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Discurso de la profesora María Cascales Angoso “¿Por qué envejecemos?"


Con motivo de su investidura como Doctora Honoris Causa en Ciencias por la UNED.


Señor Rector Magnífico de la Universidad Nacional de Educación a Distancia

Dignísimas autoridades, Profesoras y Profesores

Señoras y Señores

Quiero que mis primeras palabras sean para manifestar ante todos ustedes mi profundo agradecimiento por el gran honor de recibir en este acto solemne, el Doctorado Honoris Causa por la Universidad Nacional de Educación a Distancia. Este galardón supone para mi un orgullo y una responsabilidad ya que desde este momento, los miembros todos de esta prestigiosa Universidad me reciben como un miembro más, que tiene que seguir colaborando con todo entusiasmo en sus tareas docentes.


Mi agradecimiento de todo corazón a la Profesora Doctora Consuelo Boticario, magnífica y brillante profesora y gran amiga, que ha tenido la generosidad no solo, de hacer mi presentación, donde el afecto de tantos años ha quedado bien patente ante todos ustedes, sino que gracias a ella hoy  recibo con gran satisfacción esta destacada distinción. Como decía Voltaire “ Toda la grandeza del mundo no vale lo que una buena amiga”
También tengo que dar las gracias al Claustro de esta Universidad, al profesor Senén Durand Alegría, Director del Departamento de Ciencias Analíticas y al profesor Victor Fairen LeLay, Decano de la Facultad de Ciencias, por la amabilidad de su Junta de Gobierno de hacer la propuesta de mi persona a la Universidad.
Por último, mi agradecimiento a mi familia, a mis padres y hermanos a quienes la Doctora Boticario ha recordado de manera entrañable. A mis antiguos doctorandos, a mis compañeros, a mis amigas y a mis amigos. Todos habéis llenado este salón, con el único deseo de acompañarme y felicitarme en este momento tan importante en mi vida.

Introducción

Entre los temas a los que he dedicado gran parte de mis investigaciones, el envejecimiento es uno de ellos. Por eso a la hora de elegir tema para este Discurso, ese ha sido el que he considerado más oportuno: primero, porque es un tema que interesa a todos en mayor o menor grado y segundo, porque la que les habla ya lo ve muy de cerca en su trayectoria vital.
Como Doctora en Farmacia siempre me preocupó el efecto de la edad sobre el metabolismo hepático de los medicamentos. Por eso, son muchos los experimentos programados y realizados con mi grupo  sobre la base que el hepatocito de los mamíferos es muy sensible a los efectos tóxicos de los fármacos, los cuales en determinadas condiciones pueden ser agresivos y producir lesión hepatocelular. Frente a esta lesión, que supone la muerte de células hepáticas, el hígado responde con la regeneración, es decir restaurando la masa inicial del hígado, mediante la proliferación de los hepatocitos. Estos dos procesos lesión y regeneración fueron investigados por una de mis colaboradoras, Nuria Sanz, en ratas jóvenes, adultas y viejas y observamos que en todas las edades, tras una dosis necrogénica de un agente hepatotóxico, el hígado sufría una lesión (pérdida de células) seguida de la regeneración (restauración de las células perdidas). ¿Cuáles fueron los efectos de la edad sobre estos dos procesos? Efectivamente observamos cambios muy significativos: la lesión de mayor intensidad se mostró en el grupo adulto, y la regeneración fue rápida y completa en el grupo joven, algo más lenta y también completa en el adulto y poco detectable en las ratas viejas. Es decir, las células hepáticas de ratas viejas habían perdido gran parte de su capacidad proliferativa necesaria para restaurar la masa hepática destruida por la lesión.

Bases del envejecimiento

Una característica común de la vida en los organismos multicelulares es el progresivo declinar en la eficiencia de una serie de procesos fisiológicos, una vez finalizada la fase reproductora de dicho organismo. Para estudiar la naturaleza de la plétora de mecanismos que intervienen y se asocian en el envejecimiento, se han utilizado muchos modelos y estrategias, pero todos nos hacemos las siguientes preguntas.¿Por qué los organismos sufren un deterioro fisiológico irreversible en la última parte de sus vidas? ¿Por qué los organismos pierden su capacidad de restauración y reparación de los tejidos u óganos?.
La filosofía helenística estaba convencida que el envejecimiento era un truco de la vida para tener más vida. Pasó mucho tiempo hasta que el contenido científico de esta frase antigua llegara a ser descifrable. El deterioro fisiológico del organismo a medida que transcurre la edad presenta una paradoja evolutiva. Si los organismos pueden funcionar bien en la juventud ¿Por qué no lo hacen igual a la vejez? Se han emitido hipótesis evolutivas y no adaptativas por separado, para considerar el proceso aparentemente universal del envejecimiento. La hipótesis evolutiva predice que la tasa de envejecimiento se eleva y la supervivencia disminuye en proporción directa a  como se eleva la tasa de mortalidad extrínseca. También, la tasa de envejecimiento es mayor en aquellos organismos cuya fecundidad no se mantiene elevada después de la madurez reproductora. Las teorías puramente fisiológicas del envejecimiento no predicen ninguna relación entre la mortalidad extrínseca, la fecundidad dependiente de la edad y la tasa de envejecimiento. Además se establece una asociación entre la esperanza de vida y la tasa metabólica, por lo cual los organismos con tasas metabólicas más bajas han de tener mayor expectativa de vida.

Es importante anotar que las hipótesis evolutivas no contradicen que los mecanismos próximos, tales como las lesiones al DNA sean responsables del envejecimiento. Ellas solo predicen que la selección natural ha de actuar sobre estos mecanismos próximos. Por ejemplo, ante una tasa menor de mortalidad extrínseca ha de disminuir la frecuencia de expresión de los genes tardíos que reducen la eficiencia de la reparación del DNA y por consiguiente causan mayor lesión al DNA. Es un hecho demostrado que la evolución de los insectos sociables como las termitas y las abejas, se asocia con un incremento de 100 veces en la máxima longevidad. Tal incremento se debe a teorías evolutivas porque estos insectos viven en colonias fuertemente defendidas de los depredadores y en ellas no existe asociación entre la tasa de mortalidad extrínseca y la esperanza de vida.
Otra forma de definir el envejecimiento es la de describir sus consecuencias: (a) casi todas las funciones fisiológicas pierden progresivamente eficacia y vigor; (b) la mayoría de los órganos vitales sufren fenómenos de atrofia o degeneración, especialmente detectable en aquellos que contienen células postmitóticas, neuronas, células musculares, células hepáticas, etc.; (c) se registra un progresivo aumento de la sensibilidad a traumatismos, infecciones y fármacos, unido a un funcionamiento anormal del sistema inmunitario y (d) aumenta el riesgo a enfermedades degenerativas y cáncer.
El envejecimiento es un proceso complejo biológico universal que se detecta a nivel morfológico, bioquímico y funcional,  tanto en células aisladas como en órgano entero,  que termina con la muerte. Las teorías postuladas sobre el envejecimiento son muchas y tienen su origen en el estudio de los cambios que se suceden o de los cambios que se acumulan a lo largo de la vida. La teoría que ha alcanzado más adeptos entre la comunidad científica por la solidez de sus argumentos y por haber sido ampliamente comprobada, fue propuesta por Harman en 1956, y es la que responsabiliza a los radicales libres de oxígeno de las alteraciones oxidativas típicas de la edad avanzada y de la mayor parte de las alteraciones celulares que ocurren en el envejecimiento. Esta teoría se dirigió, posteriormente, hacia la generación de especies reactivas de oxí- geno por la mitocondria y trata de explicar el fenómeno de la senectud por medio del estrés oxidativo. Es decir, el envejecimiento aparece a medida que el organismo acumula lesiones oxidativas.
Aunque se desconocen las bases moleculares del declinar fisiológico progresivo e irreversible característico de la senectud, se han postulado una serie de mecanismos para explicarlo. Este estos se incluye: el acúmulo de lesiones en la molécula del DNA que conllevan a una inestabilidad genómica; alteraciones epigenéticas que conducen a modificaciones en la expresión genética; acortamiento de los telómeros en células replicativas; lesión oxidativa en macromoléculas críticas;  y glicación, no enzimática, de proteínas de cadena larga. También el envejecimiento se caracteriza por un incremento exponencial de las proteínas lesionadas por oxidación.

Envejecimiento y estrés oxidativo


La utilización del oxígeno por los organismos aerobios, en condiciones normales, genera metabolitos reactivos de este elemento que pueden ocasionar un estado de estrés oxidativo, en el caso en el que se altere el equilibrio prooxidante/antioxidante de la célula. La intensidad del daño oxidativo se eleva a medida que un organismo envejece y se ha postulado que en ello radica la causa principal de la senectud. En favor de esta hipótesis se alegan las observaciones siguientes:


• La superexpresión de los enzimas antioxidantes retrasa el daño oxidativo y amplia el período vital.
• La longevidad de las diferentes especies es inversamente proporcional a la velocidad de generación mitocondrial de especies reactivas de oxígeno
• La restricción calórica de la ingesta aminora las lesiones oxidativas, retarda los cambios asociados a la edad y amplia la expectativa de vida.
 

La hipótesis que suscribe que la acumulación de daño oxidativo es la causa principal responsable del envejecimiento, se basa en el hecho de que el oxígeno es  potencialmente tóxico y su uso por los organismos aerobios, aunque necesario para su supervivencia inmediata, puede llegar a ser peligroso a lo largo de su existencia. El fenómeno de la toxicidad del oxígeno, referido como la paradoja de la aerobiosis, es inherente a su estructura atómica. El oxígeno molecular es un biradical que tras la adición secuencial de cuatro electrones y cuatro protones en la cadena de transporte electrónico mitocondrial (Figura 1), genera agua. En este proceso, en el que se produce gran cantidad de energía (ATP), pueden también generarse, como subproductos, moléculas parcialmente reducidas con uno, dos y tres electrones. Estas son, el radical superóxido, el peróxido de hidrógeno y el radical hidroxilo, respectivamente, que se denominan especies reactivas de oxígeno y causan lesiones oxidativas a las macromoléculas celulares (lípidos, proteínas y DNA). Las lesiones se manifiestan como peroxidación de los lípidos insaturados de las membranas, modificaciones en el DNA (alteración de bases, roturas de las cadenas, intercambios entre las cromatidas hermanas, etc.), cruzamientos entre las proteínas y el DNA, carbonilación proteica y pérdida de los grupos SH- de las proteínas, etc.


Figura 1.- Generación de especies reactivas de oxígeno por la cadena de transporte electrónico mitocondrial.

En condiciones normales se estima que el 2 % del oxígeno consumido por una célula aerobia se diversifica hacia la generación de especies reactivas. Una célula típica de rata, como el hepatocito, puede sufrir en su DNA unas105 agresiones por día con estas especies. La presencia de los productos resultantes de las interacciones de las especies reactivas con las macromoléculas celulares ha llevado al convencimiento de que las defensas antioxidantes no son totalmente eficientes, que las células se encuentran sometidas a situaciones crónicas de estrés oxidativo y que el envejecimiento es una consecuencia de la acumulación del daño oxidativo. De todo lo anterior se deduce que la hipótesis oxidativa del envejecimiento se basa en el progresivo e irreversible incremento de la lesión oxidativa molecular.
La velocidad de generación de especies reactivas de oxígeno in vivo, es hoy fácil evaluar mediante técnicas de citometría de flujo. Con estos medios experimentales se ha observado en hígado de ratas, que el estado de los pares redox tienden hacia valores más oxidados a medida que transcurre la edad, así como los niveles de peroxidación de lípidos y de oxidación de  proteínas. El estrés oxidativo se detecta  por el incremento exponencial de la carbonilación de las proteínas, pérdida de sus grupos SH, pérdida del glutation, elevación de la concentración de productos que reaccionan con el ácido tiobarbitúrico y por la pérdida de la actividad catalítica de determinados enzimas. La concentración de 8-hidroxiguanosina, un indicador del daño oxidativo al DNA, se incrementa progresivamente durante el envejecimiento. De tales estudios se deduce que el daño oxidativo molecular es ubicuo, sustancial y se eleva exponencialmente con la edad.
La situación de estrés oxidativo en el envejecimiento puede estar ligada a tres factores diferentes: elevación del ritmo de generación de especies reactivas de oxígeno; disminución de las defensas oxidativas, y menor eficiencia en la reparación o eliminación de las moléculas lesionadas.

Generación de especies activas de oxígeno por la mitocondria. A medida que transcurre la edad se eleva el ritmo de generación de especies reactivas de oxígeno por la mitocondria, la fuente principal de su producción. La mayor producción de estas especies inflige lesión en la membrana interna de las mitocondrias, lo cual por un mecanismo de retroregulación positiva induce un incremento en la generación de especies reactivas.
El principal productor de radicales de oxígeno en los organismos aerobios es la mitocondria, el orgánulo celular que, en condiciones normales, utiliza aproximadamente  el 98% del O2 que ingresa en la célula reduciéndolo a agua a nivel del citocromo a3 de la cadena de transporte de electrones. Como se muestra en la Figura 1 una pequeña parte del O2 incorporado por la mitocondria, sufre una reducción monovalente y genera especies reactivas de oxígeno, tales como el radical superóxido (O2), el peróxido de hidrógeno (H2O2), y radical hidroxilo (•OH), llegando a una producción diaria de 3 x 107 O2/mitocondria/día. Por tanto, al ser las mitocondrias la fuente más importante de especies reactivas de oxígeno, es obvio que el DNA mitocondrial se encuentra más expuesto que el DNA nuclear a sufrir lesiones oxidativas severas que pueden conducir a mutaciones y supresiones en su propia cadena. (Figura 2).
Las mutaciones y  supresiones en el DNA mitocondrial son hoy el punto de mira de muchos gerontólogos, ya que el hecho de que se acumulen con la edad, hace pensar que las mitocondrias juegan un importante papel en las alteraciones propias del envejecimiento. Si las mitocondrias poseen un genoma lesionado ello puede influir en los propios componentes de la cadena de transporte electrónico, disminuyendo su eficacia en el proceso de reducción tetravalente del oxígeno molecular y en la producción del ATP. Por un lado, la menor producción de energía afectaría la función celular, y por otro, la alteración en la cadena de transporte electrónico elevaría la velocidad de generación de las especies reactivas de oxígeno. En este caso, la alteración localizada se agravaría al ocasionar la posterior lesión del DNA mitocondrial. La susceptibilidad del DNA mitocondrial a la agresión oxidativa es mayor que la del DNA nuclear, por encontrarse más cercano a la fuente de especies reactivas de oxígeno y carecer de histonas protectoras. Esto unido a que es más compacto y codifica todo, hace que la hipersensibilidad del DNA mitocondrial se asocie con la inestabilidad genómica que se observa en un número de enfermedades neurodegenerativas. La velocidad de mutación del DNA mitocondrial se ha estimado que es 16 veces superior que la del núcleo.



Figura 2. Expectativa de vida en relación con la generación mitocondrial de ROS (especies reactivas de oxígeno) y lesión al DNA (Barja y Herrero 2000)

La lesión oxidativa al DNA mitocondrial en animales viejos se acusa más en cerebro que en otros órganos como el hígado. Esto indica que las mitocondrias del cerebro se encuentran más expuestas a situaciones de estrés oxidativo. Una de las razones que explica en parte la mayor susceptibilidad a la oxidación de las células del cerebro es  que los niveles de glutation en este órgano son mucho más bajos que en hígado, lo que puede contribuir a que las neuronas se encuentren más desprotegidas frente e la agresión oxidativa.
Aunque es la mitocondria la principal responsable de la generación de las especies reactivas de oxígeno, éstas también se producen en otros orgánulos celulares, como los peroxisomas, donde la aminoácido oxidasa, la acil-CoA oxidasa y la urato oxidasa generan H2O2, o el retículo endoplásmico, donde el citocromo P-450 cataliza reacciones de monooxigenación con producción de radical superóxido y peróxido de hidrógeno por mecanismos dependientes de NADPH. Tanto el radical superóxido como el peróxido de hidrógeno no poseen una elevada reactividad frente a las macromoléculas, sin embargo, en presencia de ciertos complejos de metales de transición, como el hierro o el cobre pueden reaccionar entre si (reacción de Fenton o Harber-Weiss) y dar lugar al radical hidroxilo (.OH) que posee una elevada reactividad. Otras vías de formación del radical hidroxilo son a través del peroxinitrito, producto de reaccionar el radical superóxido con el óxido nítrico y mediante la acción de radiaciones ionizantes sobre el agua (Figura 3).
La generación de estas sustancias prooxidantes se encuentra controlada mediante mecanismos celulares de defensa antioxidantes, reductores o secuestrantes que se ubican de manera estratégica en los diferentes orgánulos subcelulares. En el caso de que estos mecanismos lleguen a ser insuficientes para contrarrestar la excesiva producción de especies reactivas, se originan alteraciones celulares que conducen al estrés oxidativo, que puede llegar a afectar de manera irreversible la viabilidad celular y la funcionalidad del órgano. Bien conocida es la lesión oxidativa producida sobre el DNA por el .OH. Del mismo modo, se originan lesiones oxidativas en los lípidos y en las proteínas. Además, con la edad se producen cambios en la estructura molecular de los enzimas debido a errores en la traducción y en la conformación de su molécula a nivel de racemización de aminoácidos, desaminación, glicosilación, oxidación, etc.
A medida que transcurre la edad se incrementan las lesiones oxidativas al DNA (evaluadas por la concentración de 8-hidroxiguanina), disminuyen los niveles de ácidos grasos poliinsaturados, se producen transcripciones anómalas, descienden los complejos I y IV de la cadena de transporte electrónico (complejos codificados por el DNA mitocondrial a diferencia de los II y III codificados por el DNA nuclear) y se produce una pérdida de la producción de energía, con el consiguiente incremento en los niveles de oxidantes al reaccionar los grupos carbonilos de las proteínas oxidadas con grupos amino libres.
El papel de la lesión oxidativa a nivel de las proteínas en el envejecimiento celular se hace aparente  en las formas inactivas o menos activas de algunos enzimas. Las modificaciones post-traduccionales son en gran parte las responsables de la acumulación de estas proteínas inactivas. La lesión oxidativa  se verifica de manera selectiva en ciertas proteínas mitocondriales. Se ha descrito que la aconitasa mitocondrial, un enzima del ciclo tricarboxílico, es un objetivo específico de sufrir la oxidación durante el envejecimiento.
Las membranas mitocondriales al ser ricas en ácidos grasos altamente insaturados son muy susceptibles a sufrir peroxidación lipídica. De hecho, en especies más longevas se ha demostrado que poseen una proporción menor de ácidos grasos insaturados de 4 o más dobles enlaces por sustitución del araquidónico por el linoleico, lo cual influye en la funcionalidad de la cadena de transporte de electrones y en la disminución de la producción de radicales libres. Además la velocidad del proceso del envejecimiento puede depender de la sensibilidad de los lípidos mitocondriales para sufrir la oxidación. El análisis de la fracción de lípidos de las mitocondrias hepáticas de varias especies de mamíferos ha revelado que el número total de dobles enlaces y el índice de peroxidación de los lípidos de las membranas mitocondriales se relacionan inversamente con la longevidad. En el envejecimiento tiene lugar un ciclo vicioso en la mitocondria: el incremento en la lipoperoxidación unido a la modificación oxidativa de las proteínas, eleva el daño oxidativo y las mutaciones en el DNA mitocondrial. Los enzimas de la cadena respiratoria que contienen las subunidades proteicas codificadas por el DNA mitocondrial lesionado, elevan la generación de especies reactivas de oxígeno, las cuales, a su vez, agravan el daño oxidativo en la propia mitocondria.

Sistemas de defensa antioxidante
Para mantener la integridad celular, una serie de  sistemas de defensa antioxidante, ubicados de manera estratégica en distintos orgánulos subcelulares, actúan concertadamente con aquellos mecanismos responsables de los procesos reparadores de las macromoléculas lesionadas por oxidación (Figura 3). El anión superóxido y el peróxido de hidrógeno se convierten en especies inertes por la acción sucesiva de la superóxido dismutasa (SOD), la catalasa y la glutation peroxidasa (GPX). La superóxido dismutasa cataliza la dismutación del anión superóxido a peróxido de hidrógeno: La catalasa reacciona con el peróxido de hidrógeno y genera agua y la glutation peroxidasa cataliza la oxidación del glutation reducido a glutation oxidado a expensas del H2O2 o de peróxidos orgánicos. La eficiente funcionalidad de estos mecanismos defensivos necesita la actividad concertada de los enzimas individuales. Así, la superoxido dismutasa, la catalasa y la glutation peroxidasa actúan de manera coordinada en los estados prooxidantes celulares. Para mantener la integridad celular, estos sistemas han de coordinarse con los  sistemas celulares responsables de la reparación de las moléculas lesionadas por oxidación.
Entre los antioxidantes no enzimáticos de procedendencia endógena el más importante es el glutation reducido (GSH), tripéptido compuesto por "Y- glutamilo, cisteína y glicocola. Es el tiol de bajo peso molecular más abundante en la mayoría de células de mamíferos. La concentración intracelular de GSH en hígado en condiciones normales fluctua entre 5 y 10 mM y en el estado redox normal de la célula, menos de un 5% del glutation total existe en su forma oxidada (GSSG). El hígado es el órgano que se caracteriza por su elevada capacidad de sintetizar glutation a través de la vía de la cistationina, cuya misión es generar cisteína a partir de   metionina la dieta. En hígado existen dos reservorios de glutation: el citosólico y el mitocondrial. El glutation citosólico se encuentra sometido a un intenso recambio, mientras que el glutation mitocondrial no.
La pérdida de  GSH inducida por  agentes químicos, favorece la peroxidación lipídica y la lesión celular. El GSH actúa principalmente sobre el
H2O2 generado en el curso de la biotransformación  de xenobióticos y otras vías y como coenzima de la glutation peroxidasa. También el GSH se utiliza como sustrato por la glutation-S-transferasa para la conjugación y eliminación de xenobióticos. El GSH reacciona también con el radical hidroxilo (•OH), la fuente más importante de lesión debida a radicales libres de oxígeno. El declinar de la concentración de GSH con la edad se debe a un incremento en la tasa de oxidación o a una disminución en el recambio del GSH  resultante de  mayor utilización/degradación y/o de una menor biosíntesis del GSH. Es importante mantener elevado el cociente GSH/GSSG para prevenir la secuela de acontecimientos que lleva consigo la pérdida de los grupos tiólicos celulares y otras alteraciones como, peroxidación lipídica, alteraciones en la homeostasis del calcio, etc. A este respecto, la continuada generación de GSH, a partir del GSSG, por acción de la glutation reductasa en presencia de equivalentes reductores, en forma de NADPH, es esencial para preservar la integridad celular.
La vitamina E es el antioxidante exógeno liposoluble más ampliamente distribuído en la naturaleza, tanto en el reino vegetal como en el animal. El atocoferol  es el isómero mejor conocido  y  el que posee la actividad antioxidante más potente. Debido a la propiedad lipofílica de la molécula de a-tocoferol, la vitamina E interrumpe la reacción en cadena de los radicales en el medio liposoluble, por ejemplo, en las lipoproteínas plasmáticas. Elevadas concentraciones de  atocoferol  se  encuentran en glándulas adrenales, corazón, testículos e hígado. En el interior de la célula, esta vitamina se asocia con membranas ricas en lípidos, como la mitocondria y el retículo endoplásmico, de manera que su acción antioxidante es efectiva ya que evita la lipoperoxidación de las membranas al reaccionar con los radicales peroxilo y alcoxilo.
Otra defensa antioxidante muy efectiva, es la restricción calorica de la ingesta, ya que el menor consumo de alimentos va a proporcionar un menor número de electrones, que tienen que ser procesados por la mitocondria a través de la cadena de transporte electrónico. El descenso programado de la dieta al aminorar la generación de especies reactivas de oxígeno por la mitocondria, se presenta como uno de los medios antioxidantes más efectivos que aseguran una buena salud e incluso prolongan la vida. Existen evidencias que demuestran el efecto de esta restricción sobre animales de experimentación. En todos ellos se ha observado una progresión más lenta del envejecimiento, un retraso en la aparición de los efectos no deseables y un aumento de la esperanza de vida.
Es, por tanto, la lesión oxidativa que se acumula en las macromoleculas a lo largo de la vida, la responsable de una gran parte de los efectos adversos de la senectud. En hepatocitos de ratas senescentes la tasa de generación de ROS es más elevada que en los de ratas jóvenes, de tal manera que las defensas antioxidantes se encuentran en situación de no poder hacer frente a ellas, lo que conduce al estrés oxidativo. En un estudio previo en  nuestro laboratorio se ha descrito que el retraso en la reparación o una reparación incompleta de las macromoléculas oxidadas de los hepatocitos de las ratas viejas, es la causa de la menor respuesta proliferativa post-necrótica en esas células. Esta menor respuesta retrasa la regeneración hepatocelular y la restauración de la funcionalidad hepática e incrementa el riesgo de la toxicidad de los fármacos debido a la incompleta restauración de los sistemas encargados de su metabolismo.


Figura 3. Mecanismos de defensa antioxidante enzimáticos: Superóxido dismutasa (SOD), catalasa, glutation peroxidasa (GPX ), y no enzimáticos: Glutation (GSH/GSSG reducido/oxidado), Selenio (Se) vitamina E, L-cis- teína, etc.

Expectativa de vida y longevidad máxima entre las especies.
Hay que distinguir entre longevidad media de la población, expectativa de vida o supervivencia de cada individuo y la longevidad máxima referida a la especie. La longevidad media ha aumentado considerablemente a lo largo de los tiempos (curvas de supervivencia). La longevidad máxima depende de los genes de cada especie, mientras que la expectativa de vida de cada individuo depende también de los factores ambientales. La longevidad máxima no varía y es aquel punto donde caen todas las curvas, y en la especie humana se cifra en 125 años. No hay pruebas de que haya aumentado la longevidad máxima en humanos. El avance cultural ha ampliado la supervivencia, pero no ha desacelerado la intensidad del fenómeno intrínseco del envejecimiento. Esta intensidad es tanto más lenta cuanto más vive un animal.
Se define como potencial de energía vital al número de calorías transformadas por Kg de peso corporal durante la vida. Este parámetro es muy variable entre las especies; es mayor en animales de pequeño tamaño corporal y elevada tasa metabólica. Por otro lado, a igualdad de tamaño corporal existen diferencias muy notables en el potencial de longevidad máxima entre los diferentes vertebrados. Así, la esperanza de vida y la longevidad máxima son mucho mayores en las aves que en los mamíferos. Por ejemplo, si se compa- ran las palomas con las ratas, con un peso corporal similar, las palomas pueden vivir 35 años, mientras que las ratas sólo 4 años. Diversos estudios del grupo de Barja et al., de la Facultad de Biología de la Universidad Complutense, han investigado estos problemas y han encontrado que el consumo de oxígeno por la mitocondria resulta ser similar en palomas y en ratas, pero la generación de especies reactivas de oxígeno es menor en las palomas. A igual consumo de oxígeno, la paloma genera menos radicales de oxígeno, con lo que su DNA mitocondrial resulta menos lesionado y puede ser reparado más eficazmente (Figura 2).
Estos estudios comparativos entre especies de vertebrados con muy diferente expectativa de vida, han demostrado que los niveles constitutivos de antioxidantes endógenos se relacionan de manera negativa con dicha expectativa, lo cual indica que a mayor producción de especies reactivas de oxígeno por la mitocondria menor expectativa de vida. Además, el ritmo metabólico basal se relaciona con el envejecimiento y con el período de máxima longevidad. La explicación de este comportamiento diferente entre paloma y rata tienen su base en que en las palomas, a igual consumo de oxígeno, la generación de ROS es menor (Figura 2) y que las membranas mitocondriales de las palomas son menos sensibles a la lipoperoxidación. Lo primero no está claro aún, pero se atribuye a un distinto comportamiento en el funcionamiento de la cadena electrónica mitocondrial. Lo segundo se debe a que los lípidos integrantes de las membranas son menos insaturados en las palomas y esto hace que sean menos sensibles a la lipoperoxidación. En las palomas es más bajo el contenido en ácidos grasos altamente insaturados (docosahexanoico, 22:6n-3 y ara- quidónico, 20:4n-6). Por tanto, un bajo grado de insaturación lipídica es una característica general de animales longevos homeotermos. También se ha observado que las membranas mitocondriales de las palomas son menos permeables a los protones y que la lesión oxidativa al DNA mitocondrial se relaciona inversamente con el máximo periodo vital. También se ha detectado en aves menor glicosilación en las proteínas y en acumulación de productos terminales de glicosilación avanzada (AGE).

Envejecimiento y cáncer. Telómeros y telomerasa
En la mayoría de las células somáticas de los tejidos normales, la pérdida de la capacidad replicativa, que conlleva a la senescencia celular, se debe al acortamiento de los telómeros asociado con la ausencia de la actividad telomerasa. Los telómeros y la telomerasa presentan un gran interés a la hora de encontrar explicación, no sólo a los cambios relacionados con el envejecimiento, sino también a los relativos al cáncer. Son numerosas las alteraciones en la expresión genética que afectan a la diferente capacidad de las células para dividirse y que se encuentran implicadas en los mecanismos que conducen, tanto al envejecimiento como al cáncer.
Las células somáticas de los mamíferos poseen una limitada capacidad de dividirse en cultivo, debido al acortamiento en los telómeros, la porción terminal de los cromosomas lineales. El acortamiento telomérico origina cambios transcripcionales que conllevan a la silenciación de genes subteloméricos y es causa de la inestabilidad cromosómica de la senescencia. Los telómeros son secuencias de hexanucleótidos (TTAGGG), ubicadas  en los extremos de los cromosomas lineales del núcleo, las cuales son esenciales para el mantenimiento de la estabilidad cromosómica. La telomerasa es una ribonucleoproteína denominada transferasa telómerterminal, requerida para la síntesis de la repetición telomérica, cuya porción RNA se utiliza como molde para añadir, mediante retrotranscripción, secuencias teloméricas de novo a los extremos de los telómeros. La telomerasa se expresa sólo en células germinales y en células transformadas. La pérdida progresiva de los extremos teloméricos de los cromosomas durante el envejecimiento, puede inducir señales antiproliferativas que conduzcan a un estado de senescencia celular o replicativa. La replicación de los telómeros presenta un dilema especial denominado “problema de la replicación terminal”, ya que en la división celular, los telómeros de las células somáticas normales no pueden replicarse en su totalidad por el complejo DNA polimerasa y esto se debe a la diferencia en la replicación de las dos cadenas del DNA, la conductora y la rezagada. Para resolver este problema la mayoría de las células eucariotas utilizan la telomerasa, enzima que alarga los extremos 3´ de los cromosomas que se van a replicar.
Entre las diferentes alteraciónes típicas del envejecimiento, que conducen a la inestabilidad genética, el acortamiento de los telómeros representa uno de los cambios estructurales más importantes. Se ha detectado una disminución en la longitud de los telómeros en células procedentes de individuos de edad elevada y en cultivos celulares senescentes, lo que indica que el acortamiento telomérico se considera un marcador del envejecimiento.
El interés por los telómeros relativo a los procesos de senescencia e inmortalidad se basa en que  el envejecimiento supone la  pérdida de la capacidad replicativa celular, y la inmortalidad la ganancia de un potencial replicativo ilimitado. La importancia de la relación entre envejecimiento e inmortalidad se encuentra reforzada por el hecho que una elevada proporción de células tumorales expresan actividad telomerasa, mientras que la mayor parte de células somáticas normales muestran una  ausencia casi total de esta actividad.
De acuerdo con la teoría evolutiva del soma desechable, los mecanismos antienvejecimiento y los anticáncer han adaptado sus respectivas fuerzas a la expectativa de vida natural de cada especie y de esta manera estos mecanismos aseguran que la mayoría de los individuos estarán libres de cáncer y de envejecimiento en tanto en que sean útiles o beneficiosos para sus especies.
Si comparamos mamíferos de corta expectativa de vida, tal como los ratones y los de larga vida como los humanos, está claro que los humanos tienen una protección frente al cáncer y unos mecanismos antienvejecimiento más rigurosos que los ratones. Por tanto, es importante destacar que unos y otros mecanismos han evolucionado en paralelo y se acomodan a la expectativa de vida natural de las especies.
Sin embargo, la evolución de la protección al cáncer y al envejecimiento tiene raíces más profundas que la simple adaptación en paralelo de los dos procesos independientes. Recientes investigaciones revelan la existencia de mecanismos convergentes que proporcionan simultáneamente resistencia al cáncer y resistencia al envejecimiento, y mecanismos divergentes que proporcionan protección contra el cáncer, pero favorecen el envejecimiento. Los mecanismos convergentes actúan en común sobre la generación y acumulación de lesión celular. La lesión celular es el origen, tanto del envejecimiento como del cáncer. Por lo tanto, aquellos mecanismos que previenen la lesión celular proporcionan protección anticáncer y antenvejecimiento. Entre estos mecanismos están los que mejoran la eficiencia del consumo de energía, disminuyendo la generación de especies reactivas de oxígeno, consideradas la fuente principal de daño endógeno,  y la proteína p53, el principal sensor del daño al DNA, que desencadena las respuestas de defensa y reparación. Existen evidencias experimentales que indican que aquellos mecanismos o intervenciones que disminuyen la generación de las especies reactivas de oxígeno y promueven la actividad de p53 convergen en proporcionar protección frente al cáncer y al envejecimiento. Sin embargo, se han descubierto mecanismos divergentes que ejercen efectos opuestos sobre el envejecimiento y el cáncer, evitando específicamente el cáncer, pero promoviendo el envejecimiento. Estos mecanismos incluyen el acortamiento de los telómeros y la desrrepresión del locus INK4a/ARF. El propósito de estos mecanismos es prevenir la proliferación celular excesiva lo cual supone una protección frente al cáncer, mientras que la regeneración a largo plazo y la longevidad se encuentran limitadas.
 

Envejecimiento, células madre y factores sistémicos. ¿Medicina regenerativa?
Los numerosos estudios que se llevan a cabo en la actualidad en células madre han proporcionado suficientes argumentos que muestran un futuro prometedor en tratamientos para paliar o evitar los efectos adversos del envejecimiento. Estos tratamientos pueden ser de gran utilidad y eficacia en la reparación de tejidos lesionados, en el tratamiento de enfermedades degenerativas y en general para prevenir la disminución de las funciones de la edad avanzada. Es importante investigar si el envejecimiento es la causa o la consecuencia de las alteraciones en las células madre.
En mamíferos, las células madre residen en muchos tejidos adultos donde producen continuamente nuevas células en los que tienen un elevado recambio (sangre, piel e intestino) o sirven como reservorio para el reemplazo celular gradual y reparación en los que poseen células con recambio más bajo (hígado cerebro y músculo). Es un hecho reconocido que la funcionalidad de las células madre, como la de otras células, decrece con la edad, pero hay que conocer hasta que grado los trastornos de la edad afectan la función reparadora y renovadora de las células madre.
La menor capacidad regeneradora y renovadora en la mayoría de los tejidos, debido al envejecimiento, se debe a una combinación de cambios, que son los que van a impedir que dichas células madre ejerzan su función y participen en el mantenimiento y reparación de los tejidos. En el músculo esquelético adulto, donde las células madre residentes, denominadas células satélite, son capaces de regenerar de manera rápida y efectiva el tejido muscular en respuesta a cualquier lesión, existe una progresiva y ostensible pérdida del potencial regenerativo en animales a medida que transcurre la edad. La activación de las células satélite y la determinación del destino celular se encuentran controlados por una vía señalizadora, la vía NOTCH cuya actividad se desencadena mediante la unión con su ligando Delta, cuya expresión se inicia de manera rápida en respuesta a cualquier lesión. En músculo de animales viejos la expresión del factor Delta está notablemente disminuida lo cual va a afectar en gran manera al funcionamiento de la vía señalizadora NOTCH y con ello al potencial regenerativo de las células satélites. Experimentos de Convoy y Rando (2005) han demostrado, que si se induce indirectamente la actividad de la vía NOTCH se puede restaurar la capacidad regenerativa de las células satélite. Esta inducción se ha conseguido mediante la exposición de las células satélite de ratones viejos a suero de ratones jóvenes, bien in vivo por emparejamiento parabiótico heterocrónico (circulación compartida) de un ratón viejo con un ratón joven, o in vitro, mediante la adición al medio de cultivo de células de ratón viejo, de suero de ratones jóvenes. De esta manera se ha observado que algún componente del suero de animales jóvenes activa la vía señalizadora NOTCH y con ello la respuesta proliferativa de las células satélite, y se consigue un rejuvenecimiento del animal viejo o de las células en cultivo procedentes de animales viejos, a expensas del plasma de ratones jóvenes. Estos resultados han llevado a la conclusión que el potencial regenerativo persiste en las células satélite, las cuales a pesar del envejecimiento no han perdido su capacidad de participar en el mantenimiento y reparación del tejido muscular, capacidad que recuperan al contacto con factores séricos presentes en el animal joven y que se han ido perdiendo por efecto del envejecimiento. Por tanto, el que las células madre de animales muy viejos sean capaces ejercer su misión de mantenimiento y reparación de los tejidos de animales viejos y mantengan  su  capacidad  regeneradora intrínseca, lo  proporciona  un  medio ambiente óptimo. Así, se ha demostrado que la capacidad regeneradora intrínseca de las células madre musculares puede ser restaurada forzando la activación de la vía señalizadora  NOTCH.
Otros experimentos han puesto de manifiesto, que el descenso en la renovación del tejido muscular con la edad se asocia con un incremento en fibrosis tisular y esto se debe a que las células madre musculares o células satélite de  animales viejos, tienden a transformarse en linaje fibrogénico. Basándose en esta observación Brack et al., han observado que este cambio está mediado por factores en el ambiente sistémico de los propios animales viejos y se asocia con la activación de la vía señalizadora  Wnt, activación que puede ser suprimida por inhibidores de Wnt. Además, componentes del suero de los animales viejos que se unen a los receptores de WNT, la familia de proteínas Frizzled, pueden ser la causa de la mayor de la señalización de la vía activada por Wnt. Estos resultados indican que en la transformación de las células satélites, dependiente de la edad, juega un papel crítico la vía señalizadora Wnt.
Como se comentó anteriormente, el declinar del potencial regenerativo en hígado con la edad ha sido demostrado por experimentos de Nuria Sanz, en mi grupo, que fueron motivo de su Tesis Doctoral, en el proceso de regeneración hepatocelular postnecrótica inducida por efecto de fármacos. Sobre la base de este declinar del potencial regenerativo hepático, el grupo de Conboy ha observado que la menor proliferación de las células progenitoras hepáticas (el propio hepatocito), se debe a la formación de un complejo formado entre la proteína de unión a CCAAT (cEBPa) y el factor remodelador de la cromatina Brm. Para examinar la influencia de los factores sistémicos sobre el hepatocito, estos autores realizaron el experimento de la parabiósis heterocrónica, antes citado, exponiendo ratones viejos a factores presentes en suero de ratones jóvenes. También en este caso se elevó la proliferación de los hepatocitos y se restauró el complejo cEBP/Brm a los niveles presentes en ratones jóvenes.
Estos resultados en hígado, y los anteriores en músculo esquelético indican que el declinar de la actividad proliferativa de las células progenitoras se modula por factores sistémicos que cambian con la edad.
Los experimentos antes citados demuestran la existencia de factores en suero capaces de modular las vías señalizadoras  críticas para la activación de las células madre tisulares y que el medio ambiente sistémico de un animal joven posee esos factores que son los que promueven la activación del potencial proliferativo de las células madre, mientras que el de los animales viejos al carecer de ellos fracasa. Es importante identificar los factores que ejercen tal influencia crítica sobre las células madre adultas específicas de los tejidos, ya que las células madre de animales viejos retienen su potencial proliferativo intrínseco. Son los cambios en el medio ambiente sistémico del nicho en el que las células madre residen, los que evitan o entorpecen la activación de esas células para la renovación y regeneración tisular.
En los estudios anteriores se encuentran las bases de la Medicina Regenerativa frente al envejecimiento. Las células madre (células satélite o hepatocitos) no han sufrido merma alguna en su capacidad proliferativa intrínseca, es el ambiente que las rodea el que resulta afectado por el envejecimiento, ya que se ha demostrado en un caso, que el suero carece de algún factor necesario para su activación, y en el otro, que se produce algún factor que las modifica. Encontrar esos factores en el medio ambiente sistémico es lo que se tiene que conseguir para paliar los efectos adversos de la edad avanzada. Esta parte de la medicina se refiere a nuevas terapias para el reemplazo o restauración de las células perdidas, lesionadas o envejecidas en el organismo, y ha de explorar de qué manera se mantiene latente la actividad intrínseca de proliferación celular de las células madre adultas específica de los tejidos.

MicroRNA (miRNA), transducción de señales y Medicina Preventiva
Hasta la fecha se han investigado muy poco los acontecimientos celulares de los sistemas biológicos regulados por acción de los miRNA, relacionados con el envejecimiento. Sin embargo, el estudio del control que ejercen los miRNA en la senectud parece enormemente prometedor.  Boehm y  Slack (2005) han encontrado en el gusano C. elegans, que reduciendo la actividad del miRNA lin-4 se disminuye la expectativa de vida y viceversa. Además, ha demostrado también que lin-4 regula la vía señalizadora IGF (factor de crecimiento insulínico), vía esencial para determinar la expectativa de vida.  Este estudio proporciona una base para futuros trabajos encaminados al conocimiento de los cambios en la expresión de otro micro RNA let-7, también relacionado con la senectud, ya que se ha demostrado que muchos miRNA pueden ser esenciales para prevenir las enfermedades típicas del envejecimiento. Un ejemplo de tal propuesta ha sido ya realizado por Ibañez-Ventoso et al. (2006), quienes, de los 114 miRNA  identificados  alrededor de 50 muestran cambios de expresión (disminución) que se inician a partir de la mediana edad. Los objetivos de estos 50 miRNA incluyen la vía de la insulina, la determinación de la longevidad y la función muscular.
En una sociedad que está experimentando un acelerado incremento de la población envejecida, es de urgente necesidad dirigirse a los problemas del envejecimiento con nuevas estrategias que traten de detectarlos y combatirlos en estado previos e incipientes para evitar los efectos de la vejez que van a ser causa del desarrollo de enfermedades. Se está intentando llamar la atención respecto a que ya en la madurez comienzan a iniciarse síntomas relativos a la disminución de la salud celular, que puede implicar un cambio programático universal o específico en el sistema del control de la señalización. Este declinar, en etapas previas a la senectud, aunque todavía subclínico y asintomático, puede precipitar a un riesgo incrementado de enfermedades en el último período de la vida. El control en los inicios del declinar celular, puede estar gobernado por este grupo de especies moleculares, de reciente descubrimiento, los miRNAs, pequeños RNA de unos 22 nucleótidos. Los miRNA por ellos mismos no codifican proteínas, pero regulan negativamente la expresión de determinados genes, bien degradando su mensaje o inhibiendo su traducción por unión a su región 3´no traducible (UTR). Así, la posible alteración de estos reguladores negativos de la expresión genética, en etapas previas a la edad avanzada, puede ser una llamada de atención a la alteración molecular en la señalización celular individual, que en un momento ha de conducir a una amplia disfunción tisular. Un reto para futuras investigaciones es identificar estos miRNA con el objeto de desarrollar terapias para combatir los primeros signos de los efectos de la senectud, lo que supone una clase de medicina, la medicina preventiva, que puede aminorar o retrasar el riesgo de enfermedades de la vejez. Esta medicina preventiva ha de añadir una mayor calidad de vida a la senectud lo cual ha de tener gran repercusión a nivel social y económico.
Es un hecho frecuentemente ignorado, que la mayoría de los problemas dependientes de la edad tienen sus comienzos en la edad madura. Estos comienzos se pueden detectar  en células individuales o en pequeños grupos de células sin manifestaciones fenotípicas apreciables. Sin embargo, estos inicios funcionan a modo de semillas implantadas que se desarrollarán posteriormente en la vejez. La medicina preventiva tiene que estudiar el envejecimiento desde un nuevo punto de vista tratando de resolver los problemas al principio y no al final. Los rápidos avances científicos en el campo del envejecimiento, como también los progresos recientes en la biología de las células madre, cicatrización de las heridas, regeneración hepática y muscular, defensa frente a la infección, biología de los microRNA y los avances tecnológicos en genómica, proteómica nanotecnología etc, suponen un gran apoyo y muestran que con este arsenal científico, los estudios sobre el envejecimiento pueden emplear estrategias de intervención y tomar medidas predictivas y preventivas, para evitar en lo posible aquellas terribles enfermedades degenerativas de la senectud.

Conclusiones
En el pasado siglo, la longevidad media de la población se ha elevado de manera notable, merced a los avances en la salud pública, al disminuir las enfermedades infecciosas, y proporcionar mejores tratamientos a las enfermedades crónicas y a las enfermedades asociadas genéticamente. En España el promedio de esperanza de vida se ha elevado desde los 58 hasta los  80 años. En los últimos 30 años, muchos de estos logros se han conseguido retrasando la mortalidad del cáncer y de las enfermedades del corazón, cerebro. Aunque se puede argüir que el incremento en la esperanza de vida y en las enfermedades dependientes de la edad son asuntos separados, ya que la mayoría de individuos con 70 y más años  disfrutan de una vida sana e independiente, los países desarrollados soportan todavía un alto costo debido a las elevadas necesidades de la población que sufre los trastornos del envejecimiento. El futuro próximo nos ha de brindar nuevas formas de terapia regenerativa y preventiva, que proporcionaran mayor calidad de vida en la población de edad avanzada.

He dicho.

Madrid, enero 2008