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jueves, 11 de febrero de 2016

Ritmos circadianos y metabolismo

De las cianobacterias a los humanos, la mayoría de organismos  tienen ritmos fisiológicos  con ciclos de aproximadamente 24 horas.  En los mamíferos, virtualmente cada tejido o función fisiológica exhibe oscilaciones diurnas. A nivel sistemático, estos patrones están temporalmente  coordinados por redes neuronales y químicas  que a su vez son mantenidas  por diversos mecanismos en el sistema nervioso central. Un aspecto central  de estos ritmos  está es la ritmicidad circadiana del núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo, el cual es entrenado por la luz. El otro ritmo dominante  es el ciclo sueño/vigilia  manejado por el sistema circadiano y la homeostasis del sueño.

El NSQ es el marcapaso circadiano dominante. La luz ambiental es detectada por células ganglionares especializadas que se proyectan a las neuronas del NSQ a través del tracto retinohipotalámico, así como también  por rutas multisinápticas indirectas. A su vez, la descarga del NSQ es mediada por variaciones circadianas  de sus neuronas o por la liberación  de péptidos, incluyendo a arginina vasopresina (AVP), polipéptido intestinal vasoactivo (VIP), péptido liberador de gastrina (GRP), factor de crecimiento transformante-α (TGFα), proquineticina 2 y citoquina similar a cardiotrofina. Estos factores solubles y difusibles  sincronizan y modulan la actividad  del sistema nervioso autónomo y la liberación de hormonas del hipotálamo, lo cual a su vez ayuda  a mantener las vigorosas oscilaciones de proteínas circadianas en los tejidos periféricos.

La homeostasis sueño/vigilia ha sido más difícil de estudiar. Sin embargo, el sueño es esencial para el mantenimiento de la salud metabólica, pues facilita la remoción de productos  de desecho y la restauración  de metabolitos necesarios.  Aunque el ciclo sueño/vigilia y las señales del NSQ están estrechamente  relacionados, el sueño es altamente influenciado por  un homeostato del sueño similar a la oscilación de un reloj de arena. Por ejemplo, un factor neural del sueño (“S”) aumenta durante la vigilia y disminuye durante el sueño, regulando el tiempo, la cantidad y la intensidad del sueño. La melatonina, una hormona derivada de la glándula pineal, juega un importante rol en la sincronización  del ciclo sueño/vigilia y el reloj circadiano.

Las rutas por las cuales el sistema circadiano central y el ciclo sueño/vigilia controlan la liberación de hormonas, las oscilaciones  de los relojes periféricos y el metabolismo en otros tejidos  aún son activamente investigadas. Las señales neuronales y neurohumorales  del NSQ  y las regiones del cerebro involucradas en la regulación del sueño pueden afectar la actividad del hipotálamo e influir en la liberación pulsátil  de varias hormonas, las cuales a su vez  afectan la liberación intermitente  de hormonas hipofisarias. Varias hormonas liberadas por la hipófisis son circadianas, con niveles circulantes que oscilan durante el día. Por ejemplo, los niveles plasmáticos  de hormona estimulante de la tiroides (TSH), prolactina y hormona del crecimiento son altos durante la noche y normalmente tienen una oscilación de aproximadamente 24 horas. En sujetos no diabéticos, la respuesta a una carga de  glucosa es muy diferente según el momento del día, independientemente de la ruta de administración, resulta en niveles plasmáticos de glucosa más  altos  en la noche que durante el día.  Los niveles postprandiales de insulina también oscilan durante un período de 24 horas, incrementándose hacia la noche y disminuyendo en la mañana. Más aún, la sensibilidad a la insulina  es circadiana, aunque no mediada por el hipotálamo.

El conocimiento de la influencia del reloj circadiano sobre el metabolismo  ha tenido un avance significativo con el descubrimiento  de las proteínas reloj, las cuales actúan como relojes biológicos. Estas proteínas, que son expresadas en casi todas las células eucariotas así como en algunos organismos procariotes, permiten que cada célula individual tenga un mecanismo autónomo y auto sostenido para funcionar en un ciclo de 24 horas. Estos osciladores circadianos se caracterizan por: (i) períodos sostenidos y persistentess  bajo condiciones estables, (ii) capacidad para entrenar estímulos externos, (iii) no ser afectados por grandes variaciones de temperatura. Las oscilaciones circadianas son manejadas  por circuitos de retroalimentación negativa de activadores como CLOCK,  BMAL1 (brain and muscle ARNT-like 1) y receptor orfan relacionado con el receptor de ácido retinoico (ROR), así como también por inhibidores como  criptocromo (CRY), período (PER) y REV-ERB (receptor nuclear1D1/2, NR1D1/2) que actúan como reguladores master. En conjunto, estas proteínas producen una célula autónoma, con ritmo transcripcional auto-sostenido  de sus propios niveles de proteínas y control de la expresión circadiana  de muchos genes. Ellas son capaces  de sincronizar temporalmente eventos externos relevantes como la luz, la temperatura y la alimentación.  

El metabolismo  es altamente circadiano, coordinado no sólo por  los ritmos circadianos autónomos de la célula sino también por ciclos alimentación/ayuno, los cuales manejan conjuntamente los programas genómicos. Los reguladores de la homeostasis de nutrientes como la proteína quinasa activada por AMP (AMPK), la proteína ligadora del elemento de respuesta a AMPc (CREB) y el homólogo 1 de v-AKT/oncogene viral  de timoma murino (AKT/PKB) son manejados por los ritmos diarios  de alimentación/ayuno y están  acoplados con proteínas circadianas. Por ejemplo, la AMPK, sensible al ayuno, puede fosforilar al CRY y prepararlo para su degradación, un mecanismo por el cual el ayuno influye sobre el reloj circadiano. Por otra parte, la alimentación tiene un gran impacto en la expresión rítmica de genes en el hígado. Por ejemplo, la activación del CREB inducida por  AMPc regula hacia arriba  la transcripción de Per, conectando la oscilación circadiana transcripcional con receptores acoplados a proteína G (GPCR) que usan AMPc como segundo mensajero. Más aún, la termogénesis postprandial puede ser activada  por factores de shock térmico, los cuales modulan la transcripción  de componentes reloj. Entonces, los ritmos la alimentación y el ayuno tienen  un profundo impacto sobre la expresión rítmica  de genes hepáticos.

El rol del ritmo de alimentación diurno en el metabolismo  ha sido demostrado  a través de la disrupción  de la actividad circadiana normal por alteración de factores externos como la luz y el tiempo  de alimentación. Por ejemplo, cuando experimentalmente las ratas nocturnas son sometidas regularmente a actividad  durante el día desarrollan obesidad  y otros disturbios metabólicos. Por otra parte, la exposición a la  luz en la fase de oscuridad del ciclo luz/oscuridad incrementa el tiempo  de consumo de alimentos en ratones salvajes. Adicionalmente, la alteración del tiempo de alimentación, a través de limitar el acceso a la comida a períodos cortos de tiempo, puede separar los efectos de la luz en el NSQ de los ritmos alimentación/ayuno  en los tejidos periféricos.  Restringir la alimentación  al tiempo diurno en animales nocturnos como los ratones  provoca ganancia de peso. Estos hallazgos  demuestran que, aún sin manipulaciones genéticas de los ratones, se puede inducir obesidad y otros disturbios metabólicos cuando el reloj circadiano y el ritmo alimentación/ayuno están desincronizados. Hay evidencia que este fenómeno también existe en humanos.

La asincronía circadiana y metabólica  también ha sido estudiada a nivel poblacional en trabajadores con cambios de horario. Las personas que trabajan fuera del tiempo diurno típico están particularmente predispuestas  a la obesidad y el síndrome metabólico.  Posiblemente esto se debe  a un desacoplamiento  de los sistemas reloj y el eje hipotálamo-hipófisis-adrenal. (HHA).  Otros factores que afectan  la oscilación cíclica normal  de este eje HHA (estrés crónico o tratamiento con dosis altas  de glucocorticoides) también pueden provocar síndrome metabólico, aunque no está claro si están específicamente relacionados con la asincronía circadiana.  Los estudios de laboratorio en humanos han demostrado que la asincronía entre el tiempo alimentación/ayuno y el reloj circadiano puede provocar obesidad y otros trastornos metabólicos. El trabajo nocturno induce una reducción  de aproximadamente 12-16%  en el gasto energético diario. Los niveles de leptina y péptido YY, señales de saciedad, también disminuyen. Los individuos sometidos a este régimen durante 10 días presentaron glucosa postprandial elevada, insulina elevada e incremento de la presión arterial.

Algunos estudios en humanos sugieren que restaurar el ciclo alimentación/ayuno con el ritmo luz/oscuridad puede provocar una pérdida de peso beneficiosa. Por ejemplo, en una cohorte de pacientes  sometidos  a tratamiento  de pérdida de peso, las personas que consumían sus calorías  más tempranamente en el día perdieron más peso  que los que comían  más tarde. Otro estudio con mujeres obesas que consumían una dieta isocalórica durante el desayuno o la cena, demostró  que las mujeres que consumían un desayuno de alto contenido calórico tenían mejor nivel de glucosa en ayunas, sensibilidad a la insulina y perfil lipídico que las mujeres que consumían la cena rica en calorías.  Múltiples estudios demuestran que la alimentación restringida en tiempo (ART), donde la ingesta de alimentos  es  restringida a la fase de tiempo activo, tiene significativos beneficios metabólicos. La ART previene la obesidad y mejora la homeostasis de la glucosa y los lípidos y tiene efectos beneficiosos  sobre  órganos metabólicos como hígado, corazón y tejido adiposo marrón. Estos efectos son acompañados con una oscilación sincrónica y más robusta  entre los efectores circadianos y los reguladores metabólicos  que son entrenados por el ciclo alimentación/ayuno.

El impacto de la ART  sobre la obesidad tiene implicaciones importantes en la relación   del metabolismo con los ritmos circadianos. El tiempo de la ingesta de alimentos tiene tanto impacto sobre la homeostasis energética como el contenido nutricional de la dieta y las señales intestinales. Los recientes avances  del efecto de la cirugía bariátrica sobre  hormonas intestinales como las incretinas o el impacto de la obesidad  sobre la composición y función  de la microbiota intestinal han  incrementado el interés en el rol de las señales intestinales  en el metabolismo. Los péptidos orexigénicos o anorexigénicos del intestino  tienen la capacidad  para afectar la utilización  de energía en otros órganos.

El NSQ  puede influir en la conducta de alimentación  a través de conexiones directas con los núcleos hipotalámicos  que controlan el apetito. Sin embargo, si la luz entrena al ciclo circadiano de las neuronas del NSQ, ¿cuál es el agente que conduce los ciclos de alimentación  en el intestino? El intestino es el mediador entre la comida ingerida y todos los demás órganos y tiene un elaborado mecanismo que transmite información crucial  acerca del tamaño y la composición  de la comida  a través de  señales endocrinas, inflamatorias y neuronales. Es un órgano altamente circadiano. Un agente que potencialmente pueda entrenar los ciclos de alimentación en el intestino tiene que  ser una  sustancia  que oscile con la alimentación en la luz intestinal o en el tejido intestinal, y que tenga un impacto  sobre el metabolismo del huésped. Los potenciales agentes identificados  que reúnen ese perfil incluyen nutrientes luminales, incretinas, ácidos biliares y  microbiota intestinal.  

Los nutrientes luminales como ácidos grasos y almidones pueden activar una compleja cascada de señalización  en el eje intestino-cerebro que proporciona retroalimentación a los centros de saciedad en el cerebro suprimiendo la alimentación y el apetito y alterando la producción endógena   de nutrientes específicos en otros órganos. Esta señal puede ser conducida por los nutrientes solos o  conjuntamente con la liberación de péptidos por las células enteroendocrinas. Estas células contienen múltiples receptores dependientes  de nutrientes, muchos de los cuales son GPCR que pueden disparar  fluctuaciones en el calcio intracelular y por consiguiente la secreción de péptidos como gastrina, péptido YY, incretinas,  colecistoquinina, serotonina, neurotensina o secretina. Estos péptidos pueden activar neuronas entéricas aferentes o trabajar  de manera endocrina. Estudios recientes demuestran que las sustancias ingeridas oralmente pueden afectar la función del reloj circadiano y la homeostasis de energía. Estos estudios no sólo sugieren que la expresión de genes circadianos y el metabolismo del huésped pueden ser afectados por los suplementos ingeridos, sino también que otros compuestos de la dieta  pueden potencialmente influir en la ritmicidad del reloj circadiano.

Las incretinas como el GLP-1 pueden también servir como el agente que entrena la conducta de alimentación. El GLP-1 es una hormona intestinal que incrementa la secreción de insulina dependiente de glucosa y es liberado durante la alimentación, específicamente cuando el alimento entra al intestino delgado. En ratones, la liberación de GLP-1 es circadiana, con mayores cantidades en la noche, y altamente entrenada por la conducta de alimentación.  El GLP-1 afecta la saciedad en el sistema nervioso central y puede influir en la homeostasis metabólica afectando la expresión hepática de genes. La activación del receptor de GLP-1 en hepatocitos incrementa la producción de AMPc y la expresión de  PPARα y acetil CoA oxidasa, involucrados en la oxidación de ácidos grasos.

Los ácidos biliares son secretados en la luz intestinal para facilitar la digestión de los lípidos. Ellos son ligandos endógenos  del receptor farnesoide X (FXR) cuya activación es la principal etapa  reguladora en el control del metabolismo del colesterol y los ácidos biliares. Los niveles circulantes de ácidos biliares y la ruta FXR exhiben conducta circadiana y son inducidos por la alimentación. El TGR5, otro receptor de ácidos biliares, también juega un importante rol regulador  en el metabolismo del huésped. La activación del TGR5 puede provocar pérdida de peso. Esto es mediado por un incremento en la actividad del receptor de hormona tiroidea en el tejido adiposo marrón, lo cual incrementa el gasto energético.

La microbiota intestinal  es esencial para la normal expresión de genes en el intestino. En ratones, la composición de la microbiota intestinal fluctúa cíclicamente. Además de la dieta, la estructura dinámica de la microbiota intestinal responde a muchos controles separados en el huésped incluyendo género, tiempo de alimentación, disrupción conductual del reloj circadiano  y mutaciones de genes reloj. Una microbiota intestinal disfuncional  puede afectar adversamente al metabolismo del huésped  a través de la activación  de rutas inflamatorias, influyendo en la activación de GLP-1 o cambiando el perfil de los ácidos biliares luminales.

En conclusión, el metabolismo es un proceso altamente dinámico, controlado por tres redes sistémicas oscilantes: oscilaciones neuronales centrales circadianas entrenadas por la luz, la homeostasis sueño/vigilia y el ritmo alimentación/ayuno. Estas redes afectan procesos celulares a través de proteínas circadianas, las cuales están debidamente coordinadas  con reguladores metabólicos celulares. Estas redes oscilantes  conjuntamente con hormonas e impulsos neuronales sincronizan órganos distantes y procesos celulares discordantes.


Fuente: Zarrinpar A et al (2016). Daily eating patterns and their impact in health and disease. Trends in Endocrinology and Metabolism 27: 69-83.

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