Daño axonal difuso. Importancia de su diagnóstico en neuropatología forense.
Diffuse axonal injury. Diagnostic importance in forensic neuropathology.

JV. Lafuente Sánchez¹

La elaboración de este manuscrito ha sido parcialmente financiada por la ayuda a grupos de la UPV-EHU 15887

Correspondencia: JV. Lafuente. Dpto. Neurociencias. U.P.V. Apdo. 699. 48080-Bilbao. Fax: 94 601 50 55.
E-mail: onplasav@lg.ehu.es.

¹ Departamento de Neurociencias, Universidad del País Vasco, Leioa.

INTRODUCCIÓN:

Los traumatismos cráneo-encefálicos graves cursan a menudo con una perdida prolongada de conciencia. La lesión responsable de estas manifestaciones ha sido identificada con diversos nombres que confluyen actualmente en el concepto de daño axonal difuso (DAD) o "diffuse axonal injury" (DAI) en terminología inglesa (Graham et al, 1993). Mientras que unos especialistas la consideran una lesión primaria que se produce en el momento del trauma otros la interpretan como una lesión secundaria a la hipoxia, edema o daño cerebral secundario (Adams, 1990). La presencia de esferoides o bolas de retracción axonal no tiene por que ser debido exclusivamente a la participación de fuerzas de deslizamiento. Estas fuerzas de tracción inducen otras alteraciones como el daño vascular difuso (DVD), "diffuse vascular injury" (DVI), que conlleva edema, hipoxia-isquemia y cambios metabólicos asociados, lo que puede desempeñar un papel relevante también en el desarrollo del DAD (Kaur et al, 1999).

El daño axonal difuso severo junto con el daño vascular difuso forman parte de lo que se denominaba "daño cerebral difuso traumático por deslizamiento" que se encuentra principalmente en las lesiones de los accidentes de tráfico pero no exclusivamente en ellos (Black & Graham, 2002). Se dan estrechos vínculos entre el DAD de origen traumático y el daño vascular difuso (Pittella & Gusmao, 2003), ambas lesiones pueden ser consecuencia de la acción de las mismas fuerzas, frecuentemente coexisten en tiempo y localización y además el DVD puede contribuir de forma significativa a la progresión del DAD al alterar de forma sustancial el microambiente tisular de las secciones axonales afectadas (Fig. 1). El término DVD se corresponde con la presencia de pequeñas hemorragias o petequias en la sustancia blanca del lóbulo frontal y temporal principalmente, tálamo y tronco cerebral. Su origen suele deberse al estiramiento de los vasos del tejido durante el TCE, los vasos se desplazan de forma diferencial tanto entre la sustancia gris y la sustancia blanca como entre diferentes partes del encéfalo (Ellison et al, 2004).

El DAD se entendía como un síndrome clínico-patológico en el que se asociaba una clínica estuporosa o comatosa, propia de los que sobreviven en estado vegetativo a un TCE, con una importante afectación de los axones por todo el cerebro incluido el tronco cerebral, al demostrarse que puede deberse a etiologías no traumáticas cuando se usa el término como diagnóstico neuropatológico debe indicarse la etiología (Geddes et al, 2000). En un estudio retrospectivo Adams et al (2001) encuentran DAD también en al menos una tercera parte de los pacientes que sobrevivieron con una incapacidad severa.

El daño axonal directamente debido al traumatismo (DAT) puede ir desde la afectación de unos pocos axones dispersos a pequeños focos o incluso focos amplios siendo entonces cuando pasa a denominarse daño axonal difuso de origen traumático.

En los traumatismos craneo-encefálicos las lesiones secundarias son responsables de la mayor parte de las secuelas que se producen. Una parte importante de ellas se deben a la alteración de la membrana citoplásmica.

En las autopsias que requieren un informe en un breve espacio de tiempo, la atención tiende a centrarse en las lesiones obvias: contusiones, laceraciones y hemorragias. Pero algunas de las alteraciones que pueden aportar información sobre la naturaleza de las lesiones son difíciles o imposibles de reconocer en este examen. Incluso retrasando la disección durante las dos o tres semanas que exige una fijación adecuada y después de una disección correcta, el análisis de los hallazgos representa una tarea compleja.

El diagnóstico de DAD puede ser importante en medicina forense, en muchos casos no basta con el muestreo de las regiones más vulnerables para hacer un diagnóstico de certeza requiriéndose un muestreo amplio y sistemático con gran número de bloques (Geddes et al, 1997).

El comportamiento del cráneo y del cerebro durante y después de un golpe viene determinado por las propiedades físicas de ambos y por las leyes del movimiento. El cerebro desde un punto de vista biofísico es una masa de tejido viscoso-elástico que no puede ser comprimida y que carece de rigidez, se encuentra alojado en el cráneo, que es rígido y tiene forma y contornos internos irregulares. Son precisamente éstos, conjuntamente con las dependencias de la duramadre, los que determinan la distribución de las fuerzas que actúan sobre la superficie del cerebro y la distribución de las contusiones. Un movimiento en línea recta (aceleración lineal) induce un escaso desplazamiento relativo entre las diferentes partes del cerebro, de modo que es poco probable que produzca lesiones difusas; mientras que un movimiento de giro (aceleración angular) puede ocasionar un efecto de cizalla. La intensidad y el tipo de lesión cerebral está en relación a la magnitud de la fuerza, el eje de aceleración y la masa del cerebro.

Es más difícil producir una contusión golpeando la cabeza cuando ésta se mantiene fija que cuando se deja libre y puede experimentar un giro. Las lesiones por rotación afectan al cerebro en una secuencia centrípeta, es decir la corteza sufre en los casos leves, a continuación el diencéfalo y finalmente el mesencéfalo. Las lesiones tienden a ser más intensas en la interfase de tejidos que tienen diferentes propiedades físicas, tales como la complianza y la elastancia (p. ej., sustancia blanca y sustancia gris, vasos sanguíneos y cerebro etc.).

La limitación fundamental para la detección del daño axonal radica en el intervalo entre la lesión y la muerte. Independientemente de la causa lo importante es que el tiempo de sobrevivencia sea de más de 3 horas, no encontrando diferencias significativas entre un grupo de TCE y otro de muerte cerebral (Oehmichen et al, 1999). Los cerebros de los niños reaccionan a veces de forma peculiar en los TCE, su vasorregulación, su permeabilidad vascular reacciona en ocasiones de forma muy diferente a la de un adulto y lo mismo ocurre en lo que atañe al DAD. Geddes et al (2001) en un amplio estudio sobre los patrones de lesiones neuropatológicas que se encuentran en los niños que han sufrido malos tratos encuentran diferencias no solo entre niños y adultos sino también entre etapas de la infancia, lo cual no es de extrañar si consideramos el intenso proceso de maduración postnatal que experimenta el cerebro (mielinización, desarrollo de la conectividad, remodelación vascular etc.).

DESARROLLO:

Una gran parte del conocimiento sobre las lesiones cerebrales procede de los experimentos diseñados para estudiar por separado los diversos cambios morfo-funcionales provocados por un traumatismo. Algunos modelos experimentales reproducen fielmente las lesiones que se presentan en la patología humana, aunque las diferencias entre especies limitan su utilidad. Algunas de estas diferencias son físicas, relacionadas con el volumen del cerebro o con la anatomía interna del cráneo. Las fuerzas que se generan tras un impacto dependen en parte de la masa del cerebro y el peso de este en animales de experimentación como el gato, el mono rhesus y el perro es respectivamente del 7, 8 y 12 % del peso del cerebro humano; incluso el del chimpancé es inferior al 30% del cerebro humano. Esta es una de las limitaciones que conlleva la producción de lesiones experimentales. Otras diferencias anatómicas entre especies como el ángulo que forma el tronco-encéfalo con los hemisferios cerebrales rostralmente y con la médula cervical caudalmente, así como la forma y estructura del tentorio, las alas del esfenoides y la hoz del cerebro condicionaba de forma importante la distribución de las fuerzas en el interior de la cavidad craneal y, por tanto, constituye un factor determinante en las lesiones provocadas por dichas fuerzas. Otra variable es el espesor del cráneo y su efecto sobre el grado de deformación que puede producirse localmente, en contraposición a la transmisión de energía al cerebro en su totalidad (Lafuente y Zarranz ,1998).

La contusión cerebral puede ser considerada en cierto sentido como un infarto cerebral, un fenómeno secundario al desgarro traumático de tejido neurovascular (Lafuente, 2004). Estos fenómenos secundarios en la contusión cerebral tienen un efecto importante sobre la extensión de complicaciones neurológicas incapacitantes e irreversibles.

Un número variable de las neuronas situadas en la zona de la lesión primaria mueren inmediatamente tras el trauma. Muchas más se necrosan en las primeras 24 horas, y quizá un número aún mayor de las localizadas en las zonas que no son afectadas directamente por la lesión lo harán en los siguientes 2 a 7 días. Esta ola de muerte neuronal secundaria se produce por una combinación de fenómenos asociados a la lesión que incluyen la axotomía.

DAÑO AXONAL DIFUSO (D.A.D.):

El daño axonal es el foco principal de interés en el estudio de los TCE. La gravedad del cuadro clínico y el pronóstico del DAD depende del número total y localización de axones dañados y de la proporción entre afectados y sanos.

DAD es un diagnóstico histopatológico pero hay indicios macroscópicos que sugieren su presencia como son:

• Lesiones focales (petequias) en el cuerpo calloso o en el cuadrante dorso-lateral del tronco cerebral,
• Hemorragias en la sustancia blanca parasagital,
• Lesiones por deslizamiento entre regiones de diferente composición tisular.
• Los que sobreviven mucho tiempo muestran cerebros con atrofia, ventrículos dilatados, adelgazamiento del cuerpo calloso y borramiento del límite entre cortex y sustancia blanca.

• Sustancia blanca parasagital superior (próxima al cíngulo)
• Cuerpo calloso
• Tractos subcorticales mayores (fornix, capsula interna y externa…)
• Pedúnculos cerebelares superiores
• Tronco cerebral (tracto corticoespinal, lemnisco medial, haz longitudinal medial, tracto tegmental central).

En los últimos años los estudios de Graham, Maxwell y Povlishock han comprobado la secuencia de cambios progresivos que conducen a la degeneración del axón, llegando en último término a la desconexión (axotomía). Esta lesión solo es detectable a nivel microscópico, pero la evidencia histológica aislada de algunos de estos cambios no es suficiente para hablar de la existencia de DAD.

El daño axonal difuso es uno de los rasgos mayores de los traumatismos craneo-encefálicos y está íntimamente asociado con las alteraciones de la membrana citoplásmica del axón (Povlishock & Christman, 1995).

Inmediatamente después del TCE se da una excitación neuronal seguida de una inhibición, con pérdida de consciencia y liberación masiva de iones al medio extracelular. La pérdida de la conducción nerviosa (Kobrine, 1975; Cracco et al, 1985) y los cambios morfológicos en los axones comienzan inmediatamente después de un traumatismo grave. La primera alteración axonal apreciable con medios convencionales es la presencia de "esferoides" o bolas de retracción axonal, masas ovoides eosinófilas y argirófilas (Fig. 2a) que se corresponden ultraestructuralmente con axones localmente dilatados con acúmulo de organelas y desestructuración del citoesqueleto (Fig. 3a).

Estas formaciones son el resultado de la interrupción del transporte axonal y la asociación a todo ello de la hinchazón del axón (Wilkinson et al, 1999). Esta hinchazón podría estar mediada, al igual que en otras células, por aquaporinas, proteinas de membrana especializadas en el transporte de agua, la isoforma P4 está presente en los astrocitos, jugando un papel relevante el la formación y reabsorción del edema (Verkman, 2005), pero en las neuronas y sus prolongaciones son las isoformas 1, 9,11 y 12 las que parece estar más representadas según localizaciones topográficas, hay que profundizar más en el conocimiento de su distribución y significado funcional. Los patrones de degeneración se suceden en un continuum después de la lesión del axón. La degeneración walleriana, que se inicia inmediatamente, se aprecia mejor a distancia de la lesión y tras semanas de producirse ésta.

El estudio de la progresión de las alteraciones axonales y mielínicas precoces en patología humana no es fácil debido al escaso número de casos que se pueden estudiar en fase aguda y subaguda. Tradicionalmente se describe que estos cambios se pueden observar entre 24 y 48 horas tras el traumatismo, si bien algunos autores los han encontrado a las 7 horas de la lesión (Cervós-Navarro & Lafuente, 1991). Con métodos más sensibles, como la inmunohistoquímica frente al péptido beta precursor de amiloide (ß-APP), se pueden localizar a las 3 horas (Oehmichen et al, 1999). La intensidad de la afectación depende tal y como se ha comprobado experimentalmente de la magnitud, del tiempo y del eje de aceleración, con el aumento de fuerza mecánica, la aceleración que experimenta el cerebro causa un mayor deslizamiento. Al principio la tensión no es suficiente para ocasionar daño, después aparece una lesión leve, probablemente debida a cambios reversibles en la membrana y posteriormente al aumentar la tracción se desarrollan formas más severas con lesiones estructurales, llegando a la axotomía.

Esquemáticamente la cronología de los cambios histológicos sería más o menos:

• A partir de las 3 horas tras el TCE podemos detectar acúmulo focal de APP-beta
• A partir de las 7 h., dilataciones axonales con histología convencional (HE)
• A partir de las 24 h., los esferoides axonales también se ponen de manifiesto con impregnaciones argénticas y con inmunohistoquímica para APP-beta, neurofilamentos y ubiquitina (Fig. 2b y 2c).
• A partir de los 5 días, grupos de microglia en las regiones afectadas (Oehmichen et al, 1999)
• A partir de los 2 meses tras la lesión, degeneración Walleriana con pérdida de vainas de mielina y de fibras mielinizadas.

Axotomía primaria:

Aunque la forma principal de reacción axonal lleve a la axotomía secundaria no se puede excluir la participación, sobre todo en los casos mas graves, de axotomías primarias.

En traumatismos severos puede haber axones que presenten una disrupción de su membrana citoplásmica a los pocos minutos del traumatismo lo que sugiere que fue rasgada primariamente en el momento de producirse el traumatismo. Estas alteraciones solo se aprecian en fibras finas o poco mielinizadas, fibras que quizá son más vulnerables al desgarro (Povlishock & Christman, 1995).

Axotomía secundaria:

La alteración del transporte axónico se produce por la desestructuración de los elementos que componen el citoesqueleto, bien primariamente o bien como consecuencia a los cambios en la permeabilidad de la membrana del axón (axolema).

La primera alteración del citoesqueleto la manifiesta la subunidad de 68 Kd de los neurofilamentos que a los 15 min del trauma pierde su alineamiento con el eje del axón (Povlishock et al, 1994). El transporte axónico se efectúa a través de los microtúbulos, entonces se barajan varias posibilidades: a) Que el trauma rompa la red de neurofilamentos que configura el citoesqueleto, b) Que las fuerzas de deslizamiento provoquen una alteración neuroquímica intraaxonal con las mismas consecuencias, o bien c) Que se altere el axolema conduciendo a una disregulación local iónica que cause igualmente el deterioro del transporte axonal. La hiperfosforilación de una de las proteínas asociadas a los microtubulos (tau) conduce, en procesos degenerativos, a la desestructuración de las vías de transporte axónico (formación de filamentos dobles helicoidales) interrumpiendo o dificultando asi el flujo axónico. En los traumatismos la entrada masiva de Ca++ al interior del axón activa las protreasas que cuartean los complejos formados produciendo una disolución del citoesqueleto que confiere el aspecto característico que se aprecia en la microscopía electrónica de acúmulo de organelas y material filamentoso.

Pettus et al (1994) comprueban que en las lesiones leves y moderadas se alteran los neurofilamentos sin constatarse la afectación del axolema, mientras que en traumatismos más graves se obtienen evidencias de la alteración de este. En lesiones severas no se produce un desalineamiento de los neurofilamentos, sino que se compactan permaneciendo estables por unas horas antes de desalinearse. La patobiología de la axotomía secundaria presenta diferentes patrones patogénicos según la gravedad de la agresión. Los traumatismos leves actúan directamente sobre el citoesqueleto mientras que los más graves actúan sobre el axolema, que interactua con el citoesqueleto de forma que modifica la pregresión de los cambios axonales.

La alteración del axolema conduce a la destrucción del citoesqueleto, pero en los casos severos no se encuentra la disolución del citoesqueleto sino su compactación, que retrasa los procesos de degradación. Esta compactación se debe a la pérdida de ramificaciones de los neurofilamentos que podría estar también mediada por la activación de proteasas calcio-dependientes. Povlishock & Christman (1995) han obtenido evidencias de la alteración en primera instancia de una proteína de 150 Kd específica de las ramificaciones de los neurofilamentos.

Graham y Gennarelli (1997) formulan este mecanismo como la formación de poros en la membrana celular producidos por el estiramiento del propio traumatismo. La bicapa lipídica de la membrana se separa transitoriamente de estructuras proteicas que la atraviesan y que son mucho más rígidas que ella, como son los receptores y canales.

Estos poros permiten el paso de moléculas de diverso tamaño entre ellas y el intercambio de iones. Los defectos de la membrana celular se reparan en pocos minutos bien por recuperación de la bicapa lípidica o por un proceso activo de generación de fosfolípidos de membrana (Fig. 3b).

Consecuencias de las lesiones axonales:

La lesión de los axones puede ser debida a la tracción sobre las fibras, a una lesión destructiva en el córtex cerebral o bien a fenómenos secundarios del propio trauma (isquemia, edema, etc.). Toda lesión destructiva conlleva una pérdida de eferencias axonales que secundariamente inducirá una pérdida de vainas de mielina (desmielinización) lo cual se pone de manifiesto histológicamente como palidez de la sustancia blanca. Dicha palidez disminuye a medida que nos alejamos de la lesión. El grado de desmielinización puede llegar a ser tan evidente que recuerde el cuadro que presentan las leucodistrofias.

Tras la axotomía física o funcional el segmento distal queda desconectado de su soma sufriendo una degeneración walleriana, con perdida del segmento axonal distal y de su campo sináptico. Estos terminales degenerados se distinguen bien al microscopio electrónico a las 24 horas por su densidad aumentada y en 72 h desaparecen fagocitados por glía reactiva. Esta desaferenciación contribuye a la morbilidad de los traumatismos, pero es difícil establecer un paralelismo, ya que no se corresponde la cantidad de tejido dañado, muy poco, con la sintomatología presentada. Quizá solo se detecta una pequeña parte de los axones afectados. Tomei et al (1993) refieren alteraciones electrofisiológicas en una gran cantidad de axones de los cuales solo una pequeña parte mostraban alteraciones morfológicas. Esto se comprobó con el modelo experimental de estiramiento del nervio óptico (Genarelli et al 1989 y 1993).

Analizando las implicaciones forense de las lesiones "talk and die", Kibayashi et al (2000) hacen algunas consideraciones sobre la importancia de la distribución topográfica del DAD para manifestar un cuadro determinado, su aspecto evolutivo para explicar el deterioro progresivo y como algunas discrepancias podrían ser debidas simplemente a la facilidad de identificar histológicamente estos cambios en una región anatómica determinada en base a la dirección que siguen las fibras nerviosas en ella.

Tradicionalmente la mejor técnica para observar la degeneración axonal era la impregnación argéntica sobre secciones en parafina. Pero las técnicas inmunohistoquímicas mediante anticuerpos frente a neurofilamentos, ubiquitina o ßAPP han simplificado y hecho más reproducibles los hallazgos. Uno de los antígenos que caracteriza los axones lesionados con gran precisión es la proteína precursora de la ß-amiloide (ß-APP). Solo es positiva en los axones lesionados de forma que nos indica de forma precoz el lugar de la agresión y del deterioro del transporte axonal (Gentleman et al, 1993; Sherriff et al, 1994a). En estudios paralelos entre NF-68 y ß-APP se ve que la segunda es más específica de axones lesionados que NF-68 y además identifica el lugar del esferoide axonal (Sherriff et al, 1994b; Povlishock & Christman, 1995). Gultekin et al (1994) propugnan la tinción con hematoxilina-eosina como el método más sencillo, económico y fiable para poner de manifiesto estas degeneraciones. Morfológicamente se pueden ver dos tipos de lesiones, una con solución de continuidad del axón (axotomía) y otra sin solución de continuidad (daño axonal interno), ambos tipos se intentan reparar siendo más probable que se consiga en la que no tiene solución de continuidad. La naturaleza del daño axonal sin solución de continuidad es mal conocida, por ello son necesarias nuevas investigaciones sobre la microarquitectura y la dinámica del transporte axonal que nos permitan llegar a comprenderla.

CONCLUSIÓN:

La membrana citoplásmica es físicamente la envoltura que individualiza a cada célula y funcionalmente su interfase de comunicación con su microambiente. Por ello gran parte de los procesos vitales de la célula dependen de su integridad física y funcional. Tras un traumatismo craneal esta estructura experimenta una serie de cambios, primarios y secundarios que inciden de forma muy importante en la gravedad del traumatismo y en su evolución. Las soluciones de continuidad a nivel del axolema están en la base estructural del daño axonal difuso. q

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