Mecanismos glutamatérgicos de control y coordinación del tono vasomotor de arterias de resistencia cerebrales y periféricas

La función del cerebro es altamente dependiente de una fina regulación del flujo sanguíneo cerebral a través de un mecanismo conocido como acoplamiento neurovascular. Este mecanismo es mediado por los astrocitos que se encuentran entre las neuronas y la microcirculación cerebral. La liberación de neurotransmisores, como glutamato, durante un aumento de la actividad sináptica, activa receptores metabotrópicos de glutamato (mGluRs) en los astrocitos, lo cual inicia una onda de Ca2+ que viaja a los pies astrocíticos y a los astrocitos adyacentes. Se ha sugerido que la propagación de las ondas de Ca2+ entre los astrocitos ocurre a través de gap junctions y por medio de la liberación de ATP, con la consecuente activación de receptores purinérgicos. Este aumento de la [Ca2+]i en los astrocitos también podría provocar la liberación de D-serina y glutamato; sin embargo, no se ha determinado si su liberación contribuye a la señal de Ca2+ a través de la activación de los receptores de NMDA o mGluR. Asimismo, no se ha evaluado si D-serina y glutamato contribuyen a la regulación del flujo sanguíneo cerebral a través de su liberación desde los pies de los astrocitos hacia las arteriolas parenquimales. Por otro lado, glutamato puede alcanzar una concentración de 200 µM en la sangre, no obstante, no se ha estudiado si glutamato participa en la regulación del tono vasomotor de la circulación periférica. En base a estos antecedentes se propuso la siguiente Hipótesis: La señalización iniciada a través de la liberación de glutamato y D-serina por los astrocitos participa en el control y coordinación del acoplamiento neurovascular y, por otro lado, la señalización glutamatérgica también está involucrada en la regulación del tono vasomotor de arterias de resistencia periféricas. Esta propuesta se evaluó a través de tres Objetivos generales: 1. Evaluar la presencia y distribución de D-serina y los receptores de glutamato en la pared de arterias de resistencia cerebrales y periféricas. 2. Analizar si la liberación de glutamato y Dserina por los astrocitos contribuye a la coordinación de la onda de Ca2+ astrocítica y del acoplamiento neurovascular. 3. Determinar si la activación de receptores de glutamato inicia respuestas vasodilatadoras en arterias de resistencia periféricas. Para el desarrollo de estos objetivos se utilizaron cultivos primarios de astrocitos corticales, células endoteliales de cerebro y mesenterio y arterias de resistencia cerebrales aisladas de rata. Se evaluaron los cambios en la [Ca2+]i usando el indicador fluorescente Fluo4-AM, la expresión y distribución de las proteínas por medio de Western blot e inmunofluorescencia y la interacción astro-endotelial por Western blot y espectrometría de masa. Por otro lado, se midió la producción de NO en arterias de resistencia periféricas. Se encontró que los astrocitos corticales poseen receptores de NMDA, mGluR5, la enzima serina racemasa (SRR) y D-serina. Glutamato inicia la señalización de Ca2+ en los astrocitos a través de la activación de mGluR5, cuya respuesta depende, en parte, de la activación de los receptores de NMDA. Además, el aumento global de Ca2+ en los astrocitos requiere de la actividad de hemicanales de Cx43 y canales de Panx-1. Respecto a las ondas de Ca2+ astrocíticas, estas no sólo dependen de la expresión funcional de gap junctions y la activación de receptores purinérgicos, sino que también de la activación de mGluR5 y receptores de NMDA a través de la liberación de D-serina y glutamato, preferentemente, por los hemicanales de Cx43. Por otro lado, se determinó que la unión astro-endotelial es rica en proteínas características del retículo endoplásmico y en enzimas involucradas en la síntesis de glutamato (glutamato deshidrogenasa 1 y GMP sintetasa). Además, se detectó que el endotelio vascular cerebral también presenta receptores de NMDA, mGluR5, SRR y D-serina. Consistente con esto, glutamato y D-serina indujeron eventos de Ca2+ intracelulares dependientes de la activación de los receptores de NMDA endoteliales cerebrales. Respecto a la señalización del acoplamiento neurovascular, demostramos que la activación de mGluR5 en astrocitos corticales induce un incremento en la señal de Ca2+ del endotelio cerebral a través la activación de receptores de NMDA endoteliales. Por otro lado, también se demostró la presencia de mGluR5, receptores de NMDA, la enzima SRR y D-serina en las células endoteliales de las arterias de resistencia periféricas y la estimulación de estas células con glutamato y D-serina indujo eventos de Ca2+ intracelulares a través de la activación de los receptores de NMDA, lo cual se asoció con un aumento en la producción de óxido nítrico (NO) depende de la activación de la enzima eNOS y la vasodilatación de las arterias mesentéricas. Estos resultados indican que la activación de mGluR5 en astrocitos corticales induce inicialmente un incremento en la señal de Ca2+ intracelular, lo que provoca la liberación de ATP y la activación de receptores purinérgicos. Esto por su parte induce una señal de Ca2+ que provoca la liberación de glutamato y D-serina vía hemicanales formados por Cx43 y canales de Panx-1, quienes subsecuentemente inducen la activación de receptores de NMDA en células astrocíticas. A su vez, la liberación de glutamato y D-serina desde los astrocitos hacia los vasos cerebrales podría participar en el acoplamiento neurovascular por medio de la generación de señales vasodilatadoras a través de la activación de receptores de NMDA endoteliales. Por otro lado, la activación de receptores de NMDA en las células endoteliales de la circulación periférica induce eventos de Ca2+ intracelulares, lo cual sugiere que la señalización glutamatérgica podría estar involucrada en la regulación del tono vasomotor de las arterias de resistencia a través de la producción de NO.