. No obstante, la mayoría de los pacientes y sus familias han informado de una disminución en la fatiga, una mejoría en los movimientos delicados (letra, dibujo, y control de la silla de ruedas), una mejora en la voz, y disminución de las dificultades al tragar [26].

La respuesta al tratamiento con la idebenona no es correlativa ni con el número de repeticiones GAA en el alelo más pequeño del gen de la frataxina ni con la edad del paciente, lo que demuestra que la idebenona podría ser eficaz a cualquier edad durante el curso de la enfermedad. Finalmente, la mejora de la cardiomiopatía no estaba relacionada con la severidad de la hipertrofia cardiaca antes del tratamiento, ya que no se encontró ninguna correlación significativa entre el índice de la masa del ventrículo izquierdo al final del tratamiento y el índice inicial. Por todo esto, la eficacia tan variable del medicamento entre distintos afectados permanece sin explicación.

Remarcamos que no se han apreciado efectos colaterales significativos del medicamento durante un periodo de un año. Aumentando la dosis de 5 a 10 o 15 mg/kg/día se ha probado su utilidad para algunos pacientes [25]. Otro estudio a doble ciego, en un periodo de tiempo muy corto ( 6 semanas), con 9 pacientes falló en detectar mejoras [27]. Sin embargo, dos estudios adicionales preliminares también han demostrado la mejora en pacientes. El primer ensayo con placebo a doble ciego controlado se llevó a cabo en 22 pacientes adultos, quienes mostraron una disminución del grosor septal del corazón después de 6 meses de tratamiento con idebenona [28]. El segundo ensayo abierto se desarrolló en ocho pacientes de pediatría y produjo en una mejora en la condición neurológica de los pacientes, especialmente en la manipulación fina, nistagmus y movimientos oculares [29].

Ha sido evaluada recientemente una terapia alternativa con antioxidantes realizada usando ubiquinona, (400mg/día) más vitamina E (2100 IU/día), pero los dos exámenes, neurológicos y ecocardiográficos, no han mostrado beneficios consistentes después de 6 meses [30]. No obstante, tras tres meses de tratamiento se produce una inversión parcial en los marcadores bioquímicos (fosfocreatina cardíaca y ATP del músculo esquelético) [31], lo cual podría denotar una mejora de la función celular y ciertamente apoya la evaluación de terapias antioxidantes adicionales en Ataxia de Friedreich.

CONCLUSIONES:

Los resultados de la mayoría de los numerosos ensayos con idebenona en pacientes de Ataxia de Friedreich hasta ahora indican un efecto positivo de este medicamento en la hipertrofia cardiaca. La mayoría de los pacientes también han informado de una mejora general: menos fatiga, lo cual en parte podría ser resultado de una mejor función del corazón. Sin embargo, aunque se ha informado de mejoras en la fuerza y en los movimientos delicados, la condición neurológica de los pacientes no se ha visto modificada significativamente ya que la ataxia y los reflejos profundos no han cambiado. Se deben realizar grandes esfuerzos para identificar los antioxidantes más indicados para mejorar el tratamiento de la ataxia de Friedreich. No obstante, el hecho que el curso progresivo de la enfermedad pueda causar daños progresivos en varios componentes mitocondriales, es un incentivo para tratar con idebenona a los pacientes de Ataxia de Friedreich lo más pronto posible.

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