Nuevas fronteras en el sistema renina-angiotensina intrarrenal

El sistema renina-angiotensina (RAS) es  conocido como uno de los más importantes reguladores  de la presión arterial, la función cardiovascular y la función renal. En los últimos años se han reportados numerosos   hallazgos  relacionados especialmente con el descubrimiento de nuevas enzimas y/o receptores, nuevos roles  y mecanismos de señalización del RAS.  Actualmente, se reconoce que el clásico eje angiotensinógeno (AGT)/renina/enzima convertidora de angiotensina I (ACE)/angiotensina II (ANG II)/receptores AT₁ y AT₂  no es el único efector  ni la única ruta de señalización  del RAS. Recientemente se han descrito tres nuevo ejes: ACE2/ANG 1-7/receptor Mas; prorrenina/PRR/MAP kinasa ERK ½  y ANG IV/AT₄/IRAP (aminopeptidasa regulada por insulina). Cada uno de estos ejes tiene sus propias enzimas, sustratos, agonistas (o ligandos), receptores y mecanismos de señalización. La ANG II puede ser hidrolizada por varias angiotensinasas, ACE2 y neprilisina para generar ANG 1-7, ANG III, ANG IV y ANG A. La prorrenina y los fragmentos más pequeños de la ANG II (ANG 1-7, ANG III Y ANG IV) se pueden unir a sus respectivos receptores o actuar como agonistas para los receptores de ANG II e inducir un efecto fisiológico. Por ora parte, además de los receptores AT₁ y AT₂ que median los efectos conocidos de la ANG en  riñón y otros tejidos, se han identificado nuevos receptores para prorrenina (PRR), ANG 1-7 (receptor Mas) y ANG IV (receptor AT₄). Dependiendo del receptor activado, los pequeños péptidos de la ANG pueden actuar como agonistas o antagonistas de  la ANG II. Por ejemplo, concentraciones apropiadas de ANG 1-7, ANG III y ANG IV pueden activar sus respectivos receptores (Mas, AT₂ o AT₄) para oponerse a los efectos conocidos de la ANG II. Por el contrario, altas concentraciones de esos mismos péptidos pueden activar al receptor AT₁  e inducir los efectos de la ANG II. Más aún, el receptor de renina/prorrenina, PRR, no sólo cataliza la conversión de la prorrenina en ANG II, sino que también induce respuestas intracelulares de  una manera independiente de la ANG II. La ANG II y los péptidos más pequeños de la ANG II pueden actuar  de manera endocrina, paracrina y autocrina y estimular receptores de membrana, citoplasmáticos y nucleares para ejercer  sus efectos.

El eje ACE/ANG II/receptores AT₁ y AT₂ puede actuar como sistema endocrino o paracrino para  regular las funciones cardiovasculares, neurales, adrenales y renales que contribuyen a la homeostasia de la presión arterial. Sin embargo, continúa siendo un debate el rol específico que juegan y la extensión  en la que intervienen el eje intrarrenal y su contraparte sanguínea  en el control de la presión sanguínea normal y el desarrollo de hipertensión. Actualmente, hay consenso general que los principales componentes del sistema RAS necesarios para la generación de  ANG II son expresados o están presentes en el riñón y que los niveles renales  de ANG II son mucho más altos que en el plasma. Altos niveles de ANG II han sido detectados en el líquido intersticial y en el líquido tubular proximal del riñón y en el compartimento endosomal intracelular. Los mecanismos que subyacen los altos niveles de ANG II en el riñón no son bien conocidos. Además de la expresión  de los componentes del sistema RAS en el riñón, dos mecanismos pueden jugar un rol crítico bajo condiciones fisiológicas y durante el desarrollo de hipertensión  dependiente de ANG II. En primer lugar, los receptores AT₁ son abundantemente expresados  en el riñón, donde  el receptor AT_1a media la captación de ANG II, especialmente en el túbulo proximal, lo cual contribuye a los altos niveles de ANG II en el riñón. En segundo lugar, según el dogma clásico, la expresión y actividad del RAS es estrictamente regulado por un mecanismo de retroalimentación negativo  por parte de la ANG II. Un incremento de ANG II en sangre y tejidos suprime la  liberación de renina por la células yutaglomerulares y por consiguiente la producción de ANG II en el riñón. Sin embargo, hay evidencia de la existencia de un asa de retroalimentación positiva en el riñón durante la hipertensión dependiente de ANG II.

En la actualidad es motivo de debate  si el AGT, la ACE y el receptor AT₁ del riñón contribuyen a la regulación de la presión sanguínea normal y al desarrollo de hipertensión. El dogma clásico es que ese rol, más que al RAS intrarrenal, corresponde al RAS circulante a través de la renina derivada del riñón, el AGT derivado del hígado y la ACE del endotelio vascular. Sin embargo, existe evidencia que la ACE endotelial  no es requerida para el mantenimiento normal de la presión sanguínea y la función renal. En este contexto, la evidencia acumulada sugiere que la ACE unida a tejido, más que la ACE circulante, es importante para el mantenimiento de la presión arterial normal y que  la ACE del túbulo proximal puede no ser necesaria para el mantenimiento de la reabsorción  del fluido proximal.  Por otra parte, estudios recientes han confirmado que los receptores AT₁ del riñón  son absolutamente requeridos para el desarrollo de la hipertensión dependiente de ANG II y que los receptores AT₁ sistémicos  no son suficientes para inducir hipertensión o hipertrofia cardiaca.

La ANG 1-7 es el péptido más estudiado de la ANG II en el RAS. Los primeros estudios  demostraron que la alteración  estructural de la fenilalanina (posición 8) o del   dipéptido Pro-Fen (posiciones 7 y 8) de la ANG II elimina completamente su acción vasoconstrictora,  la acción presora central o la estimulación de la sed. Los estudios posteriores demostraron que la ANG 1-7 tiene acciones vasodepresora y anti-hipertensiva significativas en animales o humanos y puede oponerse, directamente o indirectamente, a las acciones  de la ANG II  a través de la estimulación de prostaglandinas y óxido nítrico. La importancia de este heptapéptido en el control de la presión arterial y de la función cardiovascular y renal adquirió mayor valor con la caracterización del receptor Mas, un receptor acoplado a proteína G. El riñón es uno de los tejidos en los cuales la ANG 1-7  es generada a partir  del metabolismo de la ANG I por la ruta dependiente de endopeptidasa y del metabolismo de la ANG II por la ruta dependiente de ACE2, especialmente en el túbulo proximal.  La ANG 1-7 es detectada en el túbulo proximal y en la orina  y puede ser rápidamente hidrolizada a ANG 1-5 y ANG 1-4 por la ACE y la neprilisina. Las acciones de la  ANG 1-7 están  primariamente dirigidas  para oponerse a los efectos cardiovasculares y renales de la ANG II que incrementa la presión sanguínea, induce vasoconstricción renal para disminuir el flujo sanguíneo  renal y la tasa de filtración glomerular e induce antidiuresis y antinatriuresis. El efecto diurético/natriurético de la ANG 1-7 puede ser debido a vasodilatación renal así como también a inhibición de la reabsorción  de Na⁺ y agua  en los segmentos de la nefrona.  Diversos estudios han demostrado que la ANG 1-7 es un potente inhibidor de la ATPasa Na⁺-K⁺ en el túbulo proximal. Adicionalmente, la ANG 1-7, vía receptor Mas, tiene propiedades proinflamatorias en el riñón tan potentes como las de la ANG II.

Otra nueva frontera en el conocimiento del RAS tiene que ver con el eje prorrenina/PRR/MAP kinasa ERK ½. De acuerdo con el dogma clásico, la prorrenina es sintetizada principalmente en las células yuxtaglomerulares de la corteza renal y es biológicamente inactiva. La prorrenina se vuelve activa cuando es convertida en renina en las células yuxtaglomerulares y es liberada en repuesta a una disminución en la presión sanguínea, a la activación de los nervios simpáticos renales y a la depleción de Na⁺. La renina liberada inicia la activación del RAS mediante la hidrolización del AGT circulante y tisular para generar ANG I. Sin embargo, hay evidencia que la prorrenina puede también ser secretada por el riñón  y en menor extensión por tejidos extrarrenales como el  ojo y la glándula suprarrenal.  El receptor prorrenina/renina (PRR) es expresado en las células mesangiales glomerulares,  en el subendotelio de las arterias renales y en la membrana apical  de las células intercaladas de los conductos colectores. El PRR tiene un sitio de unión no sólo para la prorrenina sino también para la renina y se ha demostrado que la prorrenina tiene una región con mayor afinidad por el PRR que la renina, y por medio de  ella  se une al PRR para iniciar su actividad catalítica y por lo tanto la actividad del eje prorrenina/PRR/MAP kinasa ERK ½. La activación del PRR por la prorrenina, vía MAP kinasa ERK ½, estimula prostaglandinas, incrementa la actividad  V-ATPasa (vacuolar-type H⁺-ATPase) y mantiene la estructura y función de los podocitos.  Sin embargo, algunas sino todas las respuestas cardiovasculares y renales  inducidas por la prorrenina siguen siendo dependientes de la acción ANG II/receptor AT₁.

Muchos tejidos pueden sintetizar ANG II la cual puede unirse a receptores intracelulares o nucleares, activar rutas de señalización  e inducir repuestas celulares y/o nucleares independientes de receptores de la superficie celular. Alternativamente, en el riñón, especialmente en el túbulo proximal, la ANG II circulante, paracrina y autocrina puede entrar a las células vía captación mediada por receptor AT_1a  o por internalización. Hay evidencia  que no toda la ANG II internalizada es degradada en los lisosomas. El nuevo paradigma de la ANG II intracelular señala que  puede interactuar con receptores AT₁/AT₂  en las células renales e inducir efectos biológicos y fisiológicos. En el riñón, la endocitosis de la ANG II mediada por receptor AT_1a  es requerida para el transporte tubular de Na⁺ y para la inhibición de  la señal AMPc. La ANG II estimula directamente receptores AT_1a  nucleares  de células renales para incrementar la transcripción de factores importantes en la proliferación e hipertrofia celular, la fibrosis tisular y el transporte de Na⁺. En suma: la ANG II intracelular puede estimular receptores AT₁ e incrementar la reabsorción de Na⁺ y fluido en el túbulo proximal, lo cual a su vez contribuye a la regulación de la presión sanguínea. 

Con relación a los otros  péptidos derivados de la ANG II, esto es, ANG III, ANG IV y ANG A se ha demostrado que tienen efectos significativos sobre la presión arterial y la función renal. La ANG III (o ANG 2-8) es producida por la acción de la aminopeptidasa A sobre la ANG II. Hasta la fecha no se conoce un receptor específico de ANG III en el riñón. Normalmente, en el riñón, la ANG III se une a receptores AT₁ y AT₂ y produce efectos natriuréticos o antinatriuréticos, según sea el receptor activado.  Cuando la ANG III es administrada en el cerebro aumenta la liberación de vasopresina, la sed y la presión sanguínea. A nivel intrarrenal intersticial, la ANG III induce natriuresis por medio de la  ruta  receptor AT₂/óxido nítrico/GMPc. La ANG III puede ser hidrolizada por la aminopeptidasa N para generar ANG IV (o ANG 3-8). El receptor para ANG IV, AT₄, ha sido identificado como una IRAP asociada con la familia M1 de aminopeptidasas y los GLUT4 en las células que responden a la insulina. El receptor AT₄ ha sido localizado en diferentes tejidos como cerebro, corazón, vasos sanguíneos y riñón.  La ANG IV también estimula receptores AT₁. La ANG IV está implicada en la regulación del aprendizaje y la memoria. Por otra parte, vía receptores AT₁, la ANG IV incrementa la presión arterial e induce vasoconstricción renal. Estudios recientes describen la presencia del fragmento de la ANG II llamado ANG A en el plasma de humanos sanos  y con concentraciones aumentadas   en pacientes con insuficiencia renal. La ANG A puede ser generada a partir de la descarboxilación de la ANG II   y tiene la misma afinidad  por el receptor AT₁ que la ANG II, pero con mayor afinidad por el receptor AT₂. En ratas, ANG A y ANG II tiene similares efectos hipertensivos, pero la ANG A posee un mayor efecto proliferativo sobre las células de músculo liso vascular que la ANG II. 

En resumen, en los últimos años han surgido nuevas fronteras en el RAS. (1) Dos nuevos miembros del RAS: el receptor PRR y la enzima ACE2. Los estudios recientes sugieren que la prorrenina puede actuar sobre el PRR de manera independiente del clásico eje ACE/ANG II/receptor AT₁, mientras que la ACE2 puede degradar la ANG II para generar ANG 1-7, la cual activa al receptor Mas. (2) La evidencia acumulada indica que la ANG II puede funcionar como un péptido intracelular para activar receptores intracelulares y/o nucleares.  (3) Actualmente es motivo  de debate  las contribuciones reelativas  del RAS sistémico y el RAS intrarrenal en la regulación fisiológica de la presión sanguínea y el desarrollo de hipertensión. (4) El desbalance de acciones inducido por la ANG II y sus metabolitos ANG 1-7, ANG III y ANG IV en favor de un incremento en la formación de ANG II en los tejidos y la activación del eje ACE/ANG II/receptor AT₁ puede conducir al desarrollo de hipertensión  y enfermedades inducidas por la ANG II.

Fuente: Zhuo JL et al (2013). New frontiers in the intrarenal renin-angiotensin system: a critical review of classical and new paradigms.  Frontiers in Endocrinology 4: Article 166.

Acciones de la angiopoietina-1 en la regeneración vascular

La angiopoietina-1 (Ang1) es una proteína que se distingue en el numeroso grupo de factores de crecimiento pro-angiogénicos porque puede inducir la remodelación vascular  a partir de  las uniones de las  células endoteliales. La estructura de la Ang1  consiste en tres dominios: un dominio similar a fibrinógeno en el carboxilo terminal que se une al Tie2, un receptor tirosina quinasa que es expresado principalmente en las células endoteliales vasculares en crecimiento, un dominio central que induce la dimerización de los dominios similares a fibrinógeno y un dominio amino terminal corto que agrupa los dímeros en tetrámeros.  Para inducir la activación del Tie2, la Ang1 usa estructuras oligoméricas y multiméricas. La variante  dimérica de la Ang1  activa al Tie2  con menor afinidad que la Ang1 mientras que la variante monomérica es aún menos capaz  de unirse y activar al Tie2.  La angiopoietina 2  (Ang2), el segundo miembro de la familia de las angiopoietinas,  tiene una estructura similar a la de Ang1 con aproximadamente 60% de aminoácidos idénticos. Ambas angiopoietinas tienen afinidades similares por el Tie2. Originalmente se pensaba que la Ang2 actuaba antagonizando   la unión  de la Ang1con el Tie2 y bloqueando la autofosforilación del Tie2 inducida por la Ang1. Sin embargo, los datos acumulados  indican que, bajo ciertas condiciones, Ang2 se une y activa al Tie2 y a las integrinas, pero bajo  otras condiciones puede actuar inhibiendo al Tie2.

La Ang1, a diferencia de otros factores de crecimiento angiogénicos, puede generar neovascularización con mínimos efectos colaterales. Las primeras investigaciones establecieron que la Ang1 es un ligando agonista  del Tie2 en la regulación  de la remodelación, maduración y estabilización vascular durante la primera mitad del desarrollo embrionario murino.  Por ora parte, estudios recientes revelaron que la sobre expresión de Ang1  en la vasculatura normal induce un patrón único  de agrandamiento vascular, principalmente en vasos sanguíneos pequeños, a través del incremento de la proliferación circunferencial  de las células endoteliales, aparentemente por activación de la señal apelina-APJ. El agrandamiento vascular inducido por la Ang1 resulta en una bien arreglada arquitectura de células endoteliales y uniones intercelulares con adecuada adherencia  de pericitos que promueve la perfusión sanguínea. En las vasculaturas isquémicas y activadas, la sobre expresión de Ang1 no sólo induce el agrandamiento vascular sino  también la angiogénesis vía Tie2 vascular e integrinas vasculares y no vasculares. En este caso, la Ang1 induce la translocación del Tie2 a los contactos célula-matriz promoviendo la migración celular, una etapa primaria de la angiogénesis, a través  de la activación de las señales  Akt, ERK y Dok-R. Esta remodelación vascular inducida por la Ang1 puede estar acompañada por un incremento del reclutamiento de pericitos dependiendo de las condiciones y del tejido involucrado. En suma, la Ang1 promueve la perfusión vascular  que es crítica para aliviar las consecuencias de la isquemia y muchos estudios han demostrado que la sobre expresión de Ang1 tiene efectos beneficiosos  en la restauración de la función  de varios órganos, incluyendo extremidades, corazón, cerebro, pene, articulaciones y riñones.

La movilización, el reclutamiento y la adhesión  de células progenitoras circulantes derivadas  de la médula ósea  en los tejidos isquémicos promueven la neovascularización proporcionando una batería  de factores de crecimiento angiogénicos a los vasos isquémicos y facilitando la incorporación de esta población de células en el endotelio isquémico. En este sentido, la suplementación local de Ang1 regula positivamente al factor derivado de las células del estroma-1 (SDF-1), el principal regulador del tráfico de células progenitoras derivadas de la médula ósea en el endotelio isquémico, posiblemente mediante la activación del blanco de rapamicina de mamíferos (mTOR)  y el consiguiente incremento de los niveles del factor inducible por hipoxia-1α (HIF-1α). A través de estos eventos moleculares, la Ang1 podría facilitar la incorporación funcional de células progenitoras derivadas de la médula ósea en el endotelio isquémico y por tanto promover la neovascularización.

Estudios recientes han sugerido un rol angiogénico organotípico de la Ang1. En el intestino, durante el desarrollo prenatal, se forman las vellosidades las cuales maduran  y son conectadas autónomamente. Después del nacimiento, se desarrolla en las vellosidades un plexo de vasos interconectados en la medida que la microbiota coloniza el intestino. La maduración vascular y  la remodelación  de estos vasos presumiblemente son mediadas por la señal Ang1-Tie2 en el epitelio intestinal  en repuesta a factores desconocidos procedentes de la microbiota intestinal.  Por otra parte, el Drm, un miembro de la familia Dan de antagonistas de las proteínas morfogénicas del hueso, es un factor proangiogénico que actúa sobre las células endoteliales vía un receptor aún no identificado. La proteína Drm regula positivamente la expresión de Ang1 a través de la activación del factor de transcripción NF-κB en las células endoteliales, induciendo de una manera autocrina la actividad proangiogénica de Drm.

El concepto de interacciones entre Ang1 y las integrinas ha ganado amplia aceptación en los últimos años. La adhesión de Ang1 a la integrina α₅β₁ fue observada por primera vez en fibroblastos sin Tie2. La Ang1 promueve la supervivencia  de miocitos cardiacos y esqueléticos a través de mecanismos dependientes de las integrinas α_v y α₅. En células de la piel, la Ang1 promueve la señal de adhesión y supervivencia  (Akt y MAPK) a través de la integrina α_vβ₁. Las funciones neuronales de la Ang1 también pueden ser mediadas por la señal integrina. Más aún, un estudio reciente revela que la Ang2 se une directamente a -y activa – las integrinas α_vβ₃, α_vβ₅ y α_vβ₁.

Las células endoteliales controlan el paso de constituyentes del plasma y células circulantes de los vasos sanguíneos hacia los tejidos. El VEGF-A, una proteína glucosilada que actúa específicamente sobre las células endoteliales, es un potente factor que incrementa la permeabilidad de las células endoteliales, acción  que es contrarrestada por la Ang1 en múltiples niveles.  La permeabilidad de las células endoteliales es regulada en parte por la dinámica de apertura y cierre  de las uniones de adherencia célula-célula. Estas uniones  están compuestas  por caderinas endoteliales  y las rutas endógenas que incrementan la permeabilidad de las células endoteliales afectan la función y organización  de las caderinas y otras proteínas de las uniones de adherencia de diversas maneras.  Por ejemplo, el VEGF-A, vía Src,  induce la fosforilación de  tirosinas, la redistribución y la internalización de las caderinas a partir de los complejos de unión, lo cual resulta en el incremento de la permeabilidad de las células endoteliales y en la diapédesis de leucocitos.  La estimulación de la señal Tie2 por la Ang1 promueve el secuestro  de Src a través de los diáfanos, un blanco de la GTPaa RhoA,  y por consiguiente contrarresta la permeabilidad de las células endoteliales inducida por el VEGF-A.  Otro mecanismo anti-permeabilidad  de la Ang1 es vía fosfotirosina fosfatasa del endotelio vascular (VE-PTP). La VE-PTP es una fosfatasa tipo receptor expresada específicamente  en las células endoteliales y modula la permeabilidad de estas células interactuando con las caderinas y el Tie2. La VE-PTP ejerce primariamente su efecto anti-permeabilidad incrementando la asociación entre las caderinas de las células endoteliales y la placoglobina en el complejo caderina-catenina, el cual a su vez fortalece la integridad de contacto de las células endoteliales. Esta integridad se ve comprometida cuando los leucocitos entran en contacto  con las células endoteliales o en respuesta a la estimulación  por VEGF.  La estimulación por VEGF dispara la disociación  de la VE-PTP de las caderinas, lo cual desestabiliza  los contactos célula-célula en el endotelio. En presencia de contactos célula-célula, la Ang1 promueve la formación de complejos Tie2-VE-PTP y reduce la permeabilidad  de las células endoteliales.  

La Ang1 actúa como un importante mediador de la homeostasis de la célula endotelial controlando los niveles intracelulares  de Ca²⁺. La Ang1 inhibe el transito intracelular de Ca²⁺ inducido por trombina y bloquea la permeabilidad inducida por VEGF-A al interferir con la ruta IP₃ que estimula la entrada de Ca²⁺ extracelular a través de la membrana celular. Adicionalmente, la Ang1 inhibe la permeabilidad transendotelial al inhibir la liberación de óxido nítrico inducida por VEGF  a través de un incremento de la fosforilación inhibitoria de la eNOS.

La Ang1 también juega un rol sustancial en el mantenimiento  y la protección del vaso sanguíneo  a través de la estabilización vascular y contrarrestando la inflamación. La supervivencia de las células endoteliales es un prerrequisito para el mantenimiento de la integridad endotelial y la Ang1 actúa como factor de supervivencia de la célula endotelial pues previene la apoptosis, la formación de trombos, la inflamación vascular y el colapso.

En conclusión, los avances recientes que subyacen las implicaciones biomédicas de la  Ang1 en la neovascularización son: 1. La Ang1 promueve la angiogénesis de una manera altamente organizada, saludable y direccional a través de la señal Tie2 vascular y la señal integrina no vascular. 2. La Ang1 promueve la perfusión vascular y restaura la función de los órganos isquémicos. 3. La Ang1 contrarresta la permeabilidad de la célula endotelial inducida por VEGF en múltiples niveles. 4. La Ang1 juega un rol sustancial en el mantenimiento, la homeostasis y la protección vascular, promoviendo la estabilización y la supervivencia de la célula endotelial e inhibiendo la respuesta inflamatoria. 5. La Ang1 promueve la supervivencia de miocitos  cardiacos y esqueléticos a través de mecanismos dependientes de integrinas.

Fuente: Koh GY (2013). Orchestral actions of angiopoietin-1 in vascular regeneration.  Trends in Molecular Medicine 19: 31-39.

Los astrocitos y el acople neurometabólico

Los astrocitos juegan un papel clave en el aporte de sustratos energéticos a las neuronas. La posición estratégica de los astrocitos entre los capilares sanguíneos y las neuronas ha dado lugar al concepto acople neurometabólico. Los astrocitos toman la glucosa de la circulación, la almacenan como glucógeno o la metabolizan en lactato, un sustrato energético que puede pasar a las neuronas para su utilización. Los astrocitos pueden también regular el aporte de glucosa a las neuronas a través de la modulación  del flujo sanguíneo vía vasodilatación o vasoconstricción de los vasos sanguíneos. Por décadas, la contribución de los astrocitos ha sido examinada a nivel individual como parte de la unidad neuro-glia-vascular. Sin embargo, los datos recientes resaltan las extraordinarias propiedades  de los astrocitos como redes conectadas por uniones gap, las cuales no sólo influyen en las sinapsis locales, sino que también modulan los circuitos neuronales distales.

Los astrocitos están perfectamente equipados para llevar a cabo la regulación del metabolismo de la glucosa en repuesta a la actividad neuronal. Ellos expresan una variedad  de receptores que les permiten sensar y responder a la actividad neuronal. Adicionalmente, exhiben una compleja maquinaria de transportadores y enzimas que metabolizan, almacenan y transfieren los sustratos metabólicos. Los astrocitos están orientados primariamente hacia la captación de la glucosa, su oxidación o almacenamiento en la forma de glucógeno, pero ellos poseen una marcada versatilidad metabólica para metabolizar eficientemente cuerpos cetónicos, ácidos grasos y glutamato.

En el cerebro, la oxidación de la glucosa está casi exclusivamente dirigida a cubrir el alto costo energético de la transmisión sináptica. El incremento de la actividad neuronal se traduce en un aumento de la captación de glucosa en las regiones activas.  Debido a las pocas reservas energéticas en el sistema nervioso central, tal actividad depende grandemente del aporte finamente regulado de glucosa sanguínea. Los astrocitos juegan un rol central en este proceso. Ellos expresan transportadores de glucosa, los cuales están en íntimo contacto con los capilares cerebrales. La hipótesis de la exportación  de lactato del astrocito a la neurona establece que el aumento de la actividad neuronal en las sinapsis glutamatérgicas estimula la captación de glutamato, el cual es co-transportado con Na⁺  en los astrocitos. La restauración del gradiente de Na+ por la bomba Na/K consume ATP cuyos niveles son recuperados mediante un incremento en la captación de glucosa y en la glucolisis en los astrocitos. La glucolisis también permite la producción rápida de lactato que luego es transportado a las neuronas para satisfacer las necesidades energéticas. El glutamato también es exportado a las neuronas en la forma de glutamina. En los astrocitos, el K⁺ liberado durante la neurotransmisión es un inductor adicional de la glucolisis y la exportación de lactato.

Otra forma de utilización de la glucosa en los astrocitos es su transformación en glucógeno, la mayor reserva energética del sistema nervioso central. Los gránulos de glucógeno son almacenados exclusivamente en los astrocitos y pueden ser metabolizados rápidamente en casos de hipoglucemia para sostener la función neuronal. Aunque la glucosa es el sustrato metabólico primario del cerebro, los cuerpos cetónicos pueden ser metabolizados  y  alcanzar  concentraciones tan altas como las de la glucosa. Esto ocurre durante el período neonatal, durante el ayuno o cuando los niveles de cuerpos cetónicos aumentan artificialmente por una dieta cetogénica. Los astrocitos pueden producir los cuerpos cetónicos a partir de los ácidos grasos. Más aún, en condiciones particulares, los astrocitos pueden sobre expresar las enzimas involucradas en el metabolismo de los cuerpos cetónicos y los ácidos grasos  e incrementar su oxidación como sustratos alternos a la glucosa.

Una propiedad clave de los astrocitos es su extensa red comunicacional  a través de uniones gap intercelulares. Los astrocitos expresan altos niveles de conexinas, las proteínas que forman las uniones gap, las cuales son canales  que permiten el intercambio directo con el citoplasma de una variedad de moléculas pequeñas tales como iones (K⁺, Ca²⁺, Na⁺), segundos mensajeros (AMPc, IP₃) o metabolitos (glucosa, lactato). Cada canal está formado por dos hemicanales, los conexones, proporcionados por dos astrocitos vecinos y cada uno compuesto por seis proteínas transmembrana, las conexinas.  En los astrocitos, las dos principales conexinas son la conexina 43, presente desde los estadios embrionarios hasta la vida adulta, y la conexina 30 que es expresada después del día 10 de vida postnatal. Las uniones gap median la formación de grandes ensambles celulares, de varios mm de longitud y formados por cientos o miles de astrocitos, en diferentes regiones del cerebro.  Aunque las uniones gap  median una extensa comunicación intercelular entre células vecinas, estas conexiones pueden ser selectivas y preferenciales. En otras palabras, los astrocitos adyacentes no siempre están funcionalmente conectados. Esto puede resultar por la expresión heterogénea de conexinas en los astrocitos o por la regulación de corto plazo  de la permeabilidad de las uniones gap. En algunas regiones cerebrales, las redes astrogliales están finamente organizadas  en compartimentos anatómicos y funcionales similares a las redes neuronales. Por ejemplo, en el hipocampo, los astrocitos forman extensas redes por debajo y por arriba de la capa de células piramidales; esto es atribuido, al menos en parte, a la distribución no homogénea de astrocitos y conexinas. En las estructuras cerebrales marcadamente compartamentalizadas como la corteza somatosensorial o el bulbo olfatorio, la organización estructural de las redes astrogliales se superpone con las unidades anatómicas y funcionales de las neuronas asociadas. Estas diferentes organizaciones de las redes astrogliales en las regiones cerebrales puede influir directamente en cómo las neuronas distantes con altas necesidades energéticas en una red específica son suplidas con metabolitos tomados por los astrocitos perivasculares.

Estudios reciente sugieren que la conectividad funcional de la red perivascular de astrocitos  contribuye con el acople neurometabólico. La primera etapa en la demostración de esta hipótesis consistió  en visualizar el trafico de metabolitos energéticos a través de las redes astrogliales y en determinar si las redes podrían estar sometidas a regulaciones dependientes de actividad.  Para tal fin se emplearon  infusiones de análogos fluorescentes de la glucosa en los astrocitos adyacentes a los vasos sanguíneos. La difusión de estas moléculas reveló que las conexinas astrogliales median una distribución de glucosa dependiente de actividad a través de las redes astrogliales intercelulares.  También se encontró que el trafico de glucosa a través de las  redes astrogliales es específicamente regulado  y que la regulación  ocurre en una ruta preferencial a lo largo de las terminaciones astrocíticas alrededor de los vasos sanguíneos y depende de la actividad neuronal. El mecanismo molecular que subyace a la regulación dependiente de actividad aún no se conoce con exactitud. Se han propuesto algunas rutas reguladoras  como por ejemplo la despolarización  mediada por la liberación de K⁺ dependiente de actividad que aumenta el acople de uniones gap astrogliales  a través de la fosforilación  de las conexinas 43 por la CAMKII. El glutamato también ha sido propuesto como regulador de la permeabilidad de las uniones gap astrogliales aunque los resultados han variado según la preparación y el subtipo de receptor involucrado.  Poe ejemplo, el glutamato liberado en las sinapsis del hipocampo incrementan el tráfico de glucosa a través de las uniones gap vía activación de receptores AMPA postsinápticos pero no a través de los transportadores de glutamato astrocíticos. Por otra parte, el tráfico de glucosa a través de las redes astrogliales mediado por uniones gap puede seguir un gradiente desde sitios de alta concentración, cerca de los vasos sanguíneos, a sitios de baja concentración donde se encuentran  las neuronas activas que  requieren  un gran consumo. Este resultado  es apoyado por la siguiente observación: la estimulación neuronal  en una determinada capa  del hipocampo incrementa selectivamente la difusión de glucosa en esta capa a través de una red astroglial que se origina en una capa distante.

La segunda etapa  de la demostración de la hipótesis anterior consistió en determinar si el tráfico de glucosa en las redes astrogliales podría afectar la actividad sináptica. Las investigaciones sobre este punto sugieren que las redes astrogliales  mediadas por uniones gap  juegan un papel crucial de soporte de la función  de los astrocitos proporcionando  una ruta intercelular dependiente de actividad para el manejo de la glucosa de los vasos sanguíneos  a las neuronas.  El glutamato incrementa la captación y el tráfico de glucosa en la red astrocítica y es considerado la señal clave para el adecuado aporte de metabolitos energéticos  en los sitios de demanda neuronal.  El clásico modelo del acople neurometabólico, en el cual los astrocitos son considerados como entidades simples que controlan el aporte de sustratos a las neuronas ha sido revisado  y ahora incluye las redes metabólicas de astrocitos mediadas por uniones gap que proporcionan  metabolitos energéticos de una manera remota y eficiente hacia los sitios de neurotransmisión activa. Por otra parte, es bien conocido  que la entrada de Na⁺ en los astrocitos a través  de transportadores de glutamato estimula la captación de glucosa. Si trasladamos este modelo al nivel de  redes astrogliales llegamos a la noción  de amplificación de la respuesta metabólica.  En experimentos in vitro se ha demostrado que el glutamato neuronal genera ondas metabólicas mediadas por Na⁺ las cuales son capaces  de coordinar la captación de glucosa por los astrocitos conectados  por uniones gap. Este sistema de amplificación requiere de ondas de Ca²⁺ intercelulares para disparar la liberación astroglial de glutamato, el cual es tomado por los cotransportadores glutamato/Na⁺ y resulta en ondas de Na⁺ astrogliales intercelulares regenerativas.  La reciente identificación de estas ondas de Na⁺ en el hipocampo sugiere que este mecanismo ocurre en condiciones fisiológicas.  Sin embargo,  se encontró que la generación de las ondas de Na⁺ depende de las uniones gap pero no de las ondas de Ca²⁺. Esta observación reaviva el debate sobre si las ondas de Ca²⁺ astrocíticas  ocurren en condiciones fisiológicas in situ e in vivo. Un estudio reciente reporta que tales ondas, llamadas glissandi, ocurren en condiciones fisiológicas in vivo en el hipocampo y dependen de la actividad neuronal y de las uniones gap.

En conclusión, los astrocitos conectados por uniones gap amplifican las respuestas metabólicas mediante la generación de ondas metabólicas mediadas por Na⁺, lo cual resulta en la captación coordinada de glucosa por los astrocitos. Adicionalmente, el tráfico de  sustratos energéticos, como glucosa y lactato,  ocurre de una manera dependiente de actividad a través de redes astrogliales para sostener la actividad neuronal distal. Las redes metabólicas astrogliales juegan un rol crucial en el acople neurometabólico supliendo eficientemente sustratos energéticos para la actividad de neuronas distales.

Fuente: Escartin C y Rouach N (2013). Astroglial networking contributes to neurometabolic coupling.  Frontiers in Neuroenergetics 5:  Article 4.

Efectos de la progesterona en el oocito y el embrión

La maduración del oocito y el desarrollo del embrión son controlados por hormonas, citoquinas y factores de crecimiento.  In vivo, la maduración del oocito tiene lugar en presencia  de líquido folicular el cual está compuesto de exudados del plasma y secreciones de las células del folículo ovárico. La progesterona existe en el líquido folicular  y contribuye a la función normal del ovario.  En cada etapa del desarrollo folicular, los contenidos de esteroides en el líquido folicular cambian y la relación progesterona /estrógenos está relacionada con el estado de maduración del oocito. Durante la foliculogénesis  el oocito gradual y secuencialmente adquiere la capacidad de poder ser fertilizado y desarrollar en un embrión de alta calidad.

El proceso de meiosis en el oocito de mamíferos tiene lugar en varias etapas. El inicio de la primera división meiótica ocurre en el desarrollo fetal o alrededor del momento de nacimiento. El oocito progresa a través de los estadios de cigotene, paquitene y diplotene pero se detiene en el estadio de profase I. En la pubertad, con el pico hormona luteinizante (LH) durante el ciclo menstrual, se completa la primera división meiótica; la segunda división meiótica se detiene en la ovulación y se reanuda sólo después de la penetración del espermatozoide.

La progesterona  es una hormona esteroide sintetizada en varios tejidos como cuerpo lúteo, placenta y glándula suprarrenal. En el ovario, el colesterol es convertido  enzimáticamente en pregnenolona, la cual    puede seguir una de dos rutas (∆4 o ∆5). En la ruta ∆4 la pregnenolona puede ser convertida en progesterona.  Durante el ciclo menstrual, la progesterona es el esteroide dominante en el líquido folicular aproximadamente 18 horas después del pico de LH y   no sólo sirve de precursor de otros esteroides, sino que pasa a la circulación y actúa como hormona. El nivel plasmático de progesterona varía con el sexo y la edad reproductiva. En un ciclo menstrual normal, los niveles circulantes de progesterona alcanzan el máximo valor después de la ovulación. Su vida media en plasma es de 5 minutos aproximadamente.

La progesterona es un esteroide  con roles críticos en la ovulación, la implantación del blastocisto y el mantenimiento del embarazo, incluyendo la receptividad endometrial, la supervivencia del embrión y la transformación de las células del estroma endometrial en células deciduales. Las acciones biológicas son mediadas por tres isoformas  genómicas de receptores (PR), PRA, PRB, y PRC, y tres isoformas no genómicas (PGR), α, β y γ. Aunque PRA y PRB  provienen de un mismo gen, el PRA es un represor más importante que el PRB. El PRC es la isoforma  más corta y no tiene actividad transcripcional. PRA y PRB son expresados en las células granulosas del folículo preovulatorio. Los receptores de membrana o no-genómicos PGR son particularmente notables como promotores de la meioisis del oocito.  Además del tracto reproductor, los PRG son expresados en sistema nervioso central, intestino y riñón. El receptor no genómico componente de membrana 1(PGRMC1) es un potencial  mediador de la acción anti-apoptosis de la progesterona. El PGRMC1  es altamente expresado en oocitos de animales y humanos y puede estar involucrado en la regulación de la maduración meiótica.

En ciertas especies, la reanudación de la meiosis  en el oocito es disparada por hormonas esteroides, especialmente progesterona. De acuerdo con las investigaciones, los niveles de progesterona en el líquido folicular y su relación con los niveles de estrógenos están fuertemente asociados con la calidad y maduración del oocito. Sin embargo,  existe controversia con respecto al efecto de la progesterona en la maduración in vitro del oocito. Mientras algunos investigadores reportan  que la progesterona disminuye la maduración de una manera dependiente de la dosis utilizada, otros investigadores reportan que la progesterona induce la reanudación  de la meiosis durante la maduración in vitro del oocito. Por otra parte, los estudios en ratones dan cuenta que la inhibición de la maduración del oocito por la progesterona no es dependiente de receptor. Se propone que la progesterona  podría inhibir la actividad  de la fosfodiesterasa a través de su incorporación  en el sitio de unión de purinas de esta enzima, lo cual a su vez inhibe la meiosis  al aumentar los niveles de AMPc en el oocito.

En humanos y monos rhesus, una alta relación progesterona/estrógenos está asociada  con un mejor desarrollo del embrión.  La progesterona controla los microambientes, tubario y uterino, en los que se desarrolla el embrión. La progesterona puede actuar como factor de supervivencia o promoviendo indirectamente la producción y secreción de citoquinas (factor estimulante de colonias de granulocitos, por ejemplo) y factores de crecimiento que contribuyen a la supervivencia y desarrollo del embrión.  El efecto de la progesterona sobre el desarrollo del embrión es mediado a través de cambios en el transcriptoma endometrial. Diversos estudios han demostrado que la progesterona endógena  es un factor esencial en la preparación  del endometrio para la implantación del embrión. Aunque la progesterona es esencial para la continuación del embarazo en  los mamíferos, la expresión de PRs en el endometrio cesa antes de la implantación.  La pérdida de PRs es importante para el reconocimiento materno y el desarrollo del embrión al inicio del embarazo.  Varios estudios han descrito el efecto  de la  progesterona exógena sobre el desarrollo del embrión con resultados que varían de acuerdo con el tiempo y duración del tratamiento. De acuerdo con estos estudios, el tiempo de/o la magnitud del incremento postovulatorio de progesterona  es crítico para el desarrollo del embrión más que la concentración final de progesterona en la fase luteal del ciclo menstrual.

Experimentos in vitro e in vivo han demostrado que los efectos de la progesterona sobre la elongación del embrión podrían ser directos y están relacionados con los cambios en el ambiente uterino inducidos por la progesterona.  En experimentos in vitro con embriones de bovino, la adición de concentraciones fisiológicas de progesterona en el medio de cultivo tres días después de la inseminación benefició el desarrollo del embrión. La suplementación de progesterona también incrementó el número de embriones  que alcanzaron el  estadio de blastocisto grado 1.

En conclusión, la progesterona podría ser un factor de supervivencia del embrión. El efecto de la progesterona sobre la maduración del oocito y el desarrollo del embrión puede depender de su concentración.

Fuente: Salehnia M y Zavareh S (2013). The effects of progesterone on oocyte maturation and embryo development. International Journal of Fertility and Sterility 7: 74-81.