lunes, 5 de octubre de 2015

Jules Bianchi: un año.

Jules Bianchi, con su eterna sonrisa.
El pasado día 17 de julio nos dejaba el piloto Jules Bianchi, tras el accidente sufrido durante el GP de Japón de 2014, en el circuito de Suzuka, al impactar su monoplaza contra la grua que extraía el coche de Adrian Sutil, entonces piloto del equipo Sauber, de las protecciones contra las que se había estrellado. Ya entonces la cosa pintó mal. Bastante mal.

El diagnóstico inmediato fue el de daño axonal difuso. Su pronóstico ya fue desalentador desde el primer momento. Pero aún así, Jules luchó contra su lesión durante nueve meses y medio. Pero perdió la batalla y su estrella acabó por apagarse. Hoy, en el primer aniversario de aquel terrible accidente, y como homenaje, quiero dedicarle un post sobre su lesión, para que el daño axonal difuso tenga más alcance y, quizá, se aliente así a científicos, médicos y cualesquiera otros profesionales de la sanidad a profundizar en su conocimiento. Y, para ello, voy a tomar el post que ya escribí hace un año, y lo ampliaré en lo posible.


Describiendo el tejido nervioso: una pequeña introducción

 
Fig. 1: Representación esquemática de un cerebro humano
(fuente: http://www.shoreline.edu/kwennstrom/231LectureLOs.htm)
Bueno, vale. Quizá para algunos, o para la mayoría, de los espectadores de este blog sea innecesaria esta introducción, pero no para todos, así que considero importante hacerla, con el objetivo de que todo el mundo se entere. Y para esto tengo esta figura tan chula que hay aquí a la izquierda.

A quien más y a quien menos, nos han contado que el tejido nervioso se divide en dos zonas: la materia gris (sí, es la parte gris, oscura, el bordecito en el dibujo) y la materia blanca (que es la parte más blancuzca del interior). Si os fijáis bien en esto, os daréis cuenta de dos cosas: la primera, que los científicos tenemos muy poca imaginación para ponerle nombres a las cosas. Y la segunda, menos evidente, que de este tipo de representaciones (que no dejan de ser reales, ojo) nace el mito de que sólo usamos el 10% de nuestro cerebro (porque la materia gris representa alrededor del 10% del tejido cerebral). La razón de estas denominaciones la encontramos en los albores de la neurociencia, en los tiempos de Cajal y las tinciones de plata: la plata tiñe preferentemente los cuerpos celulares de las neuronas, llamados somas, dándoles el color grisáceo, mientras que las proyecciones de estas, los axones, se tiñen menos y de ahí su color y su posterior denominación.

Podría parecer que los axones no tienen ninguna importancia, pero no podíais estar más equivocados si dijeráis tal cosa. A pesar de que os parezcan sólo conexiones, sin los axones no podría producirse la comunicación interneuronal que permite que integremos y reaccionemos frente a los estímulos que recibimos. Es más: sin axones, los estímulos se quedarían en sus receptores y nunca nos enteraríamos de nada en absoluto.

Fig. 2: Representación esquemática de una neurona
(fuente: dreamstime.com)
Simplificándolo mucho, los axones podrían asemejarse a cables que conducen la señal eléctrica desde los cuerpos neuronales hasta las terminales axónicas (Fig. 2). Por los axones es por donde viajan las vesículas de secreción cargadas de neurotransmisores que provocarán las respuestas de las células postsinápticas, sean estas cuales sean: contracción muscular, emisión de nuevas señales, integración de las mismas... De cualquier modo, los axones son las vías mediante las cuales se lleva la información necesaria para producir respuestas a estímulos o integrar dichos estímulos para producir respuestas complejas como la lectura, la escritura o la conducción, sin ir más lejos. Los axones no son estructuras aisladas, sino que son parte de la propia célula. Están recubiertos por una capa de mielina, un tipo de lípido que aísla el axón, como la camisa de un cable (es lo que da el color blanco a la materia blanca, por otro lado), y que acelera el impulso nervioso, obligándolo a saltar de un punto en el que no hay aislamiento a otro. Estos puntos en los que no hay aislamiento se llaman nodos de Ranvier (Fig. 2: node of Ranvier). Existen enfermedades, como la esclerosis múltiple, que alteran la normal transmisión nerviosa al producirse la destrucción de la mielina, que provocan parálisis e incapacidad en los pacientes que la sufren.

Así pues, dado que vamos a hablar del daño axonal difuso, ya os podéis ir imaginando que vamos a hablar de daños en estas vías de comunicación nerviosa.

Daño axonal difuso


El daño axonal difuso (o DAD, de aquí en adelante) es el reflejo de la vulnerabilidad selectiva de los axones de la materia blanca al daño producido por la carga mecánica que sufre el cerebro durante una aceleración o deceleración rápidas. Tenéis seguro la imagen de un choque en un coche, cómo la cabeza sale disparada hacia adelante de golpe y se detiene también de golpe. Pues conservad la imagen, porque es precisamente eso lo que desata el DAD.

Los modelos animales utilizados en la investigación del DAD han venido a confirmar que la deceleración o aceleración rotacional brusca de la cabeza es la causa de las fuerzas de cizalla, tensión y compresión que se producen en el cerebro que sufre el DAD. Puesto que en esto de las fuerzas influye mucho la masa del cerebro en el que se ejercen dichas fuerzas, los modelos animales que son clínicamente relevantes son muy escasos, pero sí que se han podido saber unas cuantas cosas.

Modelos con primates no humanos, durante los años 80, ya demostraron que la deceleración brusca de la cabeza induce la formación del DAD. No sólo eso, sino que además encontraron que dicho DAD es responsable del estado de inconsciencia y coma que aparece aparejado a la lesión. Sin embargo, y a pesar de las similaridades entre el cerebro de estos primates y el cerebro humano, las aceleraciones a las que había que someter al cerebro de los animales de experimentación para encontrar lesiones similares a las que se producen en el cerebro humano eran brutales. Así que el modelo animal se cambió para utilizar cerdos, cuyo cerebro tiene una masa y una estructura también muy similar a la del cerebro humano. Mediante el uso de estos animales en los experimentos, se pudo determinar que la rotación transversal de la cabeza respecto al tronco cerebral es la que se asocia con la aparición del coma en los individuos que lo sufren (para que lo entendamos, la aceleración tiene que ser doblando la cabeza adelante o atrás o hacia los hombros), pero la rotación derecha-izquierda (como si miraseis para cruzar la calle) no provoca la aparición del coma.
 

Ajá... ¿pero qué es lo que pasa por ahí dentro?

Bueno, bueno... no os pongáis así. En el artículo que escribí hace un año sobre este particular os puse un ejemplo. Para los que sois vagos, voy a intentar reproducirlo, para que no tengáis que hacer click. En la figura 3 podéis ver una representación artística siguiendo dicho ejemplo:

Fig. 3. Esquema del sistema nervioso antes del traumatismo, según el ejemplo expuesto en el texto
Imaginad que las neuronas son máquinas que emiten señales que viajan de unas a otras y que provocan respuestas unas en otras. ¿Me seguís hasta aquí? Bien. Alrededor de estas máquinas hay una especie de robots Roomba (microglía, astrocitos y macrófagos) que son capaces de ejercer el mantenimiento que necesitan, pues estas máquinas no pueden alimentarse ni limpiarse solas. Para comunicarse entre ellas, estas maquinitas utilizan unos cables (axones), que pueden ser más cortos o más largos, dependiendo de la distancia que tengan que recorrer. Estos cables no están desnudos, sino que están envueltos por una camisa más o menos flexible (la membrana celular) y que por dentro de dicha camisa corren unos tubos de plexiglás que tienen cierta rigidez (el citoesqueleto) y por el que viajan sustancias que permiten la comunicación entre las máquinas (neurotransmisores, sobre todo). Nuestras máquinas están fijas a plataformas individuales, cada una en la suya, pero los cables a veces discurren juntos formando haces.

Fig. 4: Inmunomarcaje de proteína precursora de amiloide alrededor de axones dañados por DAD (fuente: http://neuropathology-web.org/chapter4/chapter4bContusions_dai_sbs.html)
Bien, normalmente, nuestras maquinitas y sus cablecitos están en reposo. El movimiento normal de la cabeza, con una velocidad y aceleración normales, sometidos a fuerzas normales provoca el movimiento de los haces de cables. Estos cables son ciertamente flexibles, pero su flexibilidad es limitada. Estos haces de cables se comportan como si fueran un fluido no newtoniano: cuando la fuerza a la que son sometidos no pasa de un límite, la flexibilidad que les confiere su estructura les permite cierto movimiento, pero cuando se sobrepasa ese límite, se rompen del todo. Así, cuando las maquinitas, sujetas en sus pequeñas plataformas, se someten a un terremoto (vale, un terremoto de una única sacudida, muy fuerte, y que se detiene de forma brusca) de una magnitud alta, las plataformas, fijas, no se mueven, pero los cablecitos oscilan, se deforman, se doblan, ondulan y pueden llegar a partirse en un fenómeno que se llama axotomía primaria. En estas zonas, se liberan las sustancias que viajan por dentro de los cablecitos y se forman acúmulos de proteínas, como la precursora de amiloide, y retracciones axonales en las zonas en las que las conexiones neuronales se han roto por completo (figura 5). Pero como la fuerza necesaria para que se produzca esto debe ser descomunal, es un fenómeno bastante raro. Bueno, es bastante más común en cables que son más cortos y con camisas más delgadas (las vainas de mielina) que en cables más largos y con camisas más gruesas.

Fig. 5: Axón neuronal (nuestro cable) mostrando los microtúbulos de su estructura (nuestros tubitos de plexiglás) (fuente: https://www.scripps.edu/news/scientificreports/sr2005/cb05halpain.html)
En cambio, los tubos de plexiglás que llevan los cables por dentro y por los que viajan las sustancias que permiten el funcionamiento y comunicación normales de las maquinitas son más rígidos y fuerzas mucho menores son capaces de romperlos. A este fenómeno es a lo que llamamos axotomía secundaria. Esto genera dos problemas: uno, que impide el transporte normal de sustancias a través del plexiglas, por lo que acaban acumulándose en la zona; y otro, que se forman una suerte de "astillas" que pueden agravar el daño sufrido y acabar rompiendo la camisa del axón.  En estas zonas, el axón se ondula y se engrosa, porque no puede relajarse y volver a su posición original. Las máquinas, para evitar ésto, comienzan un proceso de reparación de sus tubitos de plexiglás, para poder continuar con su función normal. Así, en un primer momento, para conseguir que los cables vuelvan a sus posiciones originales y se relajen tras el impacto, las máquinas intentan reconstruir sus tubitos de plexiglás, mediante una despolimerización y repolimerización de los microtúbulos de las zonas rotas.

Pero esto tiene un precio muy alto: causa una reducción del transporte axonal, además del engrosamiento de las zonas de rotura, por acumulación tanto de los monómeros de tubulina que se quedan en la zona como de las vesiculas que ven interrumpido su transporte hacia los terminales axónicos. A esto, hay que añadirle que utilizando esos tubos de plexiglás se mueven pequeñas factorías energéticas (las mitocondrias) que ayudan al sostenimiento y funcionamiento normal del axón. La interrupción del movimiento de las mitocondrias afecta al metabolismo energético normal de los axones y, con ello, a su integridad estructural, deformando aún más la estructura interna de los mismos y contribuyendo a agravar la lesión axonal. Los cables quedan gravemente dañados: no hay energía para reparar los tubos de plexiglás y las astillas de los mismos siguen arañando las camisas, que podrían acabar por romperse.

Bien, tenemos zonas de ruptura. ¿Qué es lo que ocurre en una máquina cuando se rompe algo bruscamente? Pues que queda basura alrededor, quedan marcas... La maquinita, que nota que tiene un daño, emite sus propias señales de alarma (los que llamamos segundos mensajeros) e inmediatamente la cosa deja de funcionar como debe, debido a la señalización de los mismos, aunque por fuera no se vea ningún daño y los cables parezcan estar intactos.

Fig. 6: Presencia de microglía (nuestros pequeños Roomba) activada
en animales con un modelo de DAD (B y E) respecto a animales control
(A y D). Los diagramas de barras C y F muestran la densidad óptica del
inmunomarcaje por IBA1 (A, B y C) y Galectina 3 (D, E y F). Tomado
de: Venkatesan et al., 2010, J. Neuroinflam, 7:32
¿Os acordáis de las "astillas" de plexiglás que mencionábamos antes? Pues los arañazos que producen, los intentos de reparación, los escapes de sustancias... todo ello conduce a la activación de los pequeños Roomba que pululan alrededor de las zonas en las que se ha producido una rotura. Así, como si fueran moscas al panal de rica miel, los Roomba comienzan a acumularse en las zonas en las que se ha producido el mayor daño (figura 6). Esta acumulación es casi inmediata y puede observarse hasta 48 días después de la producción del daño. Y no son los únicos. Otro tipo de Roomba (los astrocitos), indispensables para la activación de los primeros, también acuden a la zona para ayudar en la reparación del daño y la recogida de los escombros producidos por el daño mecánico.

Estas pequeñas máquinas de mantenimiento y limpieza ponen en marcha toda una serie de mecanismos para conseguir retirar todo el desastre producido por la sacudida. Vale, los Roomba sólo aspiran. Pues estos no sólo aspiran (la microglía no deja de ser un tipo de macrófago un tanto especial), sino que también friegan y lavan. Y como es un trabajo muy duro, reclutan nuevas unidades, lo que consiguen segregando unas sustancias que llamamos citoquinas. En concreto, las sustancias que producen son interleuquina (IL)-1IL-6IL-10 y factor de necrosis tumoral α (TNF-α). Todas ellas muestran picos de producción entre las 2 y las 6 horas posteriores al daño y son las responsables, no sólo de la atracción de nuevos Roomba a la zona, sino también de perpetuar un bucle neuroinflamatorio en la zona: las citoquinas atraen a esos nuevos Roomba, que se activan, volverán a producir esas citoquinas y vuelta a empezar, con lo que el daño no acaba por repararse. Son como un batallón de limpieza que, a la vez que limpian, generan más escombros que limpiar, con lo que no hay fin en este embrollo.

¿Complicado? Tranquilos, que voy a coger el mismo esquemita de antes y le voy a hacer los cambios que presentaría si hubiera sufrido un DAD. Podéis verlo en la figura 7:

Fig. 7. Esquema del sistema nervioso después del traumatismo, según el ejemplo expuesto en el texto
Así pues, el impacto de Bianchi contra la grua que rescataba el Sauber de Sutil causó la rotura de todo este sistema de máquinas, conexiones y robots de limpieza que hemos utilizado para explicar lo que pasó en el cerebro de Jules tras el accidente. Como os he explicado, la fuerza del impacto para producir una axotomía primaria debía ser descomunal. Pero...

...¿tan grande fue la fuerza del choque?


Según lo que ha podido trascender del accidente de Jules, la velocidad a la que se salió de pista fue de 213 km/h (59.2 m/s). 2.61 s después de salirse, impacta, a una velocidad de 126 km/h (35 m/s) contra una grúa de rescate. Esto supone que la deceleración que sufrió el conjunto coche + piloto fue de unos 60 G. El monocasco de un monoplaza, por normativa, debe aguantar 360 kN de impacto.

Vamos a hacer unos cálculos, ¿vale? Que el monoplaza de Bianchi sufriera un impacto de 60G quiere decir que chocó con una fuerza equivalente a 60 veces el peso del conjunto monoplaza + piloto + casco. En este caso, el Marussia MR03 que pilotaba Bianchi pesaba, en 2014, 691 kg. El piloto, según los datos, pesaba 68 kg. Añadamos el casco, que tiene un peso ligerísimo, de apenas 1.25 kg. En total, el conjunto hace 760.25 kg. Así, el impacto de 60 G supone que la fuerza ejercida en dicho impacto es de 45615 kgf, que al transformarlo en Newtons hace 447.2 kN. Ni siquiera el monocasco habría aguantado tal impacto.

Pero debido a las características tanto de monoplaza como de grua, el coche se metió por debajo de la misma, recibiendo casi todo el impacto la cabeza del piloto. Así, el impacto debe medirse sobre el conjunto cabeza+casco. Teniendo en cuenta que una cabeza humana media pesa unos 5 kg, el conjunto final tiene un total de 6.25 kg en total. Nos falta el dato del tiempo de frenada. Un F1 tarda en pasar de 100 a 0 km/h aproximadamente 1 segundo cuando el piloto frena, por la inercia. Pero aquí el piloto no frenó: lo detuvo una grua. En este caso, el choque detiene el F1 en apenas 15 milésimas de segundo. Así que vamos a hacer unos cálculos:

a = v/t = 35 m/s / 0.015 s = 2333 m/s2. Este número brutal es la deceleración que la cabeza de Jules Bianchi sufrió en el impacto

F = m·a = 6.25 kg · 2333 m/s2 = 14.583 kN que al transformarlo en kgf suponen 1487.1 kgf.

Estos 1487.1 kgf son, para una cabeza media + casco de F1, que suman 6.25 kg, la escalofriante cifra de 238 G.

Pensadlo. Fríamente. El impacto que sufrió la cabeza de Jules en su accidente fue el equivalente a 238 veces el peso resultante de sumar el peso de su cabeza y su casco. Si no os da escalofríos pensarlo, igual no alcanzáis a comprender la magnitud del accidente. O necesitáis mirar la cifra en kN: 1487.01 kN.

Vistos estos números, lo sorprendente es que Jules no muriera inmediatamente en el accidente. El año pasado, cuando se manejaba la cifra de 219 G para el impacto, me pareció absurdo. Pero tomando los datos correctamente, con el peso de la cabeza y el casco y la frenada correcta, la cifra, aunque 219 G siga siendo espeluznante, es aún más aterradora.

Dirección de futuro


Está bastante complicado. Como muchos ya sabréis, la investigación con primates no humanos está muy restringida. También con otros organismos, como cerdos. A pesar de no contar con modelos mejores, el causar impactos de alta aceleración en la cabeza de animales no es ético y se están abandonando modelos clásicos que han dado muchos datos. Actualmente, hay modelos in vitro que tratan de imitar las características del DAD, pero son muy limitados. 

Sin embargo, gracias a estos, hemos podido averiguar que el tratamiento con taxol, una molécula que estabiliza los microtúbulos, puede aliviar en parte la degeneración axonal que observamos en los pacientes con DAD, o que la tetrodotoxina, la toxina del pez globo, es capaz de inhibir el exceso de liberación de Ca2+ que ocurre en los axones rotos y que contribuyen a la liberación de citoquinas. 

Como podéis observar, el camino que queda es largo, entre otras cosas, por la imposibilidad de generar un modelo que tenga las características que exige el DAD. 

Sea como sea, para Bianchi es ya demasiado tarde. Lo importante es que no vuelva a ocurrir en un futuro inmediato. Para ello, la FIA ha tomado ya medidas de seguridad que ayuden a evitar esto. Por ejemplo, y como vimos en el último GP de Japón, celebrado el pasado día 27 de septiembre, la forma de extracción de los coches ha cambiado; y se ha creado el coche de seguridad virtual que obliga a los monoplazas a circular a velocidad reducida. 

Pero si, por lo que fuera, volviera a ocurrir, sería primordial tener un remedio a mano. No sólo por los pilotos sino porque esto sólo les ocurre a los pilotos de Formula 1. Cualquier accidente que se pueda tener en el que haya un traumatismo craneal grave podría acabar originando un DAD. Podemos observar el mismo efecto en el caso del síndrome del bebé agitado, tristemente famoso por los casos de maltrato infantil.

Te echamos de menos, Jules. Mucho. El único consuelo que nos queda, es que ahora, allá donde estéis, estarás echando carreras con Senna, Brabham, Ascari o Hunt. 

Hasta siempre.

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