En hemodinámica , el cuerpo debe responder a las actividades físicas, la temperatura externa y otros factores ajustando homeostáticamente su flujo sanguíneo para entregar nutrientes como oxígeno y glucosa a los tejidos estresados y permitirles funcionar. La respuesta hemodinámica ( HR ) permite el suministro rápido de sangre a los tejidos neuronales activos . El cerebro consume grandes cantidades de energía pero no tiene una reserva de sustratos de energía almacenados. Dado que los procesos superiores en el cerebro ocurren casi constantemente, el flujo sanguíneo cerebral es esencial para el mantenimiento deneuronas , astrocitos y otras células del cerebro. Este acoplamiento entre la actividad neuronal y el flujo sanguíneo también se denomina acoplamiento neurovascular .
Descripción general de la anatomía vascular
Para comprender cómo se entrega la sangre a los tejidos craneales, es importante comprender la anatomía vascular del espacio en sí. Las grandes arterias cerebrales del cerebro se dividen en arteriolas más pequeñas , también conocidas como arterias piales. Estos consisten en células endoteliales y células de músculo liso , y a medida que estas arterias piales se ramifican y se adentran más profundamente en el cerebro, se asocian con células gliales, es decir, astrocitos. Las arteriolas y capilares intracerebrales se diferencian de las arteriolas y capilares sistémicos en que no permiten que las sustancias se difundan fácilmente a través de ellas; están conectados por uniones estrechas para formar la barrera hematoencefálica (BBB). Las células endoteliales, el músculo liso, las neuronas, los astrocitos y los pericitos trabajan juntos en el cerebro para mantener la BHE mientras siguen suministrando nutrientes a los tejidos y ajustando el flujo sanguíneo en el espacio intracraneal para mantener la homeostasis . Como funcionan como una unidad neurovascular funcional , las alteraciones en sus interacciones a nivel celular pueden afectar la frecuencia cardíaca en el cerebro y provocar desviaciones en la función nerviosa normal. [1]
Mecanismos
Varios tipos de células juegan un papel en la HR, incluidos los astrocitos, las células del músculo liso, las células endoteliales de los vasos sanguíneos y los pericitos. Estas células controlan si los vasos están constreñidos o dilatados, lo que dicta la cantidad de oxígeno y glucosa que puede llegar al tejido neuronal.
Astrocitos
Los astrocitos son únicos en el sentido de que son intermediarios que se encuentran entre los vasos sanguíneos y las neuronas. Pueden comunicarse con otros astrocitos a través de uniones gap y tienen procesos en el pie que interactúan con las sinapsis neuronales . Estos procesos tienen la capacidad de absorber varios neurotransmisores , como la norepinefrina (NE) y el glutamato , y realizan otras funciones para mantener la homeostasis química y eléctrica en el entorno neuronal.
Se ha demostrado que la constricción ocurre in vitro cuando la NE se coloca en la sinapsis y es captada por los receptores de astrocitos. La captación de NE conduce a un aumento del Ca 2+ de los astrocitos intracelulares . Cuando estas ondas de iones de calcio se extienden a lo largo del astrocito, se activa la fosfolipasa A (PLA 2 ) que, a su vez, moviliza el ácido araquidónico . Estos dos compuestos se transportan al músculo liso y allí reaccionan con el citocromo P450 para producir ácido 20-hidroxieicosatetraenoico (20-HETE), que actúa a través de mecanismos aún por determinar para inducir la vasoconstricción. También se ha demostrado que los agonistas de los receptores de glutamato metabotrópicos (mGluR) también aumentan el Ca 2+ intracelular para producir constricción. [3]
Músculo liso
La dilatación ocurre cuando se libera óxido nítrico (NO) de las células endoteliales y se difunde hacia el músculo liso vascular cercano. Se han propuesto varias vías de vasodilatación inducida por NO mediante investigación hemodinámica. Se ha demostrado que el NO inhibe la síntesis de 20-HETE, lo que puede interferir con las vías de constricción de los astrocitos y provocar vasodilatación. También se ha propuesto que el NO puede amplificar la afluencia de Ca 2+ de los astrocitos y activar los canales de potasio dependientes de Ca 2+ , liberando K + en el espacio intersticial e induciendo la hiperpolarización de las células del músculo liso. [3] Además de esto, ya se ha demostrado que el NO estimula el aumento de los niveles de GMP cíclico (cGMP) en las células del músculo liso, induciendo una cascada de señalización que da como resultado la activación de la proteína cinasa dependiente de cGMP (PKG) y un Disminución de la concentración de Ca 2+ en el músculo liso . [4] Esto conduce a una disminución de la contracción muscular y una posterior dilatación de los vasos sanguíneos. El hecho de que los vasos estén constreñidos o dilatados determina la cantidad de oxígeno y glucosa que puede llegar al tejido neuronal.
Pericitos
Una función principal de los pericitos es interactuar con los astrocitos, las células del músculo liso y otras células intracraneales para formar la barrera hematoencefálica y modular el tamaño de los vasos sanguíneos para asegurar el suministro y distribución adecuados de oxígeno y nutrientes a los tejidos neuronales. Los pericitos tienen receptores colinérgicos (α2) y adrenérgicos (β2). La estimulación de este último conduce a la relajación de los vasos, mientras que la estimulación de los receptores colinérgicos conduce a la contracción.
Se ha demostrado que la actividad paracrina y la disponibilidad de oxígeno también modulan la actividad de los pericitos. Los péptidos angiotensina II y endotelina-1 (ET-1) se unen a los pericitos y son vasoactivos. Las células endoteliales inducen la expresión de endotelina-1, que conduce a la producción de NO y vasodilatación. Los experimentos han demostrado que los niveles de oxígeno también alteran la contracción del pericito y la subsiguiente contracción de los vasos sanguíneos. In vitro, las altas concentraciones de oxígeno provocan la constricción de los pericitos, mientras que las altas concentraciones de CO 2 provocan la relajación. Esto sugiere que los pericitos pueden tener la capacidad de dilatar los vasos sanguíneos cuando hay demanda de oxígeno y contraerlos cuando hay un exceso, modificando la tasa de flujo sanguíneo a los tejidos dependiendo de su actividad metabólica. [5]
Complicaciones
La respuesta hemodinámica es el suministro rápido de sangre al tejido neuronal activo. Las complicaciones de esta respuesta surgen en los síndromes coronarios agudos y la hipertensión arterial pulmonar . Estas complicaciones conducen a un cambio en la regulación del flujo sanguíneo al cerebro y, a su vez, en la cantidad de glucosa y oxígeno que se suministra a las neuronas, lo que puede tener efectos graves no solo en el funcionamiento del sistema nervioso, sino en el funcionamiento de todos. sistemas corporales. [6]
El síndrome coronario agudo
Las infecciones agudas, como la neumonía adquirida en la comunidad (NAC), actúan como desencadenante de síndromes coronarios agudos (SCA). El SCA se ocupa de los síntomas que resultan de la obstrucción de las arterias coronarias . Debido a esta obstrucción, existen complicaciones trombóticas en los sitios de placas ateroscleróticas . El síntoma más común que impulsa el diagnóstico es el dolor en el pecho, asociado con náuseas y sudoración. El tratamiento suele incluir aspirina , clopidogrel , nitroglicerina y, si el dolor de pecho persiste, morfina . Un estudio reciente sugiere que la infección aguda del tracto respiratorio puede actuar como desencadenante del SCA. Esto a su vez tiene importantes efectos protrombóticos y hemodinámicos. [6]
Estos efectos son el resultado de la coagulación , que normalmente se evita en el endotelio vascular mediante la expresión de factores antitrombóticos en su superficie. La sepsis , que causa alteración y apoptosis de las células endoteliales, hace que el endotelio cambie a un fenotipo procoagulante. Esto promueve la adhesión y agregación plaquetarias. Además, sólo una vez que se ha producido la rotura de la superficie de la placa es probable que estos efectos protrombóticos sean significativos en la patogenia del SCA. La sepsis también se asocia en gran medida con cambios hemodinámicos. La presión de perfusión de la arteria coronaria se reduce en la vasodilatación periférica, lo que da como resultado una reducción de la presión arterial y una reducción de la contractilidad del miocardio. La disfunción endotelial induce vasoconstricción coronaria. Esto es causado por la liberación de catecolaminas y por infecciones. Las infecciones graves provocan un aumento de las demandas metabólicas del miocardio y la hipoxia . Cuando el tejido neuronal se ve privado del oxígeno adecuado, la respuesta hemodinámica tiene un efecto menor en el tejido neuronal activo. Todas estas alteraciones aumentan la probabilidad de un SCA, debido a la rotura y trombosis de la placa coronaria. En general, el SCA es el resultado del daño de las coronarias por aterosclerosis, por lo que la prevención primaria del SCA es prevenir la aterosclerosis mediante el control de los factores de riesgo. Esto incluye comer sano, hacer ejercicio con regularidad y controlar los niveles de colesterol. [6]
Hipertensión arterial pulmonar
La hipertensión pulmonar (HAP) es una enfermedad de las pequeñas arterias pulmonares que generalmente es causada por más de un mecanismo. Esto incluye neumonía , infecciones parasitarias, drogas ilícitas, como cocaína y metanfetaminas que provocan la constricción de los vasos sanguíneos, y muchas más. Los mediadores vasoactivos, como el óxido nítrico y la prostaciclina , junto con la sobreexpresión de vasoconstrictores, no solo afectan el tono vascular, sino que también promueven la remodelación vascular. La HAP se ocupa del aumento de la presión arterial en las arterias pulmonares, lo que provoca dificultad para respirar, mareos, desmayos, rara vez hemoptisis y muchos otros síntomas. La HAP puede ser una enfermedad grave que puede provocar una disminución de la tolerancia al ejercicio y, en última instancia, insuficiencia cardíaca. Implica vasoconstricciones de los vasos sanguíneos conectados ay dentro de los pulmones. Como resultado, el corazón tiene dificultades para bombear sangre a través de los pulmones y los vasos sanguíneos eventualmente sufren fibrosis . El aumento de la carga de trabajo en el corazón causa hipertrofia del ventrículo derecho, lo que hace que se bombee menos sangre a través de los pulmones y disminuya la sangre al lado izquierdo del corazón. Como resultado de todo esto, el lado izquierdo del corazón tiene dificultades para bombear un suministro suficiente de oxígeno al resto del cuerpo, lo que deteriora el efecto de la respuesta hemodinámica. Las respuestas hemodinámicas deterioradas, a su vez, disminuyen la capacidad de ejercicio en pacientes con PAH. La gravedad de la disfunción hemodinámica durante el ejercicio progresivo en la HAP se puede registrar mediante la prueba de esfuerzo cardiopulmonar (CPET) y / o la cardiografía de impedancia (ICG). Además, no existen curas actuales para la hipertensión arterial pulmonar, pero existen opciones de tratamiento para los pacientes con la enfermedad para ayudar a prolongar su supervivencia y calidad de vida. Algunos de estos tratamientos incluyen terapia básica, bloqueadores de los canales de calcio y terapia con prostaciclina. La terapia básica puede conducir a mejoras clínicas dramáticas en pacientes con insuficiencia cardíaca derecha al instituir la terapia con diuréticos. Esto reduce la precarga del ventrículo derecho. Además, los bloqueantes de los canales de calcio en dosis altas entre los pacientes que tienen una respuesta a este tratamiento pueden prolongar la supervivencia y mejorar la hemodinámica pulmonar. Los fármacos bloqueadores de los canales de calcio dan como resultado la regresión de la hipertrofia ventricular derecha. Por otro lado, la terapia con prostaciclina prolonga la supervivencia al inducir la relajación de los músculos lisos vasculares. Esto estimula la producción de AMP cíclico (cAMP), que inhibe el crecimiento de las células del músculo liso. [7]
En general, la tensión arterial pulmonar y los síndromes coronarios agudos son algunas de las muchas enfermedades que conducen a la hipoxia del tejido neuronal, lo que a su vez deteriora la respuesta hemodinámica y conduce a la muerte neuronal. La hipoxia prolongada induce la muerte neuronal por apoptosis. Con una respuesta hemodinámica disfuncional, el tejido neuronal activo debido a la despolarización de la membrana carece de la energía necesaria para propagar señales, como resultado de la obstrucción del flujo sanguíneo. Esto afecta muchas funciones del cuerpo y puede provocar síntomas graves.
Enfermedades de respuesta hemodinámica reducida
Enfermedad de Alzheimer
En esta enfermedad, hay una acumulación de la proteína beta amiloide en el cerebro. En última instancia, esto conduce a una reducción de la respuesta hemodinámica y a un menor flujo sanguíneo en el cerebro. Este flujo sanguíneo cerebral reducido no solo mata las células neuronales debido a la escasez de oxígeno y glucosa, sino que también reduce la capacidad del cerebro para eliminar la beta amiloide. En un cerebro sano, estos fragmentos de proteínas se descomponen y eliminan. En la enfermedad de Alzheimer, los fragmentos se acumulan para formar placas duras e insolubles que reducen el flujo sanguíneo. En esta acumulación de beta amiloide intervienen dos proteínas: el factor de respuesta sérico o SRF y la miocardina. [8] Juntas, estas 2 proteínas determinan si el músculo liso de los vasos sanguíneos se contrae. El SRF y la miocardina son más activos en el cerebro de las personas con enfermedad de Alzheimer. Cuando estas proteínas están activas, activan SREBP2 que inhibe LRP-1. LRP-1 ayuda al cerebro a eliminar la beta amiloide. Por lo tanto, cuando el SRF y la miocardina están activos, hay una acumulación de proteína beta amiloide que finalmente conduce a un menor flujo sanguíneo en el cerebro debido a la contracción de los vasos sanguíneos. [9]
Isquemia
Una disminución de la circulación en la vasculatura cerebral debido a un accidente cerebrovascular o una lesión puede provocar una afección conocida como isquemia . En general, la disminución del flujo sanguíneo al cerebro puede ser el resultado de una trombosis que causa un bloqueo parcial o total de los vasos sanguíneos, hipotensión en la circulación sistémica (y, en consecuencia, el cerebro) o un paro cardíaco. Esta disminución en el flujo sanguíneo en el sistema vascular cerebral puede resultar en una acumulación de desechos metabólicos generados por neuronas y células gliales y una disminución en el suministro de oxígeno y glucosa a ellos. Como resultado, puede ocurrir falla de energía celular, despolarización de las membranas neuronales y gliales, edema y liberación excesiva de neurotransmisores e iones de calcio. [10] Esto finalmente termina con la muerte celular, ya que las células sucumben a la falta de nutrientes para impulsar su metabolismo ya un ambiente cerebral tóxico, lleno de radicales libres y exceso de iones que dañan la función normal del orgánulo celular.
Uso clínico
Los cambios en la actividad cerebral están estrechamente relacionados con cambios en el flujo sanguíneo en esas áreas, y saber esto ha resultado útil para mapear las funciones cerebrales en humanos. La medición de la respuesta hemodinámica, en un entorno clínico, se puede utilizar para crear imágenes del cerebro en las que las regiones especialmente activas e inactivas se muestran como distintas entre sí. Esta puede ser una herramienta útil para diagnosticar enfermedades neurales o en la planificación prequirúrgica. La resonancia magnética funcional y la exploración por TEP son las técnicas más comunes que utilizan la respuesta hemodinámica para mapear la función cerebral. Los médicos usan estas técnicas de imágenes para examinar la anatomía del cerebro, para determinar qué partes específicas del cerebro están manejando ciertas funciones de alto orden, para evaluar los efectos de enfermedades degenerativas e incluso para planificar tratamientos quirúrgicos del cerebro.
Imagen de resonancia magnética funcional
La resonancia magnética funcional (fMRI), es la técnica de imagen médica utilizada para medir la respuesta hemodinámica del cerebro en relación con las actividades neurales. [11] Es uno de los dispositivos más utilizados para medir las funciones cerebrales y es relativamente económico de realizar en un entorno clínico. El inicio de la actividad neuronal conduce a una serie sistemática de cambios fisiológicos en la red local de vasos sanguíneos que incluyen cambios en el volumen de sangre cerebral por unidad de tejido cerebral (CBV), cambios en la tasa de flujo sanguíneo cerebral y cambios en el concentración de oxihemoglobina y desoxihemoglobina. Existen diferentes técnicas de resonancia magnética funcional que pueden captar una señal funcional correspondiente a cambios en cada uno de los componentes antes mencionados de la respuesta hemodinámica. La señal de imagen funcional más común es la señal dependiente del nivel de oxígeno en sangre (BOLD), que corresponde principalmente a la concentración de desoxihemoglobina. [12] El efecto BOLD se basa en el hecho de que cuando la actividad neuronal aumenta en una parte del cerebro, también aumenta la cantidad de flujo sanguíneo cerebral hacia esa área, que es la base de la respuesta hemodinámica. Este aumento en el flujo sanguíneo produce un aumento en la proporción de hemoglobina oxigenada en relación con la hemoglobina desoxigenada en esa área específica. La diferencia en las propiedades magnéticas de la hemoglobina oxigenada y desoxigenada es lo que permite que las imágenes de resonancia magnética funcional produzcan un mapa eficaz de qué neuronas están activas y cuáles no. En resumen, la hemoglobina desoxigenada es paramagnética mientras que la hemoglobina oxigenada es diamagnética . La sangre diamagnética ( oxihemoglobina ) interfiere menos con la señal de resonancia magnética (MR) y esto conduce a una señal de MR mejorada en esa área de mayor actividad neuronal. Sin embargo, la sangre paramagnética (desoxihemoglobina) hace que el campo magnético local no sea homogéneo. Esto tiene el efecto de desfasar la señal emitida en este dominio, provocando una interferencia destructiva en la señal de RM observada. Por lo tanto, mayores cantidades de desoxihemoglobina conducen a una menor señal. La actividad neuronal conduce finalmente a un aumento en la señalización de MR local correspondiente a una disminución en la concentración de desoxihemoglobina. [13]
Si la resonancia magnética funcional puede usarse para detectar el flujo regular de sangre en un cerebro sano, también puede usarse para detectar los problemas con un cerebro que ha sufrido enfermedades degenerativas. La resonancia magnética funcional, que utiliza la respuesta hemodinámica, puede ayudar a evaluar los efectos del accidente cerebrovascular y otras enfermedades degenerativas como la enfermedad de Alzheimer en la función cerebral. Otra forma en que se podría utilizar la resonancia magnética funcional es en la planificación de una cirugía del cerebro. Los cirujanos pueden usar fMRI para detectar el flujo sanguíneo de las áreas más activas del cerebro y las áreas involucradas en funciones críticas como el pensamiento, el habla, el movimiento, etc. De esta manera, los procedimientos cerebrales son menos peligrosos porque hay un mapeo cerebral que muestra qué las áreas son vitales para la vida de una persona. La respuesta hemodinámica es vital para la resonancia magnética funcional y el uso clínico porque a través del estudio del flujo sanguíneo podemos examinar la anatomía del cerebro y planificar de manera efectiva los procedimientos del cerebro y vincular las causas de la enfermedad cerebral degenerativa. [14]
La resonancia magnética funcional en estado de reposo permite la evaluación de la interacción de las regiones del cerebro, cuando no se realiza una tarea específica. [15] Esto también se usa para mostrar la red en modo predeterminado .
Escaneo de mascotas
La exploración por PET o la tomografía por emisión de positrones también se utiliza junto con la resonancia magnética funcional para obtener imágenes del cerebro. La PET puede detectar áreas cerebrales activas hemodinámicamente o metabólicamente a través de la ingesta de glucosa. Permiten observar el flujo sanguíneo o el metabolismo en cualquier parte del cerebro. Las áreas que se activan por el aumento del flujo sanguíneo y / o el aumento de la ingesta de glucosa se visualizan en una señal aumentada en la imagen de PET. [dieciséis]
Antes de que comience una tomografía por emisión de positrones, se inyectará al paciente una pequeña dosis de un medicamento radiactivo etiquetado con un marcador , como glucosa u oxígeno. Por lo tanto, si el propósito de la exploración por TEP es determinar la actividad cerebral, el medicamento utilizado será FDG o fluorodesoxiglucosa . La FDG es un complejo de flúor radiactivo que está marcado con glucosa. Si una determinada parte del cerebro está más activa, se necesitará más glucosa o energía allí y se absorberá más FDG. Este aumento en la ingesta de glucosa será detectable con un aumento de la señal en la imagen de PET. Los escáneres PET proporcionan esta característica porque miden la energía que se emite cuando los positrones del radiotrazador chocan con los electrones en el cerebro. A medida que se descompone un radiotrazador, se producen más positrones y habrá un aumento de la señal en la tomografía por emisión de positrones. [17]
Referencias
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enlaces externos
- Una animación de acoplamiento neurovascular.