Caracterización del desarrollo neuronal, astrocitario y microglial

Desarrollo de
poblaciones neuronales y gliales

Cada una de las características estructurales y
funcionales que se manifiestan en la madurez del sistema
nervioso, dependen de las diferentes relaciones e interconexiones
de células neuronales y no neuronales, que se establecen
durante el desarrollo embrionario y postnatal (Kandel, Schwartz,
& Jessell, 2001).

El desarrollo cerebral, inicialmente involucra la
generación de neuronas y glía a partir de la zona
ventricular del tubo neural, de origen ectodérmico del
embrión en estadio de gástrula (Kandel, et al.,
2001; Kuijpers & Hoogenraad, 2011; Laminga et al., 2000). la
zona ventricular da lugar a las células progenitoras, las
cuales tienen la capacidad de dividirse, produciendo finalmente
células definidas incapaces de dividirse, denominadas
neuroblastos y glioblastos, que se convierten a su vez en
neuronas y glía respectivamente (Kolb & Whishaw,
2002).

La formación del complejo sistema nervioso,
requiere procesos coordinados para llegar finalmente a la madurez
(Kuijpers & Hoogenraad, 2011). Estos procesos, comprenden la
generación celular (neurogenesis y gliogenesis), la
migración de los precursores a través de
células gliales radiales desde la zona ventricular hasta
la zona cortical, la maduración neuronal con la
extensión de dendritas y axones necesarios para las
sinapsis, el desarrollo sináptico, la muerte celular y la
formación de mielina (Freeman, 2006; Kolb & Whishaw,
2002).

Al generarse diferenciación de las células
progenitoras en neuronas estas migran a diferentes partes durante
el desarrollo cerebral para organizarse en diversas estructuras y
de esta manera ocupar sus posición final, una vez
establecidas ellas extienden unas estructuras llamadas
filopodios, ricos en actina, que posteriormente darán
lugar a las neuritas. Finalmente estas neuritas desarrollan
largos axones y dendritas para que las neuronas maduras puedan
realizar el proceso de sinapsis (Kuijpers & Hoogenraad,
2011).

A pesar de los conocimientos básicos del
desarrollo de células neuro gliales Son pocos los estudios
que se han realizado sobre el desarrollo integral y la
interrelación neuronal – glial, siendo importante
caracterizar los aspectos poblacionales, de supervivencia,
morfológicos y de distribución, de tal forma que
permitan profundizar en el análisis del desarrollo
integrado de las células nerviosas encefálicas en
etapa postnatal en donde seguramente participan diversas
sustancias sintetizadas por estas células, como respuesta
a dicho proceso de desarrollo.

Tipos
celulares

De acuerdo a lo anterior, en la mayor parte de las
regiones del sistema nervioso las células precursoras se
convierten en glía y neuronas; de hecho, el número
de células gliales supera sustancialmente al de las
neuronas (Cimadevilla, Garcia Moreno, Gonzalez Pardo, Zahonero,
& Arias, 1997). La mayoría de las células no
neuronales son de tipo glial, las cuales durante el desarrollo no
son simples espectadoras pasivas, sino que ejercen un importante
papel como moduladoras del neurodesarrollo, incluyendo la
mielinización por parte de los oligodendrocitos y las
células de schwann, el soporte otorgado por los
astrocitos, la migración a través de la glía
radial, la regulación del numero de neuronas y las
conexiones entre células que favorecen la
maduración funcional del sistema nervioso (Colognato &
ffrench-Constant, 2004; Freeman, 2006).

Por otra parte, los procesos involucrados en el
desarrollo cerebral, en los que se generan diferentes tipos
celulares a partir de células madre neurales en
común, definen la proliferación y la especificidad
de estas poblaciones celulares mediante la activación de
genes intrínsecos, que se expresan en proteínas
para producir células neuronales o gliales; sin embargo,
también es necesaria la presencia de factores
extrínsecos para la diferenciación celular como los
factores neurotróficos (Fabienne, Pierre, Salaun,
deLapeyrière, & Pascale, 2008 ; Kolb & Whishaw,
2002; Verkhratskya, Parpurac, & Rodríguez, 2011 ) que
son proteínas sintetizadas para garantizar la
supervivencia en diferentes estadios del desarrollo de las
células neuronales y juegan un papel crítico en la
inducción, especificación, supervivencia y
maduración neuronal. Ciertos factores neurotróficos
también actúan en el cerebro adulto, para soportar
y proteger las poblaciones celulares maduras (Sullivan &
Toulouse, 2011). Los proteoglicanos y los miembros de la familia
de la IL-6 y las citoquinas por su parte, han demostrado un papel
central en el desarrollo del sistema nervioso, como moduladores
de la proliferación, la diferenciación y la
migración celular, así como en el crecimiento
axonal y la formación de sinapsis (Araujo et al., 2010;
Fabienne, et al., 2008 ).

Todos los procesos mencionados anteriormente, tienen
lugar en un curso temporal a través del cual el sistema
nervioso se desarrolla para obtener finalmente las poblaciones
neuronales y gliales que definen las funciones cerebrales. En los
mamíferos, las células madre neurales pueden dar
lugar a ambos tipos de células, neuronas y glía;
sin embargo, la neurogenesis se completa casi inmediatamente
después del nacimiento, mientras que la gliogenesis
permaneces activa y evoluciona durante el periodo postnatal
(Sizonenko, Camma, Dayer, & Kiss, 2008). En roedores, las
neuronas se generan durante el estadio embrionario, día 12
a 18 (E12 – E18); sin embargo, las células gliales
empiezan a aparecer alrededor del día E18 y se prolonga a
través del periodo postnatal (Miller & Gauthier, 2007
; Viktorin, Riebli, Popkova, Giangrande, & Reichert,
2011).

Para poder comprender los cambios morfológicos y
funcionales de las células nerviosas en desarrollo y la
interrelación de las mismas en un microambiente integrado,
se requiere por lo tanto de establecer modelos bajo condiciones
controladas de cocultivo, de tal manera que sea factible,
práctico y aplicable el conocer la respuesta celular tanto
de las neuronas como de las células gliales a diverso
tiempos de desarrollo postnatal.

Cocultivos neuro –
gliales

Los cultivos celulares aislados o simples, se han
establecido como una importante herramienta de
investigación en diversos campos de la biomedicina y como
alternativa fundamental para reemplazar o reducir el
número de animales de experimentación; sin embargo,
la finalidad de establecer un cultivo in vitro radica en
garantizar en lo posible la obtención de condiciones
similares a las del desarrollo postnatal in
vivo.

Además estos cultivos neuronales puros o simples,
han sido utilizados en diversos estudios considerando sus
ventajas en investigación, incluyendo las respuestas
celulares específicas. Sin embargo los cocultivos, tienen
la importante característica de desarrollar varios tipos
celulares, permitiendo la interacción entre ellos y la
reproducción de condiciones más acordes con la
fisiología de las células y la influencia mutua
entre ellas (Stoppelkamp, Riedel, & Platt, 2010). De este
modo, los cocultivos o cultivos mixtos no se separan
físicamente ni tampoco están influenciados por
ningún inhibidor celular, por lo que todas las
células se mantienen bajo las mismas condiciones
(Majumdar, Gaob, Li, & Webb, 2011).

Los cocultivos se establecen al día 2 post natal,
debido a que en esta etapa del desarrollo se produce una
interacción esencial entre las neuronas y las
células de la glía; la glía, empieza su
desarrollo en una etapa más tardía que las
células neuronales, siendo los astrocitos quienes empiezan
a conformar las condiciones necesarias para el crecimiento de las
neuritas (Deumens et al., 2004; Mena, Davila, & Suizer, 1997
). Se ha establecido que en cultivos neuronales aislados, el
porcentaje de astrocitos está alrededor al 2% y la
microglia al 3%, en tanto en cultivos mixtos (cocultivos), los
astrocitos deben corresponder a un 7% y la microglia aun 5%
aproximadamente (Perez Capote, Serratosa, & Solá,
2004).

Sin embargo la mayoría de estudios relacionados
con cultivos mixtos, se centran en el efecto de sustancias
tóxicas y fármacos sobre la supervivencia neuronal,
pero no se fundamentan en la interrelación entre neuronas
y otros linajes como las células de la glía, las
cuales cumplen diversas funciones en pro del mantenimiento de la
homeostasis cerebral.

El trabajo con cultivo celular mixto de neuronas,
astrocitos y microglía o cocultivo, también
facilitará la observación y seguimiento del
desarrollo neuroglial en función del tiempo y de los
cambios del microambiente tanto naturales como inducidos por
causas exógenas. Se pretende por lo tanto, establecer
condiciones de cocultivo como alternativa a los modelos in
vivo que pudiesen ser reproducibles para estudios de
desarrollo, neurotoxicidad, neurodegeneración, plasticidad
y como base para el avance en el conocimiento de las enfermedades
neurodegenerativas.

Interacción
entre neuronas y células gliales

Se atribuye la función de
señalización y comunicación a las neuronas,
mientras que la glía se destaca como el soporte de
nutrientes, andamio y control homeostático del tejido
nervioso; sin embargo, otras investigaciones han fortalecido el
concepto acerca de las interacciones neuro-gliales y por
consiguiente el desempeño de cada una en el sistema
nervioso integrado (Stoppelkamp, et al., 2010).

Las células neuronales son consideras la unidad
motora funcional y fisiológica del sistema nervioso, pero
estas están acompañadas por un grupo de
células a las cuales inicialmente se les denomino
neuroglia y que posteriormente se caracterizaron como
células de la glía en cada uno de sus tipos,
astrocitos, oligodendrocitos y microglia (Pascual,
Gonzales-Llanos, Cerdan, Carceller, & Roda, 2000).

Los astrocitos son considerados tradicionalmente como el
soporte neuronal; sin embargo, una alteración en su
interacción con las neuronas, puede afectar directamente
la funcionalidad de estas últimas por diversos mecanismos.
La dinámica de los astrocitos tiene como principio, su
asociación a las dendritas, al soma neuronal y en los
sitios pre y postsinápticos. Además de los
astrocitos, la microglía también interactúa
con las células neuronales; aunque, este tipo celular
tiene una función primordial como células de
carácter inmuno protector. Son células que se
desarrollan a partir de células hematopoyéticas,
por lo que se consideran el componente inmunológico del
sistema nervioso central (SNC); la microglía, al igual que
los astrocitos liberan sustancias capaces de activar las neuronas
y demás células gliales (MILLIGAN, MAIER, &
WATKINS, 2003).

Un ejemplo de interacción entre células
neuronales y células gliales es que estas ultimas regulan
el numero de neuronas en estadios tempranos del desarrollo, de
forma dinámica e influyendo directamente en las divisiones
de los precursores neuronales (Freeman, 2006). Por tanto el
incremento de la población glial con el desarrollo
postnatal se puede observar en la maduración o
diferenciación de las estructuras cerebrales. Dado que las
células gliales tienen una importancia crucial en el
proceso de sinapsis tales como su papel en la recaptación
de neurotransmisores liberados en la hendidura sináptica,
y el papel de la oligodendroglia en la mielinización de
los axones (Cimadevilla, et al., 1997).

Correlación
celular en cocultivos

La mayoría de investigaciones han evaluado estos
cambios solo en cultivos aislados o simples de neuronas,
inhibiendo o bloqueando el crecimiento de cualquier otro linaje
que no fuese neuronal, lo cual dificulta la comprensión de
las condiciones naturales de integralidad neuroglial durante el
desarrollo postnatal del sistema nervioso central.

Diversos estudios han demostrado, que en cocultivos de
neuronas y células gliales hay una correlación
entre la activación de la glía por medio de
lipopolisacaridos (LPS) y la protección neuronal; de
acuerdo a esto, se ha observado que en estos cultivos mixtos de
neuronas y glía, la neurotoxicidad por glutamato es mas
baja que en cultivos neuronales puros a diferentes
concentraciones (Perez Capote, et al., 2004), por lo cual, los
cocultivos no responden de la misma manera que los cultivos
celulares específicos. Es tal la interacción
neurona-glia que en otras investigaciones se ha establecido que
factores de crecimiento celular, pueden decaer fuertemente en un
cultivo mixto, afectando la transcripción de genes
específicos, de modo que el contacto establecido entre
neuronas, astrocitos y microglía puede actuar controlando
la expresión de ciertos genes en estos tipos celulares
(Pennypacker, Hong, Mullis, Hudson, & McMillian, 1996
).

Aunque los cocultivos celulares han sido utilizados en
diversos estudios de neuroprotección y toxicidad, poco se
ha profundizado con relación a la importante
interrelación de neuronas y células de glía
a nivel fisiológico, siendo la interacción de estas
células un aspecto mucho más complejo que el simple
contacto físico. Un ejemplo de ello es que durante el
desarrollo de la neuroglia las células gliales promueven
la supervivencia neuronal a través de la liberación
de factores neurotróficos, como el factor de crecimiento
epidermal (EGF), el factor de crecimiento derivado de la
glía (GDNF) y la activación de genes
específicos(Verkhratskya A, Parpurac V, & J., 2011 ).
La mayoría de los estudios realizados hasta la fecha, se
centran en el análisis de los efectos de diversas
sustancias sobre las células del sistema nervioso, sin
tener en cuenta el tiempo específico del desarrollo
neuroglial, siendo quizás éste un aspecto
fundamental que determina la respuesta celular.

Actualmente, el uso de los cultivos primarios como
método alternativo para la obtención de datos
cualificables y cuantificables en neurociencia, ha ganado gran
relevancia por la facilidad en el control de las condiciones
experimentales, la reproducibilidad de los métodos y los
tiempos relativamente cortos de experimentación; sin
embargo, a pesar de las ventajas relativas de los cultivos
simples ya sea de neuronas o de astrocitos que siguen un
comportamiento dependiente del tipo celular, la evaluación
del desarrollo neuroglial bajo condiciones de cocultivo o
cultivos mixtos, es fundamental cuando se pretende determinar la
interrelación entre las neuronas y otras células no
neuronales del sistema nervioso central.

Muchos de los reportes científicos relacionados
con cultivos mixtos, se centran en el efecto de diversas
sustancias sobre la supervivencia neuronal; sin embargo, no
parten del conocimiento necesariamente básico de la
interrelación entre neuronas y de éstas con otras
líneas celulares como las células de la
glía, las cuales cumplen diversas funciones en pro del
mantenimiento de la homeostasis cerebral.

Finalmente para poder comprender los cambios
morfológicos y funcionales de las células nerviosas
en desarrollo y la interrelación de las mismas en un
microambiente integrado, se requiere por lo tanto de establecer
modelos bajo condiciones controladas de cocultivo, de tal manera
que sea factible, práctico y aplicable el conocer la
respuesta celular tanto de las neuronas como de las
células gliales a diverso tiempos de desarrollo
postnatal.

El estudio de diversos aspectos de desarrollo in
vitro, permitirá afianzar el conocimiento de la
biología celular en cuanto a la participación y
coparticipación de las células macrogliales y
microgliales sobre las neuronas en condiciones basales de cultivo
mixto; lo cual, podrá a su vez constituir una base para
estudios de neurotoxicidad, respuesta inmunológica, de
neuroplasticidad y neuroprotección.

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Autor:

Katterine Del Rosario Ospina
García,

Stephania Parada Giraldo,

Juan Sebastián Solano
Gutiérrez

Estudiantes de Biología

Programa de Biología

Universidad del Tolima

Ibagué-Tolima