Role of lysophosphatidic acid receptors in spinal cord injury physiopathology

Abstract

La médula espinal, la cual constituye una parte vital para el sistema nervioso central (SNC), puede resultar dañada a pesar de estar muy bien protegida por la columna vertebral, dando lugar a importantes consecuencias. La lesión medular provoca una alteración de las redes neuronales que están involucradas en diversas funciones fisiológicas. De hecho, dado que los axones del SNC de mamíferos adultos no pueden regenerarse tras una lesión, y que las células dañadas no pueden ser reparadas, esta patología viene acompañada de una pérdida funcional irreversible para los pacientes afectados. La fisiopatología de la lesión medular se compone de dos fases degenerativas. La fase primaria es consecuencia directa del trauma en la médula, la cual provoca muerte celular, daño axonal y pérdida de mielina. Esta primera fase es sucedida por una secundaria, en la cual se produce un proceso inflamatorio, crucial para el desarrollo de la enfermedad. Aunque la regeneración de los axones dañados y el reemplazo de las neuronas perdidas tras la lesión son objetivos importantes, minimizar el daño secundario a axones, neuronas, mielina y células gliales que sigue al trauma inicial es posiblemente más interesante desde un punto de vista terapéutico. En concreto, la respuesta inflamatoria de esta fase secundaria juega un papel muy importante en la lesión, siendo, por tanto, una buena diana para la búsqueda de una terapia efectiva. Una de las moléculas involucradas en el proceso inflamatorio es el ácido lisofosfatídico (del inglés, LPA), el cual es un lípido bioactivo extracelular que juega un papel importante en diversas funciones fisiológicas. El LPA señaliza a través de seis receptores acoplados a proteína G (LPA1-6), los cuales se clasifican en dos familias: la familia del gen de diferenciación endotelial (del inglés, Edg), que comprende los receptores LPA1-3, y la familia de receptores que no pertenecen a la familia Edg, es decir, Non-Edg (LPA4-6). El LPA se sintetiza a partir de dos vías principales: (i) mediante la acción de la enzima autotaxina (ATX), la cual es la responsable de la síntesis de LPA en plasma, y (ii) mediante la acción de fosfolipasas de tipo de A2 (PLA2), las cuales se encargan de la síntesis en tejido. El LPA juega un papel importante en la fase secundaria de la lesión medular, ya que sus niveles se ven aumentados en el parénquima medular tras el trauma, dando lugar a desmielinización y pérdida de la función locomotora. De hecho, la ausencia de los receptores LPA1 y LPA2 tras la lesión medular mejora la recuperación funcional de los animales y la preservación mielínica en la médula. En esta tesis, revelamos que la activación de los receptores LPA1 y LPA2 microgliales provoca la muerte de los oligodendrocitos. Además, mostramos que los efectos citotóxicos que se desencadenan tras la estimulación de dichos receptores son mediados por la secreción de purinas y la subsecuente activación del receptor P2X7 en oligodendrocitos. Por otro lado, también demostramos que, al contrario de los receptores LPA1 y LPA2, los receptores LPA4 y LPA5 no contribuyen a la fisiopatología de la lesión medular. En el presente trabajo, también mostramos que la inhibición farmacológica de la ATX no tiene ningún efecto en la recuperación funcional ni el daño secundario tras la lesión medular, lo cual sugiere que la fuente principal de LPA en esta patología no es la síntesis en plasma. Además, demostramos que el bloqueo combinado de LPA1 y LPA2 no tiene efectos aditivos en la lesión medular. En general, los resultados de esta tesis sugieren que la inhibición farmacológica del LPA1 y, preferiblemente el LPA2, abren una nueva ventana terapéutica para el tratamiento de la lesión medular

The spinal cord is an extremely vital part of the central nervous system (CNS) and, although it is well protected by the spinal column, it can be damaged, resulting in serious consequences. Spinal cord injury (SCI) leads to a disruption of the neuronal networks that are involved in many physiological functions. Since CNS axons of adult mammals do not regenerate following the lesion, and dead neurons and glial cells are not successfully replaced, this results in an irreversible functional loss in patients suffering from SCI. The pathophysiology of SCI involves two degenerative stages, known as primary and secondary injury. The first one results from the direct mechanical trauma to the spinal cord, directly causing cell death, damage to axons, and loss of myelin. This is followed by a secondary wave of tissue degeneration that can extend for several weeks, in which inflammation plays a crucial role. Although regeneration of damaged axons and replacement of lost neurons and glial cells are important goals for the restoration of the injured spinal cord, minimizing secondary damage to axons, neuronal cell bodies, myelin and glial cells that follows the initial trauma is likely to be more easily amenable to treatment. Since inflammation is a major contribution to secondary damage in SCI, targeting the detrimental actions of this physiological response could result in the development of novel approaches for the treatment of this pathology. Lysophosphatidic acid (LPA) is an extracellular bioactive lipid with many physiological functions. It signals through six known G-protein coupled receptors (LPA1-6), which are classified into two families: Endothelial differentiation family gene (Edg) LPA receptors (LPA1-3) and Non-Edg family gene LPA receptors (LPA4-6). LPA synthesis is carried out by two different pathways: (i) by the action of the enzyme named autotaxin (ATX), which is the main responsible in synthesis of this lipid in plasma, and (ii) by action of the phospholipase A2 (PLA2) family enzymes, which are the main route of LPA synthesis in tissues. LPA is a key trigger of secondary damage after SCI, since its increased levels in the spinal cord parenchyma following injury leads to demyelination. Indeed, the lack of LPA1 and LPA2 signalling after SCI enhances functional recovery and myelin sparing. In this thesis, we show that activation of microglial LPA1 and LPA2 leads to oligodendrocyte cell death. We reveal that the cytotoxic actions underlying by microglial cells stimulated with LPA are mediated by the release of purines and the subsequent activation of P2X7 in oligodendrocytes. We also show that, unlike LPA1 and LPA2, LPA4 and LPA5 receptors do not contribute to SCI physiopathology. In the present thesis, we also show that pharmacological inhibition of ATX does not have any effect in functional outcomes and secondary tissue damage after SCI, suggesting that this enzyme is unlikely to be involved in the production of LPA in the spinal cord parenchyma after injury. We also demonstrate that combinatory targeting of LPA1 and LPA2 does not results in additive effects in SCI. Overall, the results shown here suggest that pharmacological inhibition of LPA1, and preferably LPA2, may open a new therapeutic avenue for the treatment of SCI.