El objetivo de esta tesis ha sido estudiar y analizar las modificaciones estructurales, mecánicas y funcionales que se producen en un proceso inflamatorio en general y en concreto en un episodio de isquemia cerebral.El trabajo realizado se compone de dos partes: i) estudio del efecto de un proceso de isquemia-reperfusión sobre las propiedades estructurales, mecánicas y miogénicas en la arteria cerebral media de rata. ii) estudio mediante un modelo "in vitro" de inflamación que consiste en la incubación de las arterias en medio de cultivo con una de las citoquinas (IL-1ß) que se sobrexpresan después de un período de isquemia-reperfusión, sobre las propiedades estructurales, mecánicas y funcionales de la arteria mesentérica de resistencia de rata.El proceso de isquemia (90 minutos)-reperfusión (24 horas) produjo los siguientes cambios en la arteria cerebral media: 1) disminución importante del tono miogénico acompañado por un aumento en la producción de aniones superóxido 2) incremento en el tamaño de la pared vascular debido al aumento en el número de células adventicias 3) aumento en el tamaño de las fenestras de la lámina elástica interna, hecho que podría asociarse al aumento en la elasticidad intrínseca observado en estas arterias 4) disminución del estrés de la pared como consecuencia del aumento en el tamaño de la misma 5) este proceso también modificó aunque con menor intensidad, algunos de los parámetros estructurales analizados en arterias del lado contralateral . Estos cambios, se deban probablemente a alteraciones sistémicas consecuencia de la isquemia focal.La incubación de las arterias mesentéricas de resistencia en medio de cultivo con IL-1ß durante 14 horas: 1) no modificó ni la estructura ni la mecánica de la pared arterial 2) empeoró las relajaciones dependientes de óxido nítrico sin afectar a la capacidad vasorelajadora general del vaso. El empeoramiento de la relajación parece ser debido, al menos en parte, a una disminución en la biodisponibilidad del óxido nítrico 3) aumentó la producción de anión superóxido en la pared vascular que parecería estar sintetizado principalmente por la xantina oxidasa. Los aniones superóxido producidos por acción de la xantina oxidasa serían los principales responsables de la disminución en la biodisponibilidad del óxido nítrico, que a su vez sería el responsable de la disminución de las respuestas relajantes mediadas por óxido nítrico.Estos resultados indicarían que la arteria cerebral media sufre una serie de cambios provocados por el proceso de isquemia-reperfusión que permitirían a estas arterias adaptarse a los cambios en el flujo sanguíneo necesarios para reducir el daño neuronal, mejorando la irrigación del cerebro después de un episodio de isquemia-reperfusión. El efecto de las citoquinas durante este período podría también afectar a las respuestas funcionales de las arterias debido al aumento en la producción de anión superóxido observado en esta patología. Las aportaciones de estos estudios podrían en un futuro abrir líneas de investigación que podrían contribuir al diseño de nuevos fármacos con capacidad para prevenir episodios de isquemia cerebral. / The aim of the present study has been to analyse the structural, mechanical and functional alterations that take place in an inflammatory process as cerebral ischaemia.Our results are divided in two parts: i) a study of the effect of ischaemia-reperfusion on structural, mechanical and myogenic properties of rat middle cerebral artery and ii) to analyze, using an in vitro model of inflammation, the effect of incubation with IL-1ß, one of several cytokines that is overexpressed after a period of ischemia-reperfusion, on structural mechanical and functional properties of rat mesenteric resistance arteries. The occlusion of the right middle cerebral artery (90 minuts) following 24 hours of reperfusion produced: 1) a decrease of myogenic tone together with an increase in superoxide anion production 2) an enlargement of the vascular wall due to the increase in the total number of adventitial cells 3) an enlargement of fenestrae area of the internal elastic lamina that was associated with the increase on intrinsic elasticity observed in these arteries 4) a diminished wall stress as a result of the increase in the wall thickness 5) ischaemia-reperfusion also modified although to a lesser degree, some of the structural parameters in arteries from the contralateral side of ischemia. These changes observed in the contralateral side could likely be associated to systemic alterations produced as a consequence of focal ischaemia. Fourteen hours incubation of mesenteric resistance arteries in culture medium with IL-1ß: 1) did not modify either the structure or the mechanics of the arterial wall; 2) impaired nitric oxide dependent relaxation without affecting the vasodilatation capacity of the arteries. The impairment of nitric oxide induced relaxation by IL-1ß could be due to a decrease on nitric oxide availability; 3) increased superoxide anion production in the vascular wall that seems to be mainly synthesized by xanthine oxidase. The superoxide anion produced by xanthine oxidase would play a role in decreasing nitric oxide availability, which in turn would diminish vasodilatation mediated by nitric oxide. These results suggest that the middle cerebral artery undergoes multiple changes caused by ischaemia-reperfusion that will allow these arteries to adapt to the blood flow alterations needed to reduce the neural damage, improving brain blood flow. Cytokines could affect functional responses of the arteries due to the increase in superoxide anion production observed in this pathology. In the future, this study could open new research that could contribute to the design of new drugs with potential interest to prevent cerebral ischaemia episodes.

Determinades situacions patològiques en el cervell així com estímuls inflamatoris provoquen un augment en l’expressió de la COX-2. En el context de la isquèmia cerebral, l’augment en l’expressió de la COX-2 està relacionada amb efectes perjudicials. Les cèl•lules del sistema nerviós central (SNC) disposen de sistemes de reconeixement que els permeten detectar i reconèixer agents infecciosos i iniciar una resposta immune per a fer front a una intrusió. Els astròcits expressen receptors tipus Toll-Like, responen als agonistes d’aquests receptors amb l'alliberació de molècules, i són capaços de modular la resposta immune innata. Els astròcits tenen una ubicació estratègica a la interfase entre els vasos sanguinis i el parènquima cerebral, participant així en la funció de la BHE, en la regulació del flux sanguini cerebral, mitjançant l'alliberament de mediadors vasoactius i expressant molècules implicades en la patogènesi d'algunes malalties autoimmunes que afecten la permeabilitat de la BHE. A més, els astròcits formen una intricada xarxa intercomunicativa amb altres cèl•lules nervioses. La senyalització iniciada en els astròcits pot afectar la funció sinàptica cerebral, i tenir un gran impacte en la unitat neurovascular. En aquesta tesi ens hem plantejat l’ objectiu d’esbrinar les vies de senyalització intracel•lular i els mediadors inflamatoris que participen en la resposta dels astròcits a l’activació dels receptors d’immunitat innata, concretament TLR-4, i determinar el paper de la Cox-2 astroglial en la resposta inflamatòria induïda per aquest receptor. L’activació de TLR-4 indueix en els astròcits senyalització a través de NFκB, les vies MAPK i JAK1/STAT1, que al seu torn regulen l'expressió d'una àmplia gamma de molècules proinflamatòries. Malgrat que el LPS no sembla induir IFN-β en els astròcits, sí que promou l'activació JAK1/STAT1 de manera independent de MyD88, i STAT1 pot regular negativament l'expressió de gens que s'indueixen a través de la via MyD88. Aquests resultats mostren l’activació d’una complexa xarxa de senyalització iniciada per l’activació del receptor TLR-4 en astròcits. Les cèl•lules astroglials són sensibles a la immunitat innata, desencadenant una resposta específica del tipus cel•lular i generant un ambient pro-inflamatòri que podria afectar la resposta o viabilitat de les cèl•lules circumdants. El LPS augmenta l’expressió de la COX-2 en astròcits, i també provoca un augment en la producció i alliberació de prostanoïds dependent de l'expressió de la COX-2. El paper clau de la Cox-2 en la producció de prostanoids després de LPS i l'evidència que la manca de l’enzim Cox-2 exacerba l'expressió de diversos mediadors inflamatoris. Aquest efecte es deu, almenys en part, a la manca de mecanismes naturals de regulació negativa induïts per la PGE2. Els mecanismes de retroalimentació d'aquest tipus podrien estar implicats en la resolució natural del procés inflamatori. / Brain pathological conditions and pro-inflammatory stimuli induce cyclooxygenase-2 (Cox-2). Cox-2 is regarded as an inflammatory mediator but Cox-2 deficiency exaggerates the cerebral inflammatory response to lipopolysaccharide (LPS). Here we investigate the role of Cox-2 in LPS-induced prostanoids and inflammation in glia. Intracerebral administration of LPS in rodents induced Cox-2 mainly in astroglia and microglia, while Cox-1 expression was constitutive and predominant in microglia, and it did not increase after LPS. In cultured astrocytes, LPS induced Cox-2 and microsomal prostaglandin-E2 (PGE2) synthase-1 expression. Cox-2 fully mediated LPS-induced production of PGE2 and other prostanoids, as demonstrated in Cox-2-deficient cells and using Cox inhibitors. However, Cox-2-deficient astrocytes produced more TNF-alpha and other inflammatory mediators after LPS than the corresponding wild-type cells. Treatment with PGE2 prevented the exacerbated production of TNF-alpha after LPS in Cox-2 KO cells, and an EP4 agonist also attenuated LPS-induced TNF-alpha, supporting that PGE2/EP4 exerted selective feedback regulatory functions. However, Cox-2 inhibitor NS-398 only caused a very mild increase in LPS-induced TNF-alpha in wild-type astrocytes. This difference might be due to certain Cox-2-independent actions of NS-398 since it decreased TNF-alpha in Cox-2 KO cells, and enhanced the reduction of TNFalpha induced by treatment with PGE2. Therefore, Cox-2 deficiency exacerbates LPS-induced TNF-alpha by preventing a natural negative feedback regulation mediated by the Cox-2/PGE2/EP4 axis. In addition to this effect, NS-398 exerts Cox-2-independent actions becoming apparent in the absence of Cox-2 or in the presence of PGE2. The balance between these different effects determines how Cox-2 inhibition modulates inflammatory responses in astrocytes.

INTRODUCCIÓN: La heparina no fraccionada (HNF) se utiliza en el tratamiento del ictus desde varias décadas como fármaco anticoagulante. Los ensayos clínicos aleatorizados no han demostrado eficacia de este tratamiento, por lo que se desaconseja su uso. Sin embargo estos estudios tienen numerosas limitaciones como un excesivo retraso en el inicio del tratamiento, la vía de administración del fármaco y la falta de monitorización. En los últimos años se han descrito numerosas propiedades antiinflamatorias de la HNF que podrían ser beneficiosas en la isquemia cerebral aguda. OBJETIVOS: establecer un modelo animal de tratamiento continuo con HNF que permita mantener una heparinemia dentro de los márgenes terapéuticos deseados y determinar si la HNF administrada de la manera adecuada es neuroprotectora en un modelo de isquemia-reperfusión cerebral focal en rata, estudiar si hay mecanismos antiinflamatorios involucrados en este efecto neuroprotector, analizar marcadores séricos de inflamación en pacientes con ictus para determinar si existe un efecto antiinflamatorio al usar HNF y desarrollar un ensayo clínico aleatorizado comparando la HNF con la aspirina en el tratamiento del ictus isquémico agudo para evaluar la superioridad de este tratamiento. MÉTODOS Y RESULTADOS: Evaluamos la farmacocinética de la HNF en diferentes grupos de rata mediante reactivos cromógenos y encontramos que la dosis que mantenía una heparinemia constante de 0.3 a 0.6 U/mL fue un bolus de 200 U/kg seguido de una perfusión intraperitoneal de 70 U/kg/h. Mediante la técnica de oclusión endoluminal de la arteria cerebral media determinamos que la HNF iniciada a las 3 horas de la isquemia reducía el volumen de infarto cerebral en un 46% respecto al grupo control. Este efecto neuroprotector se acompañó de una elevación de los niveles plasmáticos de IL-10, de una mayor expresión de hemooxigenasa-1, y de una menor expresión de VCAM-1. En pacientes con isquemia cerebral agudo, encontramos una mayor respuesta de fase aguda (leucocitos totales, porcentaje de polimorfonucleares y velocidad de sedimentación globular) en los tratados con aspirina que en los que recibieron HNF. La reacción de fase aguda fue menor que presentaban una recuperación completa al alta. Además se demostró una asociación positiva entre el uso de HNF y la recuperación completa, sobre todo en el ictus no lacunar. En otro estudio el aumento de VCAM-1 sérica a las 48 horas se asoció de forma independiente con una peor recuperación a los 6 meses. Los niveles de VCAM-1 sérica fueron 1.24 veces mayores en los pacientes tratados con aspirina. Por último, realizamos un ensayo aleatorizado, el estudio RAPID, comparando la eficacia de la aspirina y de la HNF en el ictus isquémico no lacunar de menos de 12 horas de evolución. El estudio se cerró prematuramente con 67 pacientes incluidos. La HNF demostró un perfil de seguridad igual al de la aspirina. CONCLUSIONES: La HNF administrado de forma adecuada es neuroprotectora en el modelo de isquemia-reperfusión cerebral focal de rata, ya que reduce en un 46% el volumen de infarto. La acción neuroprotectora de la HNF está mediada por mecanismos antiinflamatorios, como el incremento de la IL-10 plasmática, el aumento de la expresión de la hemooxigenasa-1 y la inhibición de la inducción de la VCAM-1. En pacientes con ictus tratados con HNF se observa una menor respuesta de fase aguda y niveles séricos más bajos de VCAM-1. Esta disminución de marcadores inflamatorios se asoció con una mejor recuperación funcional.La medicina basada en la evidencia no tiene, en estos momentos, datos suficientes para evaluar la eficacia y seguridad del tratamiento con HNF en las primeras 12 horas tras un ictus isquémico no lacunar. No obstante, el estudio RAPID aporta que el perfil de seguridad de la HNF puede ser similar al de la aspirina y una mayor eficacia en la prevención de recurrencias tempranas.

Positron emission tomography (PET) is a functional imaging method that allows studying physiological, biochemical or pharmacological processes in vivo. PET is being used in both research and clinical practice. In the brain, it has been used to investigate metabolism, receptor binding, and alterations in regional blood flow. This thesis involves both preclinical and clinical dual-tracer PET imaging studies of different neurological disorders. In this way, different radiotracers were used along the projects. The first project focused on the implementation and in vivo validation of the simultaneous dual-tracer PET imaging technique on the rat brain and its applications in the study of cerebral ischemia. In particular, in this project two biological processes were studied at the same time: cerebral blood flow and cerebral glucose metabolism. The second project consisted in a clinical correlation study of the GABAergic and serotonin systems in a population with Essential Tremor (ET), the most commonly movement disorders. / La tomografia per emissió de positrons (PET) és un mètode d'imatge funcional que permet l'estudi in vivo de processos fisiològics, bioquímics i farmacològics. La PET s'utilitza tant en la pràctica clínica com en la recerca. Al cervell, s'ha utilitzat per investigar el metabolisme, la neurotransmissió, i les alteracions en el flux sanguini regional. Aquesta tesi implica estudis preclínics i clínics de la tècnica PET en diversos trastorns neurològics. D'aquesta manera, es van utilitzar diferents radiotraçadors al llarg dels projectes. El primer projecte es va centrar en la implementació i validació in vivo de la tècnica PET del doble-marcador simultani en el cervell de rata i les seves aplicacions en l'estudi de la isquèmia cerebral. En particular, en aquest projecte es van estudiar en el mateix moment dos processos biològics: el flux sanguini cerebral i el metabolisme cerebral de la glucosa. El segon projecte va consistir en un estudi clínic de correlació dels sistemes GABAèrgic i serotoninèrgic en una població amb tremolor essencial (TE), el trastorn del moviment més comú