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REVISIÓN
R e v. Soc. Esp. Dolor
8: 332-336, 2001
Biología molecular del dolor: ¿tiene algún interés clínico?
K. Noguchi* y M. To h y a m a * *
Noguchi K and Tohyama M. Molecular biology of
pain: should clinicians care? Rev Soc Esp Dolor 2001;
8: 332-336.
Los recientes avances en nuestra comprensión de
los mecanismos del dolor pueden atribuirse a la aplicación de las técnicas de biología molecular a la investigación del dolor. Dichas técnicas han permitido
ya la clonación y caracterización de nuevas proteínas
en los canales iónicos implicadas en la generación,
modulación y propagación de potenciales de acción a
lo largo de los axones de los nociceptores. Dichas
técnicas siguen revelando mecanismos nociceptivos
que afectan a moléculas, receptores y redes neurales
y sugieren una reorganización neural (plasticidad) en
la médula espinal y el tallo cerebral cuando se produce alguna lesión periférica en tejidos o nervios.
En su intervención presidencial durante el último
Congreso Mundial de la IASP, el Profesor Besson expresó su preocupación por la aparente divergencia de
la investigación clínica y básica, pese a que los nuevos conocimientos sobre los mecanismos fundamentales de la nocicepción prometen grandes avances terapéuticos. Es normal que transcurra un tiempo
*Department of Anatomy and Neuroscience, Hyogo College of Medicine.
Nishinomiya, Hyogo, Japan.
**Department of Anatomy and Neuroscience, Graduate School of Medicine,
Osaka University. Suita, Osaka, Japan.
Pain 2000; 8 (2): 1-4.
1083-0707 © 2000 International Association for the Study of Pain.
Traducción revisada por L. M. Torres.
considerable entre la obtención de nueva información procedente de la investigación básica y su aplicación clínica (l,2). Hoy en día, en los albores de la
participación de la biología molecular en la investigación y el tratamiento clínico del dolor, es fundamental que la IASP fomente el intercambio de información entre los profesionales de la práctica clínica
y la investigación básica. De lo contrario, esa laguna
podría aumentar bajo la presión de una acumulación
cada vez más rápida de información cada vez más especializada (3). En este número de Pain: Clinical
U p d a t e s se describe la contribución de la biología
molecular al conocimiento de las adaptaciones a la
nocicepción en varios modelos de dolor, incluida la
identificación de nuevas moléculas que participan en
dicho proceso. También describimos los posibles objetivos de la investigación molecular del dolor, como
la “investigación translacional” que incorpora las observaciones preclínicas a las investigaciones clínicas.
La investigación clínica y básica parecen haber
tomado caminos divergentes pese a que los nuevos
conocimientos sobre los mecanismos fundamentales
de la nocicepción prometen importantes avances te rapéuticos.
NUEVAS MOLÉCULAS RELACIONADAS
CON LA NOCICEPCIÓN
La plasticidad neuronal, una característica esencial del sistema nervioso, es una “palabra murmurada” en la actual investigación del dolor. Las fluctuaciones en la expresión de los genes que reflejan
cambios en las demandas funcionales sobre las neuronas individuales son un hecho cotidiano. En presencia de una inflamación periférica permanente, por
ejemplo, la activación prolongada de las fibras C altera la pauta de transcripción génica en las células
del ganglio de la raíz dorsal (GRD) y las neuronas
B I O L O G Í A MOLECULAR DEL DOLOR: ¿TIENE ALGÚN INTERÉS CLÍNICO?
del asta dorsal. Cuando se produce una lesión de los
nervios periféricos, los cambios en la excitabilidad
de las neuronas y los niveles de mRNA en las neuronas sensoriales crean las condiciones idóneas para
que aparezca dolor crónico. Recientemente se han
descubierto algunos mecanismos que contribuyen al
aumento de la excitabilidad en el GRD.
Un ejemplo sorprendente es el de la capsaicina o
receptor 1 vanilloide (VR1) que ha sido clonado y
caracterizado (4). Curiosamente, los protones, cuya
concentración aumenta en un entorno ácido (lo que
ya se sabía que aumenta el efecto nocivo de la capsaicina), parecen ser ligandos endógenos de VR1 (5).
Las marcadas similitudes funcionales entre la activación de VRl inducida por capsaicina y la inducida por
calor indican que VR1 es el transductor fisiológico
de los estímulos dolorosos producidos por el calor.
Las marcadas similitudes funcionales entre la acti vación de VR1 inducida por capsaicina y la inducida
por calor indican que VR1 es el transductor fisiológi co de los estímulos dolorosos producidos por el calor.
Recientemente se han descubierto unos canales
sensibles a los protones, una familia de canales iónicos que se activan al aumentar la acidez del entorno
(disminución del pH) (6,7). Estas proteínas, llamadas
canales iónicos sensibles al ácido o ASICs, pueden dividirse en cinco subtipos, cada uno de ellos con unas
características diferentes en términos de cinética de
activación, dependencia del pH y especificidad tisular.
Cuatro de esos subtipos se expresan en neuronas sensoriales de pequeño diámetro, convirtiéndoles en candidatos mediadores de la hiperalgesia en los tejidos
inflamados y mal regados que se vuelven acidóticos.
Entre otras proteínas de los canales iónicos que se
+
han clonado recientemente, el canal de sodio (Na )
resistente a tetrodotoxina (TTX) ha atraído la mayor
atención por su localización en el sistema nervioso y
su expresión únicamente después de alguna lesión
neurológica (8,9). Este tipo de canal se encuentra
principalmente en neuronas aferentes primarias desmielinizadas de pequeño diámetro. Los experimentos
electrofisiológicos e inmunohistoquímicos realizados en ratones “bloqueados” (10) han sugerido que
+
un canal Na resistente a TTX (llamado PN3 o específico de neuronas sensoriales, SNS), podría desempeñar un papel fundamental en los estados de dolor
persistente, como dolor neuropático y dolor inflamatorio crónico.
Otra proteína de los canales iónicos que está implicada en la nocicepción es el receptor de la adenosina trifosfato (ATP). Se sabe que el AT P d e s p o l a r i z a
las neuronas sensoriales, y la liberación de AT P p o r
parte del tejido dañado puede aumentar la activación
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de los nociceptores (11). Entre los diferentes miembros que componen la subfamilia de receptores del
AT P llamada P2X se ha clonado y caracterizado el
receptor P2X 3 y se ha demostrado mediante hibridación in situ que se localiza en neuronas nociceptivas
de pequeño tamaño. Considerando la localización
anatómica de este canal y el efecto algésico del AT P,
se ha sugerido que el canal P2X 3 podría mediar la activación provocada por el AT P de pequeñas neuronas
nociceptivas (l2).
MÉTODOS GENÉTICOS EN FARMACOLOGÍA
Las herramientas moleculares utilizadas para la
investigación farmacológica consisten en manipulaciones genéticas, especialmente mutaciones nulas o
“bloqueos” que eliminan ligandos específicos o sus
receptores. Los ratones con bloqueos génicos son
útiles para estudiar la contribución de determinadas
moléculas a la nocicepción. Estudios de ratones con
deleciones de los genes de los receptores opiáceos
han arrojado nueva luz no sólo sobre el funcionamiento de los opiáceos, sino también sobre la heterogeneidad de los receptores opiáceos y sus interacciones, así como sobre la participación de los distintos
componentes del sistema opiáceo (l3,l4). La deleción
de los genes de los receptores nicotínicos ha sugerido la posibilidad de que esos receptores intervengan
en el procesamiento nociceptivo (l5). Estudios de ratones con deleciones de genes que codifican diferentes neurotrofinas y sus receptores, han facilitado información crítica sobre la aparición del fenotipo
nociceptor y la plasticidad neuronal después de una
lesión (l6-l8). Los ratones con una deleción del gen
correspondiente a la molécula del segundo mensajero, la proteína quinasa C (PKC) gamma, exhiben
unas respuestas intactas al dolor agudo, pero menor
alodinia térmica y mecánica después de sufrir daños
neurológicos. La alodinia anormal de estos ratones
con bloqueo génico sugiere por primera vez que la
PKC gamma presente en la sustancia gelatinosa que
existe entre las neuronas es fundamental para el proceso de sensibilización central después de una lesión
nerviosa (l9). Estos resultados ilustran la capacidad
de la manipulación genética para identificar o confirmar el papel que desempeñan determinadas moléculas o sus receptores en la nocicepción.
Por el contrario, observaciones recientes en ratones con bloqueo génico que carecían de la sustancia
P (SP) o su receptor (NKl) han dado resultados inesperados (20-22). Curiosamente, algunos ratones con
supresión de SP o NK1 mostraban una hipersensibili-
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dad mecánica intacta con inflamación. Otras contradicciones observadas entre los ratones con mutaciones nulas para SP y NK1 fueron las diferencias en
placas calentadas, fijación con ácido acético y prueba de la formalina. El método del bloqueo génico es
susceptible a una serie de factores de confusión como el enmascaramiento del fenotipo por mecanismos
compensatorios que aparecen ya en el útero y durante el inicio de la vida postnatal. Las técnicas de bloqueo específicas de un tejido que manipulan la expresión de los genes en neuronas sensibles, pero no
en otras células, o los bloqueos inducibles que ejercen sus efectos una vez completado el desarrollo, son
mejoras técnicas introducidas para reducir al mínimo
esos factores de confusión.
Los ratones transgénicos que carecen de sustancia
P o su receptor han dado resultados sorpre n d e n t e s .
UN CONOCIMIENTO MÁS PROFUNDO
DE LOS MECANISMOS DEL DOLOR
El conocimiento de los mecanismos del dolor mejora con independencia del nivel de análisis, no sólo
gracias a la identificación de nuevas moléculas utilizando las técnicas que se describían antes, sino también por los nuevos conocimientos adquiridos sobre
la función de moléculas cuya presencia ya se conocía
después de producirse inflamación de los tejidos o
lesiones neurológicas (23).
1. F a c t o res de transcripción y moléculas de se gundo mensajero.
El factor de transcripción que más se ha investigado en las neuronas del asta dorsal es el gen c - f o s.
Desde el descubrimiento de Hunt (24) de que los estímulos dolorosos inducen la expresión de c - f o s e n
las neuronas del asta dorsal, muchos estudios han
utilizado la expresión de FOS (el producto proteico
de dicho gen) como marcador molecular de la actividad neuronal. Además, en las neuronas del asta dorsal se ha observado la fosforilación de la proteína
que se une al elemento sensible al A M P c í c l i c o
(CREB) (25), así como proteínas quinasas reguladas
por señales extracelulares (ERK) (26) unos minutos
después de aplicar el estímulo periférico doloroso.
2. F a c t o res neurotróficos (neuro t ro f i n a s ).
Numerosos estudios han proporcionado claras evidencias de que las neurotrofinas pueden desempeñar
funciones críticas para el desarrollo de los sistemas
sensoriales y la plasticidad neuronal. Hace poco se
ha descubierto que los nociceptores pueden dividirse
en dos grandes clases (27). Una clase de neuronas
nociceptoras, que contienen receptores trkA, sustan-
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cia P y péptido relacionado con el gen de la calcitonina (CGRP), está regulada por el factor de crecimiento de los nervios (NGF). Una segunda clase de
neuronas nociceptoras contiene receptores c - re t, tiene capacidad de unión a IB4 y está regulada por el
factor neurotrófico derivado de las células gliales
(GDNF). La función de los nociceptores regulados
por GDNF como objetivos potenciales de los nuevos
analgésicos en pacientes con dolor agudo y crónico
está siendo actualmente objeto de estudio.
Un hallazgo sorprendente es que un tipo de neurotrofina, el factor neurotrófico derivado del cerebro
(BDNF), es un neuromodulador en las neuronas nociceptivas de pequeño diámetro (28). Se ha observado
que el BDNF se produce en las neuronas del GRD, se
libera en las terminales centrales de las neuronas aferentes primarias, y modula la excitabilidad post-sináptica. El BDNF puede ser modulado por NGF en
nociceptores que expresan trkA y sustancia P.
3. Citocinas y dolor inflamatorio.
Las citocinas proinflamatorias, entre ellas los factores de necrosis tumoral y las interleucinas (TNF-α,
I L - l -β, IL-6, IL-8, etc.), aumentan la actividad en las
rutas nociceptivas (29). Estas sustancias pueden causar indirectamente sensibilización al activar la liberación de otras citocinas y mediadores clásicos de la
hiperalgesia, como prostanoides, aminas simpatomiméticas, endotelina o glutamato. La sensibilización
neuronal de las citocinas ocurre centralmente y también en la periferia. Las citocinas antiinflamatorias
IL-4, IL-10, IL-3, etc.) liberadas por diferentes tipos
de células durante la inflamación pueden inhibir la
liberación de citocinas proinflamatorias y reducir la
-2
expresión de ciclooxigenasa (COX) .
4. Aspectos moleculares del sistema opiáceo.
Los métodos de biología molecular han aportado
conceptos nuevos e importantes sobre las acciones de
los opiáceos mu y delta. Recientes investigaciones
han identificado nueve exones que ocupan más de
200 kilobases en el gen del receptor de opiáceos mu
-1
( M O R ) (30). Los receptores delta parecen estar implicados en la aparición de tolerancia a la morfina
(31). La farmacología de la orfanina FQ (OFQ)/nociceptina, el ligando endógeno de la sustancia ORL1 similar al receptor de opiáceos, es compleja, tanto potenciando como inhibiendo la señal nociceptiva (32).
Los péptidos activos identificados recientemente a
partir del precursor OFQ/nociceptina, OFQ/2 y nocistatina, son también interesantes porque la nocistatina
contrarresta la acción de la nociceptina (33).
5. Mecanismos preclínicos del dolor neuro p á t i c o .
Los mecanismos del dolor neuropático que entran en
juego después de una lesión neurológica periférica
B I O L O G Í A MOLECULAR DEL DOLOR: ¿TIENE ALGÚN INTERÉS CLÍNICO?
han sido ampliamente estudiados (34). Algunos modelos de dolor neuropático utilizan una lesión neurológica parcial, después de la cual las neuronas aferentes intactas trasmiten señales sensoriales a la
médula espinal y las neuronas aferentes divididas generan actividad aferente ectópica. Después de una lesión neurológica clínica, las fibras A -β que son activadas normalmente por contacto con la luz pueden
transmitir información nociceptiva. En estudios animales (35,36), algunas neuronas del GRD con fibras
A -β comienzan a expresar SP/CGRP después de una
lesión. Las neuronas divididas del GRD muestran
también una mayor expresión de SP/CGRP (37) que
puede estar regulada por el NGF. Estas respuestas
compensatorias en el dolor neuropático se han relacionado con “mecanismos de seguridad contra fallos” (38).
6. R e o rganización estructural en el dolor neuro p á t i c o.
A principios de los años noventa, dos importantes
trabajos demostraron el rápido crecimiento de los
nervios centrales después de sufrir una lesión neurológica periférica. En un artículo se decía que las fibras A -β se extienden de la lámina III a la lámina II,
una zona normalmente ocupada sólo por la fibras C
nociceptivas, y luego establecen contacto sináptico
con las neuronas de esa región (39). Esta reorg a n i z ación podría explicar la alodinia producida por la estimulación A -β normalmente inocua después de una
lesión neurológica (40). Un segundo artículo describía la división simpática alrededor de las grandes
neuronas en el GRD después de una lesión neurológica periférica (40). Este hallazgo confirma que las
neuronas eferentes y sensoriales del sistema simpático pueden acoplarse funcionalmente después de una
lesión neurológica.
7. Nuevas rutas de transmisión del dolor.
Hace poco se demostró que las neuronas postsinápticas de la columna dorsal y las rutas del lemnisco medio trasmiten sensaciones de dolor visceral
(4l,42). El estímulo doloroso procedente de las vísceras provoca la hiperexcitabilidad de las neuronas
de la columna dorsal que, a su vez, desencadenan la
actividad de las neuronas ventroposterolaterales
(VPL) en el tálamo. Los estudios correlativos de
conducta en animales con lesiones en la columna
dorsal respaldan el concepto de la columna dorsal
como ruta del dolor visceral.
La activación de la columna dorsal después de una
lesión se ha descrito también en los modelos de dolor
neuropático. Los núcleos de las neuronas de la columna dorsal son hiperexcitables y exhiben unas propiedades electrofisiológicas muy alteradas en anima-
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les con patología neuropática comparado con los animales intactos (43). El análisis de la actividad V P L
sugiere que las señales nociceptivas de la periferia
pueden transferir su ruta aferente del tracto espinotalámico (TET) a la columna dorsal (44).
OBJETIVOS DE LOS ESTUDIOS DE BIOLOGÍA
MOLECULAR
Resumen
1. G e n e s.
La biología molecular ofrece un potente medio de
averiguar cómo la expresión alterada de los genes
controla las adaptaciones neuronales a la inflamación
y a los daños en tejidos o nervios. La demostración de
la importancia de los nuevos genes identificados depende de que se conozca su función. Al aproximarse
el final del proyecto del genoma humano, es posible
que se descubran “nuevos” genes implicados en dolencias específicas o enfermedades asociadas a dolor
crónico. Los recientes descubrimientos sobre los determinantes genéticos de las diferencias individuales
en el dolor y la analgesia tienen un gran interés (45).
Otra posible aplicación de la biología molecular
es el control del dolor por medio de la transferencia
génica. La terapia génica puede corregir defectos genéticos mediante la reposición o sustitución del gen
defectuoso por una copia funcional nueva. Los estudios que exploran la terapia génica para el control
del dolor no han hecho más que empezar (46). En un
futuro próximo es posible que la terapia génica basada en secuencias de sentido opuesto o la inserción de
material genético en las neuronas de la médula espinal por medio de vectores víricos, empiecen a tener
una aplicación clínica.
2. P roductos génicos.
Muchas de las moléculas y mecanismos del dolor
que se describen en este artículo podrían llegar a
cambiar la terapia clínica. El reciente avance de la
investigación básica de los canales iónicos en los nociceptores de las neuronas sensoriales podría llevar
al desarrollo de nuevos analgésicos (38). Receptores
de aminoácidos, neuropéptidos, factores de crecimiento, catecolaminas, citocinas, etc., serán también
objetivos de los nuevos agentes terapéuticos. En el
último seminario del Congreso Mundial sobre el Dolor de la IASP, se propuso una clasificación del dolor
persistente basada en el tipo de mecanismo. Una clasificación así podría ayudar a generar y probar hipótesis para la selección de tratamientos específicos del
d o l o r, incluido el diseño y el desarrollo de fármacos.
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Como resultado, los clínicos podrían contar con herramientas más fiables y apropiadas para la investigación clínica, el diagnóstico y el control del dolor.
16.
17.
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19.
20.
21.
CORRESPONDENCIA:
K. Noguchi
Department of Anatomy and Neuroscience, Hyogo College
of Medicine, Nishinomiya
Hyogo. Japan
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
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33.
34.
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37.
38.
39.
40.
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