Neurodegeneración en contextos de acumulación de hierro : intersecciones con el metabolismo de los lípidos neutros, la ferroptosis y el deterioro motor

Abstract

La acumulación cerebral de hierro (Fe) constituye un sello distintivo de diversos trastornos neurodegenerativos, en particular de la enfermedad de Parkinson, donde la sobrecarga férrica se asocia con muerte neuronal dopaminérgica, estrés oxidativo y disfunción metabólica. En este trabajo, mediante la combinación de modelos in vivo e in vitro, se demostró que el exceso de Fe desencadena una desregulación del metabolismo lipídico en el sistema nervioso central (SNC), involucrando tanto a neuronas como a células gliales. El modelo murino de sobrecarga de Fe permitió establecer un fenotipo de neurodegeneración progresiva, caracterizado por aumento de la peroxidación lipídica, activación glial (astrogliosis), acumulación de α-sinucleína y pérdida de neuronas dopaminérgicas en el mesencéfalo. Estas alteraciones estructurales y moleculares se acompañaron de un deterioro motor y cognitivo significativo, reproduciendo características conductuales propias de la enfermedad de Parkinson. A nivel bioquímico, se detectó una acumulación marcada de colesterol libre, junto con una disminución de los ésteres de colesterol y triacilglicéridos (TAG). Este desequilibrio se asoció con una activación de las enzimas lipolíticas y una inhibición de las aciltransferasas, indicando un desplazamiento metabólico hacia la hidrólisis de lípidos neutros bajo condiciones de estrés por sobrecarga de Fe. De forma complementaria, los estudios in vitro en cultivos de neuronas N27, astrocitos C6 y microglía BV-2 confirmaron que la exposición al Fe (en forma de citrato amonio férrico: FAC) induce acumulación intracelular de colesterol y estrés oxidativo, acompañadas de una liberación aumentada de colesterol al medio extracelular. Asimismo, los ensayos con secretomas neuronales y gliales revelaron una interacción bidireccional entre neuronas y astrocitos en la regulación del metabolismo lipídico: los astrocitos sometidos a FAC promovieron la acumulación de colesterol en las neuronas, mientras que las neuronas tratadas con FAC liberaron factores capaces de modular el metabolismo lipídico astrocitario en condiciones control. Este hallazgo refuerza el papel de la glía como modulador metabólico activo en la homeostasis lipídica cerebral. Tanto el uso del inhibidor de la vía SREBP (Fatostatina) como del antioxidante N- acetilcisteína (NAC) nos permitió demostrar que la disrupción lipídica inducida por Fe depende en gran medida de la activación de la vía SREBP y del desequilibrio redox. Por otra parte, la inhibición farmacológica de la ferroptosis mediante Ferrostatina-1 (Fer-1) revirtió la acumulación de colesterol en neuronas y astrocitos, así como el aumento de TAG en las neuronas dopaminérgicas, confirmando una intersección funcional entre la ferroptosis y el metabolismo lipídico. Estos resultados indican que la ferroptosis no solo participa en la pérdida de viabilidad celular, sino también en la reprogramación metabólica lipídica asociada a la neurodegeneración. En conjunto, este trabajo demuestra que la sobrecarga de Fe altera de manera coordinada la homeostasis redox y lipídica cerebral, promoviendo un entorno neurodegenerativo caracterizado por estrés oxidativo, ferroptosis y disfunción metabólica. Además, establece que la interacción neurona-glía desempeña un papel central en la propagación de estas alteraciones. Los hallazgos presentados aportan una visión integrada de los mecanismos moleculares que vinculan el metabolismo del Fe, los lípidos y la muerte celular en el sistema nervioso, y posicionan al modelo desarrollado como una plataforma experimental robusta para la evaluación de estrategias neuroprotectoras dirigidas a restaurar la homeostasis lipídica y redox. En síntesis, esta tesis doctoral aporta evidencia experimental de que el Fe, más allá de ser un disparador del daño oxidativo, actúa como un modulador clave del metabolismo lipídico y de la comunicación neuroglial, estableciendo nuevas bases para comprender la fisiopatología de los trastornos del movimiento asociados a sobrecarga del metal y para orientar el desarrollo de intervenciones terapéuticas específicas.

Brain iron (Fe) accumulation is a hallmark of several neurodegenerative disorders, particularly Parkinson’s disease, where iron overload is associated with dopaminergic neuronal death, oxidative stress, and metabolic dysfunction. In this work, through a combination of in vivo and in vitro models, we demonstrate that excess Fe triggers a profound dysregulation of lipid metabolism in the central nervous system (CNS), affecting both neurons and glial cells. The murine Fe-overload model reproduced a progressive neurodegenerative phenotype characterized by increased lipid peroxidation, glial activation (astrogliosis), α- synuclein accumulation, and loss of dopaminergic neurons in the midbrain. These structural and molecular alterations were accompanied by marked motor and cognitive impairment, recapitulating behavioral features of Parkinson’s disease. Biochemically, we observed a pronounced accumulation of free cholesterol together with a decrease in cholesterol esters and triacylglycerols (TAG). This imbalance was associated with activation of lipolytic enzymes and inhibition of acyltransferases, indicating a metabolic shift toward the hydrolysis of neutral lipids under Fe-induced oxidative stress. Complementary in vitro studies using N27 neurons, C6 astrocytes, and BV-2 microglia confirmed that Fe overlod (ferric ammonium citrate, FAC) induces intracellular cholesterol accumulation and oxidative stress, accompanied by increased cholesterol release into the extracellular medium. Moreover, experiments using neuronal and glial secretomes revealed a bidirectional interaction between neurons and astrocytes in the regulation of lipid metabolism: astrocytes subjected to Fe stress promoted cholesterol accumulation in neurons, whereas FAC-exposed neurons released factors capable of modulating astrocytic lipid metabolism under control conditions. These findings reinforce the notion that glial actively shapes cerebral lipid homeostasis. Pharmacological inhibition of the SREBP pathway (Fatostatin) and antioxidant treatment with N-acetylcysteine (NAC) demonstrated that Fe-induced lipid disruption largely depends on SREBP activation and redox imbalance. Furthermore, inhibition of ferroptosis with Ferrostatin-1 (Fer-1) reversed cholesterol accumulation in neurons and astrocytes, as well as the increase in TAG observed in dopaminergic neurons, confirming a functional intersection between ferroptosis and lipid metabolism. These results indicate that ferroptosis contributes not only to cell viability loss but also to lipid metabolic reprogramming associated with neurodegeneration. Altogether, this work demonstrates that Fe overload coordinately disrupts redox and lipid homeostasis in the brain, promoting a neurodegenerative environment characterized by oxidative stress, ferroptosis, and metabolic dysfunction. It also establishes neuron–glia crosstalk as a key amplifier of these alterations. The findings presented here provide an integrated view of the molecular mechanisms linking Fe metabolism, lipids biology, and cell death in the nervous system, positioning this model as a robust experimental platform for the evaluation of neuroprotective strategies aimed at restoring lipid and redox homeostasis. In summary, this doctoral thesis provides experimental evidence that Fe, beyond serving as an enhancer of oxidative damage, acts as a key modulator of lipid metabolism and neuroglial communication, establishing a new framework for understanding the pathophysiology of movement disorders associated with Fe overload and for guiding the development of targeted therapeutic interventions.