Metabolómica de la diabetes tipo 2

La investigación metabólica ha tenido un gran avance con el uso de técnicas  de química analítica para definir fenotipos metabólicos asociados con determinadas patologías. Estas técnicas facilitan el análisis de diferentes sustancias  que en conjunto forman el complemento metabólico  de un organismo. El desarrollo y la adaptación  de este enfoque ha dado lugar al campo de la metabolómica (también conocida como metabonómica). La metabolómica ayuda a medir los metabolitos (moléculas pequeñas) presentes en una célula, un tejido o un organismo, durante alteraciones genéticas o estímulos fisiológicos, mediante el uso de técnicas de química analítica.  El metabolomo es el producto terminal del genoma y consiste en el complemento total de todos los metabolitos que un espécimen biológico necesita para crecer y mantener su función normal en un estado fisiológico específico. Las estrategias metabolómicas se dividen en dos grupos: sin  blanco definido y con blanco definido. La primera, consiste  en el análisis  de todos los componentes medibles en una muestra incluyendo compuestos desconocidos. La segunda,  consiste en la medición  de grupos definidos  de metabolitos caracterizados químicamente. Las dos técnicas analíticas más usadas  en la metabolómica son la espectrometría de masa y la espectroscopia  por resonancia magnética nuclear (NMR).  La espectrometría  de masa es un método más sensible que la NMR.  Las técnicas metabolómicas han permitido identificar biomarcadores de diferentes enfermedades humanas, como la diabetes tipo 2. El interés en el uso de la metabolómica como método  para descubrir biomarcadores de la diabetes obedece, en aparte, a la etiología metabólica de la enfermedad. Por lo tanto, se espera que un método que se basa en la medición  de metabolitos resulte  más efectivo para definir los cambios asociados  con una enfermedad metabólica como la diabetes tipo 2.   

La Administración de Alimentos y Drogas (FDA) de los Estados Unidos define un biomarcador como “una característica  que es objetivamente medida y evaluada como indicador de procesos biológicos normales, procesos patológicos o respuestas farmacológicas a una intervención  terapéutica”. Clínicamente, los biomarcadores son usados para monitorear el progreso de una enfermedad o para medir los efectos de un tratamiento específico.  En el caso de la diabetes, la necesidad  de nuevos biomarcadores es relativamente reciente porque el incremento de la glucosuria ha sido utilizado como un marcador confiable y también porque la deficiencia de producción o acción de la insulina rápidamente se manifiesta como hiperglucemia, otro marcador bastante confiable.  Sin embargo, una vez que la enfermedad se hace presente, los predictores clínicos actuales (glucosa e insulina en ayunas, índice de masa corporal), aunque útiles para determinar riesgos en la diabetes, son de poca ayuda para el entendimiento  patológico de la enfermedad.  A pesar de los sustanciales avances en la genética de la enfermedad, con la identificación  de aproximadamente 20 “loci” que contribuyen al riesgo  de diabetes, estos “loci” tienen pequeños efectos  y representan sólo 5-10% del componente hereditario  de la enfermedad. El limitado rol de la herencia  refleja en parte que en la mayoría de personas, la resistencia a la insulina deriva de la interacción de la predisposición genética con factores ambientales como dieta, contaminación, estilo de vida y reducción de ejercicio físico.  Más aún, la restauración del metabolismo normal de la glucosa en los individuos pre-diabéticos con resistencia a la insulina a través del uso de dieta, ejercicio o intervención farmacológica, puede retardar o prevenir el progreso de la diabetes tipo 2. Por lo tanto, hay una necesidad clínica real de identificar marcadores de resistencia a la insulina y diabetes capaces de predecir la enfermedad antes del establecimiento de los síntomas. En este contexto, la metabolómica ha hecho importantes contribuciones  para identificar biomarcadores asociados con la resistencia a la insulina y con el riesgo de desarrollar diabetes tipo 2.

La característica definitiva de la diabetes tipo 2 es la alteración de la homeostasis glucosa-insulina, generalmente con la obesidad de fondo.  Los metabolismos de la glucosa y los lípidos frecuentemente son parte  de estudios clínicos y está bien establecida la asociación entre aminoácidos circulantes y concentraciones de insulina, con varios aminoácidos que muestran  un efecto insulinotrópico.  Las concentraciones aumentadas de leucina, isoleucina y glicerol constituyen los más fuertes predictores metabólicos de la baja sensibilidad a la insulina. Por lo tanto, estos aminoácidos  de cadena ramificada (BCAA)  pueden ser utilizados para monitorear el desarrollo de la resistencia a la insulina. Las concentraciones circulantes aumentadas de los BCAA permiten  diferenciar los perfiles metabólicos de pacientes obesos  de los de  individuos delgados y pueden estar involucradas  en el inicio de la resistencia a la insulina.  Las ratas alimentadas con dietas ricas en grasa suplementadas con BCAA ganan peso y desarrollan resistencia a la insulina mientras que las ratas con dietas ricas en grasas sin BCAA no desarrollan resistencia a la insulina. En un estudio metabolómico con 40 pacientes diabéticos y 60 controles  seleccionados aleatoriamente, los BCAA  resultaron asociados con diabetes.  Los estudios metabolómicos también han identificado asociaciones entre resistencia a la insulina y otras clases de  aminoácidos  y sus intermediarios metabólicos. Por ejemplo, el glutamato se correlaciona fuertemente con resistencia a la insulina y un incremento de la relación glutamina/glutamato predice un riesgo reducido de inicio de diabetes en humanos. Esta asociación también ha sido explorada en ratones y se ha demostrado que la suplementación de glutamina durante ocho semanas mejora la tolerancia a la glucosa y que las concentraciones circulantes de glutamina se correlacionaron inversamente con las de  BCAA.  La naturaleza de esta asociación no está clara pero se especula  que la glutamina  podría aumentar la liberación de péptido glucagonoide 1 (GLP-1), el tráfico  del transportador de glucosa GLUT 4, la secreción de insulina o la sensibilidad del tejido adiposo a la insulina. Las asociaciones reciprocas de glutamina y glutamato con la diabetes podrían también  reflejar el rol del glutamato como intermediario del ciclo de ácidos  tricarboxilico: a través de la  conversión en α-cetoglutarato, las altas concentraciones  de glutamato podrían  proporcionar una fuente alterna de energía a la utilización de glucosa vía glucolisis o de ácidos grasos  vía β-oxidación. Los hidroxiácidos formados, en parte, durante el metabolismo de los aminoácidos también han sido asociados con la resistencia a la insulina. En este sentido, la concentración aumentada de α-hidroxibutirato es considerada el metabolito más discriminatorio  en términos de resistencia  a la insulina. Los investigadores sugieren que el α-hidroxibutirato puede ser un predictor positivo de pobre control glucémico  o diabetes. Aparentemente, el α-hidroxibutirato inhibe la secreción de insulina inducida por la glucosa. Por otra parte, varias investigaciones metabolómicas  han registrado una asociación inversa entre glicina y diabetes u obesidad y sugieren que la resistencia a la insulina podría resultar en la expresión aumentada de  la síntetasa de ácido δ-aminolevulínico y por consiguiente en la producción de ácido 5-aminolevulínico a partir de glicina o que el estrés oxidativo asociado con diabetes produce un incremento de la demanda  de glutation  y la depleción de la glicina circulante.

Los estudios metabolómicos pueden también proporcionar marcadores de la efectividad de las intervenciones clínicas  para mejorar el fenotipo metabólico de los pacientes. Por ejemplo, el bypass gástrico es considerado un tratamiento efectivo para pacientes severamente obesos porque induce pérdida de peso y una de las principales características de esta intervención es la rápida mejoría de la sensibilidad a la insulina. El análisis metabolómico ha sido usado para investigar las pronunciadas alteraciones metabólicas que ocurren después de la cirugía y especialmente para investigar cómo la restauración  de la sensibilidad a la insulina  afecta el metabolismo de los BCAA. En uno de esos estudios, la pérdida de peso después del bypass gástrico fue asociada  con disminución de las concentraciones circulantes de BCAA.

A partir de los estudios metabolómicos han surgido varias explicaciones para el incremento de BCAA circulantes  en personas obesas e individuos con pre-diabetes, entre ellas, la expresión alterada  de los genes en las rutas catabólicas de los BCAA. Una teoría reciente, apoyada por numerosos estudios, involucra al metabolismo de los BCAA en el tejido adiposo. Modestas perturbaciones  de las enzimas catabólicas  pueden afectar sustancialmente las concentraciones circulantes de BCAA. El catabolismo de los BCAA en el tejido adiposo está inhibido en modelos animales de obesidad y aumentado en la grasa subcutánea  de pacientes después de  cirugía bariátrica y pérdida de peso. Más aún, la sensibilidad a la insulina se correlaciona altamente con la expresión de genes catabólicos de los BCAA en el tejido adiposo blanco  de pacientes, una asociación que también ha sido notada en modelos animales de diabetes. Estos hallazgos sugieren  que la disminución del catabolismo de BCAA en el tejido adiposo resistente a la insulina influye en las concentraciones circulantes de metabolitos de BCAA. Los BCAA también pueden contribuir directamente a la resistencia a la insulina.  Estudios recientes reportan que los BCAA de la dieta pueden inducir resistencia a la insulina  a través de un mecanismo que involucra al eje mTOR-JUN-IRS-1en músculo esquelético.  La insulina también tiene un efecto directo sobre el metabolismo de los BCAA en músculo esquelético, disminuyendo la oxidación de los BCAA a través de la regulación  de las enzimas catabólicas BCAA aminotransferasa y deshidrogenasa de cetoácidos  de cadena ramificada. Sin embargo, para algunos investigadores, no son las concentraciones de BCAA las que contribuyen a la diabetes sino las concentraciones de los productos de la degradación de BCAA, es decir α-cetoácidos. El incremento del catabolismo de BCAA en el musculo esquelético resulta de la disminución de la sensibilidad a la insulina, y el incremento de la disponibilidad de sustratos puede contribuir  a la resistencia a la insulina. Algunos investigadores han propuesto  que la función de los BCAA en un medio hiperlipémico contribuye al desarrollo de resistencia a la insulina. En este contexto, las concentraciones aumentadas  de BCAA   sobrecargan las rutas catabólicas  en hígado y músculo esquelético, aumentando la producción de los catabolitos   succinil-CoA  y propionil–CoA reduciendo la β-oxidación de ácido grasos y el catabolismo de la glucosa.    La pérdida de eficiencia  en las rutas  oxidativas centrales amplifica la oxidación  de productos parcialmente oxidados, incrementa el estrés mitocondrial, reduce la sensibilidad a la insulina y altera la regulación  de las concentraciones circulantes de glucosa.

La composición de ácidos grasos  del plasma, fosfolípidos, esteres de colesterol, triglicéridos y los ácidos grasos  de los eritrocitos han sido usados como biomarcadores  para estudiar  la relación entre ingesta  de grasa y desarrollo de obesidad, resistencia a la insulina y diabetes. La cromatografía de gas ha sido utilizada en estudios epidemiológicos a gran escala  para investigar si ácidos grasos específicos y -potencialmente- dietas específicas se correlacionan  con el riesgo  de desarrollar resistencia a la insulina y diabetes. En algunos estudios metabolómicos, se han identificado asociaciones entre concentraciones aumentadas de  ácido palmitoleico con triglicéridos aumentados y resistencia a la insulina. Sin embargo, esta asociación  podría reflejar un incremento  de la lipogénesis de novo en el hígado causada por ingesta de carbohidratos en la dieta más que un efecto directo  de la ingesta de palmitoleato a través de la dieta. Varios estudios reportan que el ácido graso saturado palmitato reduce la eficiencia  de la señal insulina. Sin embargo, el palmitato es también el producto directo de la lipogénesis  de novo a partir de glucosa y este proceso se encuentra aumentado en modelos animales de diabetes.  Por lo tanto, el incremento de la lipogénesis de novo durante la diabetes podría ser reflejado por especies de lípidos presentes  en la circulación. Otros estudios reportan una asociación inversa entre la concentración de ácidos grasos n3-poliinsaturados y el riesgo de  desarrollar diabetes. Además de las concentraciones de ácidos grasos individuales, la  relación entre ácidos grasos específicos también puede reflejar  procesos fisiológicos específicos y por consiguiente proporcionar  un enlace entre enfermedad y perturbaciones  en rutas metabólicas particulares. Por ejemplo, la relación palmitato/linoleato en la fracción triglicéridos de las VLDL –referida como índice lipogénico-  refleja la cantidad de lipogénesis de novo. Las relaciones de otros ácidos grasos  son usadas para  estimar la actividad desaturasa y también para investigar resistencia a la insulina. En un estudio reciente, después de hacer ajustes por índice de masa corporal, edad, sexo, glucosa e insulina en ayunas, triglicéridos totales y HDL colesterol, diez lípidos fueron asociados con riesgo aumentado  de diabetes y cinco especies de lípidos fueron  asociadas inversamente con el riego de desarrollar diabetes. El marcador positivo más significativo para diabetes fue el triacilglicérido 50:0 y el marcador negativo más significativo fue el triacilglicérido 58:10.

En resumen, la metabolómica tiene el potencial para definir nuevos marcadores  de resistencia a la insulina y prediabetes.  Con respecto a los metabolitos individuales, los BCAA son los marcadores más promisorios  de resistencia a la insulina y prediabetes. Las alteraciones en el metabolismo de  los BCAA han sido registradas en modelos animales, individuos obesos  y en pacientes después de cirugía bariátrica. Los resultados de los estudios en grandes poblaciones demuestran  que los BCAA son predictivos de diabetes de una manera aditiva a los modelos clínicos establecidos. Lípidos específicos también son potenciales marcadores de resistencia a la insulina. Los ácidos grasos palmitato, palmitoleato y oleato han sido asociados con resistencia a la insulina en humanos y animales. Un punto clave es entender  cuanto de la dieta contribuye a las concentraciones elevadas de ácidos grasos, en comparación con la lipogénesis de novo, a partir del consumo de carbohidratos. La incorporación de hallazgos del genoma a lo estudios metabolómicos ha aumentado el entendimiento del rol de los metabolitos  en la patogenia de la enfermedad. La triangulación  de datos genéticos, metabolómicos y fenotípicos podría ser una técnica poderosa para determinar  la contribución de los metabolitos a la enfermedad.

Fuente: Roberts LD et al (2014). Towards metabolic biomarkers of insulin resistance and type 2 diabetes: progress from the metabolome.  Lancet Diabetes Endocrinology 2: 65-75.