Estrés oxidativo en la patología ocular.

Oxidative stress in ocular pathology.

Dr. Elieser Imbert Puente *, Dra. Tania M. Peña Lora *, Dr. Eligio A. Martínez Núñez **, Dra. Beatriz Zozaya Aldana ***.

* Especialista de Primer Grado en Oftalmología y Medicina General Integral, MsC. Enfermedades Infecciosas, Profesor Instructor, Centro Oftalmológico Hospital General Docente Dr. Agosthino Neto.
** Especialista de Segundo Grado en Bioquímica Clínica, MsC. Enfermedades Infecciosas, Profesor Asistente, Universidad Médica de Guantánamo.
*** Especialista de Segundo Grado en Oftalmología, MsC. Urgencias Médicas, Profesor Auxiliar, Facultad de Ciencia Medicas Dr. Miguel Enríquez.

Revisión bibliográfica
Hospital General Docente Dr. Agosthino Neto.
Centro Oftalmológico Hospital General Docente Dr. Agosthino Neto.

Municipio Guantánamo, Guantánamo, Cuba

RESUMEN

Los ojos están en riesgo particular de daño oxidativo debido a su alta exposición al oxígeno, gran cantidad de ácidos grasos oxidables en la retina y su también alta exposición a la luz, los contaminantes ambientales y los rayos ultravioleta. El stress oxidativo ha sido reportado en la fisiopatogenia de numerosas patologías del aparato visual. Se hace una actualización de estos mecanismos y se postula considerar en el tratamiento de estas patologías, la eliminación de todos los factores locales que puedan actuar mediante la inflamación tisular y el uso de antioxidantes. En los últimos años se ha sugerido que los radicales libres y el estrés oxidativo forman parte de este proceso, hecho que se corrobora en muchas ocasiones, pues se ha demostrado que la utilización preventiva de antioxidantes exógenos o la estimulación de los sistemas antioxidantes endógenos retardan la aparición de los principales signos y síntomas de las patologías oculares.

Palabras clave: Estrés oxidativo, cataratas, retinopatía diabética, degeneración macular senil, antioxidantes.

ABSTRACT

The eyes are at particular risk for oxidative damage due to their high exposure to oxygen, a large amount of fatty acids in the retina and also high light exposure, environmental pollutants and ultraviolet rays. Oxidative stress has been reported in the pathogenesis of many diseases of the visual apparatus. It is an update of these postulated mechanisms and considered in the treatment of these diseases, the elimination of all local factors that may act by tissue inflammation and the use of antioxidants. In recent years it has been suggested that free radicals and oxidative stress are part of this process, which fact is confirmed in many instances, it has been shown that the use of exogenous antioxidants preventive or stimulation of endogenous antioxidant systems retard appearance of the main signs and symptoms of ocular pathologies.

Key words: Oxidative stress, cataracts, diabetic retinopathy, senile macular degeneration, antioxidants.

INTRODUCCIÓN

La visión es el sentido más valioso para el hombre y constituye tal vez el más importante órgano de los sentidos para la vida de relación. Según la Organización Mundial de Salud (OMS), se obtiene a través del aparato visual más del 80% de la información que recibimos del mundo exterior, lo cual necesita de la integridad de éste con las estructuras del cerebro que intervienen en la visión. Actualmente existen aproximadamente 50 millones de personas ciegas en el mundo. Este número se incrementa de 1-2 millones por año.

En América Latina y el Caribe, la ceguera y la pérdida de visión en adultos continúa siendo un problema de salud pública. Se calcula que en los países más pobres, la prevalencia es aun mayor debido a la poca disponibilidad de servicios oftalmológicos y a las dificultades que deben franquear para acceder y utilizar los servicios existentes (2-3).

En los anales de la historia de la medicina, pocos eventos han tenido el impacto tan profundo y matizado con respuestas polifacéticas como el ocurrido a consecuencia del conocimiento de los radicales libres (RL) perse y de su influencia variable en los seres vivos.

DESARROLLO

Para el presente trabajo se realizó una búsqueda en Internet utilizando buscadores entre los cuales se encuentra Google y otros específicos relacionados con la medicina como MEDLINE, LILACS y SciELO.

Se consideran radicales libres (RL) aquellas moléculas que en su estructura atómica presentan un electrón desapareado o impar en el orbital externo, dándole una configuración espacial que genera una alta inestabilidad. Es una entidad química que contrario a la normal tendencia espontánea de los electrones localizados en los átomos y moléculas a la formación de parejas es desapareado. Esto lo hace muy inestable, extraordinariamente reactivo y de vida efímera, con una enorme capacidad para combinarse inespecíficamente en la mayoría de los casos, así como con la diversidad de moléculas integrantes de estructura celular: carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y derivados de cada uno de ellos (4).

Los radicales libres (RL) son elaborados continuamente como un producto del metabolismo normal de cada célula e inactivados por un conjunto de mecanismos (unos enzimáticos y otros de atrapamiento). Son componentes normales de células y tejidos, existiendo una poza de radicales libres (RL) particular en cada estirpe celular y en algunos tipos celulares permiten la mejor adaptación a su habitat. Al elevarse o disminuir las concentraciones fisiológicas de las especies reactivas de oxígeno (EROS) puede acarrear importantes alteraciones funcionales.

¿Qué es Estrés Oxidativo?

El estrés oxidativo es causado por un desequilibrio entre la producción de oxígeno reactivo y la capacidad de un sistema biológico de detoxificar rápidamente los reactivos intermedios o reparar el daño resultante. Todas las formas de vida mantienen un entorno reductor dentro de sus células.

Este entorno reductor es preservado por las enzimas que mantienen el estado reducido a través de un constante aporte de energía metabólica. Desbalances en este estado normal redox pueden causar efectos tóxicos a través de la producción de peróxidos y radicales libres que dañan a todos los componentes de la célula, incluyendo las proteínas, los lípidos y el ADN.

El estrés oxidativo es resultado de uno de los siguientes procesos:

1) aumento en la formación y actividad de oxidantes,
2) reducción de los mecanismos de defensa antioxidante,
3) fracaso de los mecanismos reparadores del daño oxidativo (5).

La aterosclerosis, el envejecimiento y el cáncer por citar algunos ejemplos, son un tercio de la enorme lista de problemas fisiológicos y padecimientos que de alguna manera se asocia con una elevada poza hística de radicales libres (RL).

CATARATA Y ESTRÉS OXIDATIVO.

La catarata constituye la causa principal de ceguera prevenible. La disponibilidad de servicios oftalmológicos para su tratamiento quirúrgico es insuficiente a nivel mundial. Al tender la población mundial al envejecimiento, en próximos años este problema estaría multiplicado. Debido a esto nos damos cuenta de que el tratamiento quirúrgico de la misma no constituye la mejor opción. Las investigaciones deben estar encaminadas no a mejorar el proceder sino a cómo prevenir su aparición (6-7).

La génesis de la catarata senil es multifactorial pero en esta juega un papel importante los radicales libres en el cristalino. Esta molecularmente se origina por cambios en la uniformidad de la densidad de las proteínas. Estos cambios de forma general y mediante diferentes vías se originan por procesos de oxidación. Los eventos bioquímicos que llevan a estas modificaciones no se entienden bien todavía, pero varios investigadores han encontrado que en este trastorno se incrementan las proteínas insolubles y que el proceso de insolubilización se acelera. Parece ser que la insolubilidad es producida por la formación de enlaces covalentes como resultado de la oxidación de las proteínas.

En las proteínas los residuos de aminoácidos azufrados suelen ser muy susceptibles al daño oxidativo, generándose bisulfuros que pueden ocasionar el establecimiento de puentes cruzados entre proteínas o subunidades con la formación de agregados. El cristalino tiene una alta concentración de glutatión reducido, el que mantiene los grupos tiol en forma reducida, lo que contribuye a su completa transparencia, así como a la transparencia y propiedades refractivas de la córnea, esenciales para la formación de una imagen adecuada en la retina (8).

Se sabe que varias reacciones producen intermediarios altamente reactivos en el cristalino como el superóxido, hidroperóxidos o radicales hidroxilo y también de H2O2. Sin embargo estos compuestos son habitualmente mantenidos en niveles no dañinos por el sistema antioxidante del mismo. Los mecanismos defensivos incluyen al glutatión, el sistema de la peroxidasa, la superóxido dismutasa (SOD) y la catalasa. Cambios en los niveles de glutatión y de la actividad de estas enzimas en diferentes partes del ojo ocurren en el envejecimiento, diabetes, la irradiación y por el efecto de algunas drogas. En el caso de las cataratas, el menor nivel de protección antioxidante del humor acuoso en algunos tipos sugiere una mayor intensidad del estrés oxidativo en ellas, y se encuentra un nivel elevado de H2O2 en estos pacientes.

Aunque la mayor parte de las cataratas aparecen con la edad avanzada, hay otros factores de riesgo que aceleran su desarrollo, incluyendo la luz ultravioleta solar. De ellas las radiaciones ultravioletas del tipo A (UVA, 320 - 400 nm) son las de efectos más dañinos pues las defensas son poco activas contra ellas, favoreciendo el estrés fotooxidativo (9-10). La fotooxidación puede ocurrir a través de fotosensibilizadores o directamente por absorción de radiaciones por aminoácidos aromáticos como el triptófano o tirosina. En las reacciones de fotosensibilización una molécula absorbe luz de una longitud de onda dada, excitándose. Esta molécula excitada transfiere esa energía al oxígeno molecular, originando el oxígeno singlet, una de las especies reactivas de oxígeno (ERO) que puede atacar a otros compuestos celulares. Estrés fotooxidativo inducido por la radiación solar es hoy considerado crucial en la formación de cataratas seniles.

Las relaciones epidemiológicas entre el hábito de fumar y la aparición de cataratas han sido también bien estudiadas. Se estima que en cada bocanada de humo ingresa al organismo la impresionante cifra de 1 015 radicales libres, carga tan elevada que explica el estrés oxidativo a que se someten los fumadores. Hay una relación dosis respuesta dependiente entre el consumo de tabaco y el riesgo de desarrollar cataratas. Este riesgo está más frecuentemente asociado al hábito de fumar pipa (OR = 3,1; 95% CI 1,5 - 8,2) que a fumar cigarrillos (OR = 1,5; 95% CI 1,1),10 lo cual puede deberse a que los fumadores de pipa como acostumbrar a inhalar menos el humo que los de cigarrillo, provocan más corrientes laterales de humo, lo que resulta más dañino, ya sea por la entrada directa de productos de la combustión del tabaco a los ojos o por elevación de la temperatura del cristalino.

Un papel importante juega el glutatión reducido con su efecto antioxidante manteniendo los grupos tiol de forma reducida, lo que garantiza la transparencia del cristalino.

Por lo anterior actualmente se desarrollan tratamientos antioxidantes para la prevención y curación de esta patología. Ejemplo de esto es la N-acetilcarnosina que actúa a nivel molecular protegiendo al cristalino con su efecto antioxidante.

RETINOPATÍA DIABÉTICA Y ESTRÉS OXIDATIVO.

La retinopatía diabética es la complicación más frecuente de la diabetes mellitus, afectando al 90% de los diabéticos con más de un 5% de casos de ceguera legal, siendo la retinopatía diabética proliferante la primera causa de ceguera en adultos jóvenes en los países occidentales; hay pruebas evidentes de que la severidad y rapidez en el comienzo de la retinopatía diabética está influenciada por factores genéticos (9,10,11). En los diabéticos el cambio patológico más precoz, es un aumento del flujo circulatorio retiniano aparecen después los cambios histológicos evidenciables: pérdida de pericitos, engrosamiento de la membrana basal, pérdida de células endoteliales y oclusión de los capilares retinianos, con la consiguiente hipoxia y neovascularización de la retina: en este escenario la visión normal, e incluso útil, es imposible.

Ensayos clínicos a gran escala han identificado a la hiperglicemia como la clave para el incremento en la producción de especies reactivas de oxígeno a través de la activación de la proteinquinasa C, del aumento de la vía del poliol y de la glicosilación no enzimática de proteínas (13). Sin embargo a pesar del control de los niveles de glucosa sanguínea, la mayoría de los pacientes diabéticos son afectados por la retinopatía, la que puede progresar a formas severas.

La glicosilación avanzada de proteínas comienza con la reacción de Maillard, un proceso no enzimático que se inicia cuando las proteínas son expuestas a la glucosa u otro carbohidrato. Se generan primero bases de Schiff que conducen a los productos de Amadori, más estables. Los compuestos de Amadori tienen grupos cetoles que tienen la propiedad de reducir al oxígeno molecular y formar radicales superóxido capaces de degradar al colágeno, pero también pueden originar radicales hidroxilo, mucho más tóxicos y con ello originar la degradación de proteínas (12,13). Estas reacciones originan además centros reactivos en las proteínas modificadas capaces de catalizar reacciones redox que se convierten en sitios activos estables para la formación de radicales libres, lo que explica por qué se incrementa el daño oxidativo en lípidos, proteínas y el ADN.

Las mitocondrias retinianas son tanto fuente como blanco de las ERO, pues se ha demostrado que el estrés oxidativo induce muerte apoptótica de las células de los capilares de la retina por ataque directo a las mitocondrias. La apoptosis por daño mitocondrial requiere de la liberación del citocromo c de las mismas y la activación de una clase específica de proteasas citoplasmáticas conocidas como caspasas. También hay mecanismos de protección como la existencia de la Bcl-2, proteína antiapoptótica localizada en la mitocondria que inhibe la liberación del citocromo c y protege contra la apoptosis inducida por estrés oxidativo.

No obstante, los altos valores de superóxido en la retina, pueden hacer a la mitocondria disfuncional, con translocación desde el citoplasma a la mitocondria de la proteína proapoptótica Bax y pérdida del citocromo c fuera de ella (14,15). El origen radicálico se comprueba porque la inhibición de la producción de superóxido impide la disfunción mitocondrial inducida por la glucosa, la activación de la caspasa-3 y la muerte celular en las células de los capilares.

Las alteraciones microvasculares en la retina del diabético se han estudiado mucho, pero poco se sabe de los cambios que se producen en las neuronas retinianas; Barber et al demostraron que la degeneración neurorretiniana (glial y neuronas) ocurre de forma precoz en el curso de la diabetes y es considerada un componente de primer orden en la patología de la retinopatía diabética, además la muerte neuronal ocurre por apoptosis (16,18). El vítreo del diabético es especial con una concentración 20 veces mayor de productos finales de la glicoxilación (glicoxilación no enzimática) en comparación del vítreo de un control, favoreciendo la progresión de la retinopatía diabética, ya que los cambios glicoxilativos en la interfase vítreo-retiniana estimulan la migración celular y la proliferación desde la retina al cortex vítreo.

El ácido glutámico es el neurotransmisor excitador fundamental del sistema nervioso central, recientemente se ha concedido gran importancia al glutámico como mediador de procesos isquémicos en la retina y en el nervio óptico (5-17,18). Estudios de microdiálisis han demostrado que las elevaciones de glutámico en vítreo reflejan las elevaciones del mismo en el espacio extracelular de la retina. Igualmente, el bloqueo de los receptores del glutámico (NMDA= N-methyl-D-aspatate) confiere protección a la retina en fenómenos isquémicos y en presencia de células de Müller el glutámico es retirado eficientemente (19). En los procesos isquémicos agudos se produce un aumento del glutámico en vítreo que induce una modificación histológica, mayor cuanto más largo sea el proceso de isquemia-reperfusión (20), en los procesos de isquemia crónica el aumento de glutámico induce una alteración de las células ganglionares de la retina con una reducción del 42%; por tanto este aminoácido es tóxico para las células retinianas, aumentando su estrés oxidativo (21). Estudios en experimentación humana y animal (22) demuestran un incremento en la concentración de glutámico en el vítreo de retinas diabéticas y este aumento no es sino expresión de una elevación en la concentración de este aminoácido en la retina.

GLAUCOMA Y ESTRÉS OXIDATIVO.

El humor acuoso se genera y evacua de forma constante y equilibrada en las estructuras del segmento anterior del ojo para su propia nutrición y el mantenimiento del tono ocular (23). La regulación de la presión intraocular (PIO) depende del equilibrio de complejos mecanismos implicados en la producción y drenaje del humor acuoso, entre ellos la estabilidad y supervivencia de los fenotipos celulares implicados y el mantenimiento de la homeostasis. Existe evidencia de que las especies reactivas de oxígeno juegan papel importante en el glaucoma primario de ángulo abierto. Se ha comprobado daño oxidativo en el ADN de estos pacientes. También avalan la hipótesis del daño oxidativo en pacientes glaucomatosos el incremento a la resistencia del flujo en la cámara anterior del ojo en presencia de altos niveles de peróxido de hidrógeno, la abundante actividad antioxidante de la malla trabecular, el incremento significativo en la actividad de enzimas en el humor acuoso de estos pacientes y la afectación que produce el H2O2 a la malla trabecular (2).

El óxido nítrico (ON) es un gas hidrofóbico de vida corta, producido endógenamente y que posee una estructura química relativamente sencilla. El óxido nítrico (ON) se sintetiza de forma endógena a partir de la L-arginina, el oxígeno y la NADPH, según aparece en las reacciones siguientes mediadas por las enzimas óxido nítrico sintasas (ONSs), y de las cuales se han identificando tres isoformas: NOS1 (también llamada NOS neuronal, nNOS o NOS I), NOS2 (NOS inducible, iNOS ó NOS II) y NOS3 (NOS endotelial, eNOS o NOS III). Todos los subtipos producen óxido nítrico (ON), L-citrulina y NADP+ precisando también el grupo hemo y el Ca2+/calmodulina como cofactores, A finales de los años 70 se demostró que los efectos vasodilatadores de la nitroglicerina y otros nitratos estaban mediados por el óxido nítrico (ON) y que éste último podía activar la enzima guanilil ciclasa soluble en las células musculares lisas de los vasos sanguíneos. Esto permitió conocer los mecanismos de síntesis de GMP cíclico por parte del enzima específico.

Casi al mismo tiempo, se conoció que la relajación de los vasos sanguíneos dependiente de la acción de la acetilcolina necesitaba un endotelio vascular intacto y así se pensó que debía existir una sustancia específica, que cuando era liberada por las células endoteliales pudiera actuar sobre las células musculares lisas, es decir lo que consideraríamos un «factor de relajación derivado de endotelio vascular» (23). En los años siguientes se llegó a la conclusión de que esta molécula era el óxido nítrico (ON), alcanzando la evidencia de que las células endoteliales producían el óxido nítrico (ON) en cantidad suficiente para explicar la relajación observada.

Estos hallazgos confirmaron las hipótesis previas, concediéndose en 1998 el Premio Nobel de Fisiología y Medicina a Robert Furchgott, Louis Ignarro y Ferid Murad, por el descubrimiento de la función del ON como molécula señalizadora en el sistema cardiovascular y su función para el mantenimiento de la salud (24).

El ON se considera un mensajero fundamental para los sistemas de transducción de señales en el cerebro y aparato cardiovascular. Aunque se identificaron los enzimas sintetizadores en el cerebro (NOS1), y posteriormente en macrófagos (NOS2) y en el endotelio (NOS3), estas enzimas se han encontrado también en otras células del organismo, participando en diversos procesos fisiológicos y patológicos, incluyendo las enfermedades oculares, entre las que se ha descrito su implicación en las cataratas, uveítis y glaucoma (11-13).

Las especies reactivas del oxígeno (EROx) están constituidas por los radicales libres, aniones reactivos e inestables que contienen átomos de oxígeno, o moléculas que contienen átomos de oxígeno que puede producir radicales libres o que son químicamente activadas por éstos. Entre las EROx son las más relevantes el radical hidroxilo, anión superóxido, peróxido de hidrógeno y el peroxinitrito. La mayor producción de ROS acontece durante la respiración aerobia, aunque también son formadas en los peroxisomas (oxidación de ácidos grasos) y microsomas (sistema citocromo P450 y metabolismo de xenobióticos), la fagocitosis de agentes patógenos o de lipopolisacáridos, el metabolismo de la arginina, y algunos tejidos específicos (15).

En condiciones normales, las EROx se eliminan principalmente por la acción de los enzimas superóxido dismutasa (SOD), catalasa y glutation peroxidasa (GSHPx). La formación y acumulación de EROx daña las células y tejidos mediante el ataque a macromoléculas, como los ácidos grasos poliinsaturados de los lípidos de las membranas, las proteínas esenciales, y los ácidos nucleicos (16). Diversas enfermedades han sido relacionadas etiopatogénicamente con las EROx, y además el estrés oxidativo forma parte de los mecanismos lesivos de la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson, el cáncer y el envejecimiento. En cuanto al sistema visual, también se han implicado las EROx en la etiopatogenia de diversos procesos oftalmológicos, principalmente las cataratas, degeneración macular asociada a la edad y vítreo-retinopatías (4-5).

SISTEMAS DE DEFENSA BIOLÓGICA CONTRA LOS RADICALES LIBRES (RL)

La vida en presencia del oxígeno molecular exige contar con una batería múltiple de defensa contra los diversos RL de oxígeno, que por un lado tiendan a impedir su formación y por otro, los neutralicen una vez formados. Estas defensas son:

Primer nivel: consiste en editar la reducción univalente del oxígeno mediante sistemas enzimáticos capaces de efectuar la reducción tetravalente consecutiva sin liberar los intermediarios parcialmente reducidos. Esto lo logra con gran eficiencia el sistema citocromo-oxidasa de la cadena respiratoria mitocondrial responsable de más del 90% de la reducción del oxígeno en el organismo humano.

Segundo nivel: lo constituyen enzimas especializadas en captar el radical anión superóxido.

Tercer nivel: dado por un grupo de enzimas especializadas en neutralizar el peróxido de hidrógeno. Entre ellas está la catalasa.

SISTEMAS DE DEFENSAS ANTIOXIDANTES

Halliwell define como antioxidante a toda sustancia que hallándose presente a bajas concentraciones con respecto a las de un sustrato oxidable (biomolécula), retarda o previene la oxidación de dicho sustrato.

El antioxidante al colisionar con el radical libre (RL) le cede un electrón oxidándose a su vez y transformándose en un RL débil no tóxico y que en algunos casos como la vitamina E, puede regenerarse a su forma primitiva por la acción de otros antioxidantes. No todos los antioxidantes actúan de esta manera, los llamados enzimáticos catalizan o aceleran reacciones químicas que utilizan sustratos que a su vez reaccionan con los radicales libres (RL).

De las numerosas clasificaciones de los antioxidantes, se recomienda adoptar la que los divide en: exógenos o antioxidantes que ingresan a través de las cadenas alimentarias y endógenas que son sintetizados por la célula.

Cada antioxidante posee una afinidad hacia un determinado RL o hacia varios. La vitamina E, el betacaroteno y el licopeno actúan en el medio liposoluble de la célula y su absorción y transporte se hallan muy vinculados con el de los lípidos. La vitamina E es considerada el más importante protector de las moléculas lipídicas.

Vitamina C: neutraliza el oxígeno singlete, captura radicales hidroxilos, captura anión hiperóxidos y regenera la forma oxidada de vitamina E.
Vitamina E: neutraliza el oxígeno singlete, captura radicales libres hidroxilos, neutraliza peróxidos y captura anión superóxido.
Betacaroteno: neutraliza el oxígeno singlete.

Es necesaria la incorporación al organismo de ciertos oligoelementos como el cobre, hierro, cinc, selenio y manganeso, pues forman parte del núcleo activo de las enzimas antioxidantes.

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