Roles de FGF en el desarrollo del folículo ovárico

El desarrollo del folículo ovárico de prenatal a preovulatorio es altamente complejo e involucra  múltiples rutas de señalización endocrinas y paracrinas. Las gonadotropinas  hipofisarias son los principales disparadores del desarrollo de los folículos  ováricos, pero varias familias  de factores de crecimiento también tienen roles importantes, incluyendo factores de crecimiento de fibroblasto (FGF).  En los mamíferos, la familia FGF  consiste de 18 proteínas secretadas (y cuatro proteínas intracelulares llamados factores homólogos  de FGF) agrupados en subfamilias  de acuerdo  a su secuencia homóloga y filogenia y los miembros de la misma subfamilia tienen similares propiedades de unión al receptor. En el folículo ovárico, las células tecales son  mesenquimales  y las células granulosas son epiteliales, por lo tanto los FGF paracrinos  pueden tener un rol  en el desarrollo del folículo. Hay evidencia que el FGF2 actúa sobre las células granulosas para promover la proliferación celular y disminuir la apoptosis y la esteroidogénesis.  Otros FGF han sido implicados  en la función del ovario y el desarrollo de los folículos. La expresión de algunos miembros de la familia FGF en el ovario es  específica para un tipo de célula; por ejemplo, el FGF7 es expresado en células tecales pero no en células granulosas  u oocitos.

La mayoría de los FGF  son factores paracrinos, aunque la subfamilia FGF19 (FGF19, FGF21 y FGF23)  son factores endocrinos con roles en la homeostasis del colesterol, la vitamina D y el fosfato. La mayor parte  de las proteínas  FGF poseen un péptido señal  y son secretadas a través  de la convencional ruta  retículo endoplásmico-Golgi,  aunque el FGF1 y el FGF2 son secretados  a través de una ruta que involucra la translocación  a la membrana celular  y la unión a proteoglucanos  de la superficie celular. Los receptores de los FGF (FGFR) son de la clase de receptores  tirosina quinasa que derivan de cuatro genes principales,  FGFR1, FGFR2, FGFR3 y FGFR4.  Eventos de “splicing” alternativo resultan en dos variantes de FGFR1, FGFR2 y FGFR3 comúnmente llamadas formas “b” y “c”. Estas variantes tienen  propiedades de unión al ligando marcadamente diferentes. Por ejemplo, los miembros de la familia FGF7  (FGF3, FGF7, FGF10 y FGF22) activan la forma “b”  -pero no la forma “c”- de FGFR1 y FGFR2, mientras otros FGF activan la forma “c”. En general, las forma “b”  de las proteínas FGFR son expresadas en tejidos epiteliales y las formas “c” son expresadas en células mesenquimales.

La actividad biológica de los FGF depende de sus interacciones con la matriz extracelular (MEC). Para activar sus receptores (FGFR), los FGF paracrinos necesitan  unirse a heparan sulfato (HS), el cual  es un polisacárido sulfatado lineal  presente en la MEC y en la superficie celular donde está unido a  proteínas solubles (ej: perlecan) o proteínas de membrana (ej: sindecan, glipican) colectivamente conocidas como HS proteoglucanos (HSPG). FGF y FGFR  se unen a HS, lo cual incrementa la afinidad de unión del receptor  y estabiliza el complejo FGF-FGFR. Los FGF paracrinos son inactivos cuando se aplican a líneas celulares deficientes en HSPG y la adición de heparina o su HS restaura la actividad biológica de los FGF. La señal mesenquimal-epitelial de los FGF es más evidente  en órganos en desarrollo.  En una extremidad en desarrollo, el FGF10 secretado por el mesénquima activa FGFR2b en el borde ectodérmico apical,  una etapa temprana critica en la formación de la yema de la extremidad. En el desarrollo del pulmón de ratón, la activación del FGR2b epitelial  por el FGF10 mesenquimal  epitelial  es esencial para la ramificación  de las vías áreas  y la activación del FGFR2c por el  FGF18  mesenquimal es esencial para el desarrollo alveolar. Un nivel adicional de control  de los órganos en desarrollo  es ejercido por las diferencias  en la actividad biológica  de los miembros de la misma subfamilia de FGF. Por ejemplo, el FGF7 induce la ramificación  de las yemas de la extremidad mientras el FGF10 induce la elongación de las yemas. Otro ejemplo, el FGF18 estimula la expansión en el cerebro medio embrionario mientras el  FGF8 estimula la diferenciación  del cerebro medio en cerebelo.

A diferencia de los pulmones y las extremidades que se desarrollan una sola vez, el ovario postnatal de los mamíferos es un sitio de constante desarrollo  de folículos a partir del “pool” de folículos primordiales. Estos folículos consisten de un oocito inmaduro rodeado por una capa simple de células epiteliales escamosas “pre-granulosas”. Para convertirse en folículos en crecimiento, las células pre-granulosas escamosas  necesitan desarrollarse en células granulosas cuboidales  y proliferar, al tiempo que el folículo adquiere una capa de células tecales. En la medida que se forma el antro, las capas de células epiteliales y mesenquimales  proliferan  y esto en parte es regulado por la comunicación mesenquimal-epitelial. Ciertas características de la señal de las subfamilias FGF7 y FGF8 en el folículo preantral se asemejan a las que ocurren en el pulmón y las extremidades. Sin embargo, hay muy pocos estudios de estos FGF en folículos preantrales. Hay mucha más información  acerca del rol  de los FGF en la señal mesenquimal-epitelial  en los folículos antrales. El FGF10 es expresado predominantemente en células tecales y el FGFR2b es detectado predominantemente en células granulosas. El FGF18 es también detectado  en células tecales aunque la expresión de FGFR2c y FGFR3c es detectable en células granulosas y tecales. 

El FGF10 ha sido descrito en el folículo antral y tiene un patrón de expresión diferente al de FGF7. Mientras el FGF7  está restringido a la capa tecal, el FGF10 ha sido identificado en células tecales y oocito.  Es interesante destacar que ambas proteínas han sido detectadas en folículos preantrales, los cuales no contienen células tecales, lo  que sugiere que puede ocurrir un “switch” en la localización  una vez que los folículos  se vuelven antrales. Más aún, mientras los niveles de FGF7 no son alterados en folículos sanos, los niveles de FGF10 son significativamente mayores en células tecales de folículos menos estrogénicos (atrésicos) que en folículos altamente estrogénicos. Por otra parte, la adición de FGF10  a células granulosas inhibe la secreción de esteroides y la inyección de FGF10 directamente  en el folículo en crecimiento causa la regresión  del folículo.  La presencia de FGF10  en el oocito ha dado lugar  a varios estudios sobre su rol   en la función  de las células del cúmulus  y la maduración del oocito.  La adición de FGF10 exógeno  a complejos cumulus-oocito de bovino  durante la maduración in vitro  incrementa la expansión del cúmulus  y la tasa de desarrollo  del blastocisto. Adicionalmente, se ha demostrado que el FGF10 exógeno estimula la captación de glucosa y disminuye el nivel de apoptosis  en los oocitos durante la maduración in vitro.  Se desconoce si el FGF7 tiene el mismo efecto.  Los efectos de FGF7 y FGF10  sobre el crecimiento in vitro de folículos preantrales han sido explorado por varios laboratorios.  En ratas, el FGF7  estimula el desarrollo  de folículos primarios mientras el FGF10  estimula el desarrollo de folículos primarios  en cabras. Muy poco se conoce acerca del rol  de los otros  miembros  de la familia FGF7 (FGF3 y FGF22) en el ovario.

La familia FGF8 incluye  FGF17 y FGF18  además del prototipo FGF8 y han sido detectados en oocitos, células tecales y células granulosas. Los principales receptores  de estos FGF han sido localizados en células granulosas y tecales.  En el ovario de ratón, el FGF8  inhibe la secreción de estradiol en las células granulosas pero no tiene efecto sobre la secreción de progesterona. El efecto de FGF17 y FGF18 sobre las células granulosas ha sido explorado en  ovario de gata, ambos FGF inhiben la secreción de estradiol y progesterona.  Las acciones pro-apoptosis  de los FGF son raras, pero el FGF18 es considerado un factor pro-apoptosis. Varios estudios sugieren que el FGF18 activa una ruta apoptótica a través del FGFR3c en células granulosas y otros tipos de células.

Las rutas intracelulares usadas por los FGF han sido estudiadas en una variedad  de líneas celulares. La unión del ligando provoca la activación del FGFR, el cual una vez activado se dimeriza  y el cambio conformacional  en la estructura del receptor  causa la autofosforilación  de residuos tirosina específicos. En estas condiciones se activan principalmente dos rutas de señalización: la fosforilación de MAPK vía fosfolipasa C y la activación de la fosfatilinositol-3-quinasa que a su vez activa las rutas Akt y proteína quinasa C (PKC). Esto resulta en la expresión  de genes de respuesta inmediata  como la familia Sprouty (SPRY) de reguladores negativos de receptores tirosina quinasa, el receptor nuclear orfan 4A y la familia ETS de factores de transcripción. Estas rutas de señalización son activas en células granulosas, principalmente cuando el ligando  es el FGF2. En las células granulosas de rata, el FGF2 estimula  la señal de calcio  a través de una ruta  dependiente de la PKC y en células granulosas de bovino, el FGF2  estimula la fosforilación  de MAPK3/1 y Akt. En células granulosas humanas, el FGF2 pero no el FGF4 o el FGF10, incrementa los niveles de SPRY2, mientras en células granulosas de bovino, FGF2 y FGF4 estimulan los niveles de SPRY2. Varios estudios han demostrado  que el FGF8 estimula la fosforilación  de MAPK3/1 y los niveles de SPRY2 en células granulosas/cúmulus de  humano, rata y ratón. En una comparación  de las rutas de señalización de FGF8 y FGF18 en células granulosas de bovino se demostró  que el FGF8  activa las típicas respuestas  FGF incluyendo  la fosforilación  de MAPK3/1 y la rápida y transitoria expresión de SPRY2, mientras el FGF18 no altera ninguna  de estas rutas. Sin embargo, la diferencia más interesante  entre ambos FGF es la estimulación por FGF8 –y la marcada inhibición por FGF18- de la expresión del gen GADD45B. La disminución de la expresión  de GADD45B ha sido relacionada con incremento de la apoptosis en varios tipos de células y puede ser parte del mecanismo  usado por el FGF18 para incrementar la apoptosis  en las células granulosas.

La evidencia acumulada sugiere potenciales roles para miembros de las familias FGF7 y FGF8 en el crecimiento y desarrollo  de folículos preantrales/antrales y que algunos FGF de la misma subfamilia que activan a los mismos receptores tiene efectos biológicos marcadamente diferentes sobre sus células blanco. Tales diferencias entre FGF relacionados  han sido descritas durante el desarrollo embrionario y entre ellas destacan las diferencias reportadas entre FGF7 y FGF10 y entre FGF8 y FGF10.  La morfogénesis de la ramificación se refiere al crecimiento y ramificación  de estructuras tubulares en tejidos como el pulmón, el riñón y las glándulas salivares.  En estos tejidos,  FGF7 y  FGF10 juegan roles distintos; el FGF7 induce la expansión  o ramificación  de yemas epiteliales mientras el FGf10 induce la elongación de las yemas. Por la subfamilia FGF8, el FGF18 estimula la expansión  en el cerebro medio embrionario, mientras el FGF8 transforma el cerebro medio en cerebelo. La literatura actual sugiere que estas  distintas actividades biológicas pueden ser dirigidas por (i) señales intracelulares diferentes y/o (ii) interacciones entre los FGF, los FGFR y  los HSPG.

El ARN mensajero que codifica al FGF8 -pero no al FGF18- por “splicing” alternativo genera proteínas  con diferentes N-terminal. Estos eventos  resultan en una forma corta (FGF8a) y una forma larga (FGF8b) entre otras y el FGF8b recombinante  ha sido usado en estudios del ovario. FGF8a y FGF8b  difieren en su actividad biológica, el FGF8a induce la expansión del cerebro medio embrionario (de manera similar al FGF18), mientras el FGF8b  transforma el cerebro medio embrionario en cerebelo. El FGF8b  provoca una fuerte activación  de MAPK3/1 en el cerebro medio, mientras FGF8a resulta  en un nivel menor de fosforilación  de MAPK3/1. Los datos de los estudios con células granulosas bovinas  demuestran que el FGF8b resulta en una fuerte y transitoria fosforilación de MAPK3/1 mientras la adición  de FGF18 provoca una respuesta débil. La diferencia  en las actividades  de FGF8a y FGF8b han sido atribuidas a un residuo fenilalanina (F32) presente en el N-terminal  de FGF8b que permite una fuerte unión con el receptor. F32 está ausente  en el FGF8a  lo que da lugar a un débil complejo  de unión con el receptor. Sin embargo, esto no es una explicación satisfactoria  de la diferencia entre FGF8a y FGF8b pues el FGF18 contiene el residuo F32 presente en el FGF8b. Es sabido que las dicotomías débil vs fuerte y transitoria  vs sostenida activación de MAPK3/1 permiten respuestas celulares distintas, dirigiendo las células hacia proliferación o apoptosis  de una manera específica de contexto celular. Esto puede explicar en parte las respuestas diferentes  de las células granulosas a las acciones de FGF8b y FGF18.  

FGF10 y FGF7 se unen  a HSPG y el HS altera selectivamente  la actividad biológica de FGF7/FGF10. Estos FGF tienen diferente afinidad de unión a la MEC, el FGF7 -pero no el FGF10- difunde rápidamente   a través de la MEC. La adición de heparina a los cultivos de células inhibe la actividad mitogénica de FGF7 pero estimula la de FGF10.  El HS también es esencial para la subfamilia FGF8, la adición de FGF8 a células deficientes en HS no estimula la proliferación celular o la fosforilación de MAPK3/1, mientras con el co-tratamiento con heparina estas actividades son evidentes. Sin embargo, la presencia o ausencia de HS no es la historia completa, el tipo de cadena  HS también puede alterar la actividad biológica de los FGF. Por ejemplo, el perlecan derivado de células endoteliales estimula la proliferación inducida por FGF18 en mayor grado que el perlecan derivado de condrocitos. El tipo de HS también altera  la capacidad de un FGF para activar a un receptor específico, las cadenas sacáridas cortas son suficientes para permitir al FGF1 activar al FGFR2b, mientras las cadenas sacáridas largas  son requeridas para la activación del FGFR2b por FGF7. ¿Cómo impacta esto la señal  FGF en el folículo? Los folículos antrales contienen numerosos proteoglucanos y las células granulosas  producen HSPG. Las celulas tecales están separadas de las granulosas por una membrana basal que contiene perlecan y otros componentes, el nivel de estos componentes cambia con el crecimiento del folículo. Adicionalmente, una forma particular de MEC (focimatriz) que contiene perlecan  ocurre como agregado en la capa de células granulosas. Los niveles de perlecan cambian durante el desarrollo del folículo y los niveles de HSPG en la focimatriz de la capa de células granulosas son significativamente mayores  en folículos atrésicos en comparación con folículos sanos.  Más aún, el SHPG del folículo es sulfatado y, al menos en la vaca, la cantidad de sacáridos derivados de HS cambia durante el desarrollo del folículo y la atresia.  Los agregados de focimatriz pueden jugar un rol  en la regulación de la bioactividad de FGF10  o FGF18 en la capa de células granulosas y los cambios  en la sulfatación de perlecan durante el crecimiento/atresia del folículo puede disminuir o aumentar las potenciales acciones pro-apoptosis del FGF18.

En conclusión, la señal FGF en los tejidos en desarrollo es altamente regulada en múltiples niveles: transcripción de genes, splicing alternativo, activación de distintas rutas intracelulares y la presencia de patrones de sulfatación específicos en las proteínas de la MEC. En el ovario, FGF7 y FGF10 pueden tener efectos diferentes sobre las células granulosas en comparación con el FGF18. Aunque FGF7 y FGF10 se unen al mismo receptor FGFR2b, tienen diferente afinidad por HS lo que causa  una divergencia de los eventos de fosforilación del receptor  entre estos dos ligandos.  Las diferencias en los efectos biológicos  de FGF8 y FGF18  sobre las células granulosas  pueden estar relacionadas con la naturaleza de la sulfatación de los HSPG.

Fuente: Price CA (2016). Mechanisms of fibroblast growth factor signaling in the ovarian follicle. Journal of Endocrinology 228: R31-R43.

Regulación de la producción hepática de glucosa mediada por insulina

El hígado juega un rol central en el mantenimiento  de la homeostasis de la glucosa, ajustando la producción  de acuerdo al balance energético. El regulador principal de la producción hepática de glucosa (PHG) es la insulina. El hígado está expuesto a la sangre de la circulación porta que tiene concentraciones de insulina  aproximadamente tres veces mayores que  la sangre venosa. La PHG es controlada por las acciones directas de la insulina sobre los hepatocitos, cuando la insulina se une a su receptor suprime la PHG a través de la activación de la ruta de transducción de señal fosfoinositido 3-quinasa (PI3K), la cual consiste en las siguientes proteínas: sustrato de receptor de insulina (IRS), PI3K, quinasa dependiente  de fosfoinositido 1 (PDK1) y Akt. Los ratones “knockout” de receptor de insulina en el hígado o con alteración de la ruta PI3K exhiben hiperinsulinemia e intolerancia a la glucosa con alteración de la supresión de la PHG dependiente  de insulina.  Sin embargo, la insulina controla la PHG no solamente por mecanismos directos vía receptores hepáticos de insulina, sino también por mecanismos indirectos mediados por la acción de la insulina sobre otros órganos. En una investigación de los cambios en la PHG después de la administración  intravenosa e intraportal de insulina, se demostró  que las diferencias  en el nivel de insulina en la sangre portal, es decir, la acción directa de la insulina sobre los hepatocitos, no necesariamente se correlacionan  con el efecto de la insulina sobre la supresión de la PHG.

La supresión indirecta  de la PHG por la insulina involucra la reducción  de la liberación por el tejido adiposo de glicerol y ácidos grasos libres, los cuales son sustratos y fuente de energía de la gluconeogénesis, y la disminución en la expresión de genes gluconeogénicos, incluyendo fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK) y glucosa-6-fosfatasa (G6Pasa). Sin embargo, la supresión de la expresión de enzimas gluconeogénicas en ratones con deficiencia de la señal insulina en el hígado no puede ser explicada  por el efecto de la insulina en el tejido adiposo. Por otra parte, la insulina reduce en las células α del páncreas la secreción  de glucagón, el cual induce la expresión de enzimas gluconeogénicas en el hígado. Un estudio que comparó los efectos de la hiperinsulinemia portal y periférica sobre la PHG bajo administración continua de glucagón, reveló que la PHG es suprimida por el efecto indirecto de la insulina, aún en presencia de glucagón. Estos hallazgos sugieren la posibilidad que  efectos de la insulina  distintos a los que lleva  a cabo en el tejido adiposo y las células α del páncreas, controlen la PHG. En efecto, un estudio reciente demostró  que la acción central de la insulina reduce  indirectamente la PHG en roedores.

La acción central de la insulina  juega roles importantes en la regulación del balance energético y el metabolismo de la glucosa. Los estudios en monos y ratas han revelado que la administración intracerebroventricular (icv) de insulina disminuye la ingesta de alimentos  y el peso corporal. Este efecto de la insulina es revertido por la administración icv de un inhibidor de la PI3K. Adicionalmente, ratones “knockout” en receptor de insulina en las neuronas cerebrales (ratones NIRKO) exhiben  aumentos significativos en la ingesta de alimentos, la masa de tejido adiposo y el peso corporal. Por otra parte, la administración de insulina directamente en el hipotálamo atenúa la PHG y disminuye los valores  de la glucosa sanguínea. La insulina actúa en el núcleo arcuato del hipotálamo que contiene neuronas AgRP (agouti-related peptide), las cuales secretan factores que promueven la ingesta de alimentos (NPY y AgRP), y neuronas POMC (proopiomelanocortina) que secretan factores que suprimen la ingesta de alimentos como la hormona estimulante de melanocitos-α (α-MSH). La administración icv de insulina  atenúa la expresión de NPY, mientras incrementa la expresión de POMC, el precursor de α-MSH. La insulina hiperpolariza e inactiva neuronas AgRP a través de la apertura de canales  de potasio sensibles a ATP (K_ATP) de una manera dependiente de PI3K. La administración icv de un inhibidor de la PI3K  atenúa los efectos mediados por la insulina sobre la glucemia y la PHG en ratas. Esto sugiere que la acción central de la insulina controla la PHG a través de un mecanismo dependiente de PI3K que afecta el metabolismo de glucosa en todo el organismo.

La acción de la insulina sobre las neuronas AgRP juega un rol importante en la supresión de la PHG mediada por la acción central de la insulina. La PHG está aumentada  en ratones KO de receptor de insulina en las neuronas AgRP y la restauración  del  receptor de insulina en esas neuronas recupera la PHG. Hasta el presente no se ha dilucidado completamente el rol de las neuronas POMC en la regulación de la PHG mediada por la acción central de la insulina.   Sin embargo, algunos estudios reportan que en condiciones de carencia de receptor de leptina, la acción de la insulina sobre las neuronas POMC  es importante para la supresión de la PHG. La hiperpolarización  de neuronas AgRP debida a la activación de canales K_ATP dependiente  de PI3K  es un mecanismo importante  de la supresión de la PHG mediada por la acción de la insulina en el hipotálamo.

La acción central de la insulina controla la PHG a través del nervio vago. Las fibras eferentes vagales comienzan en el núcleo motor dorsal  del vago (DMV) en la médula oblongata, descienden a lo largo  del esófago y se ramifican en el hígado justamente debajo del diafragma. Es bien conocido que el nervio vago  mantiene una constante actividad  similar  a marcapaso y un estudio electrofisiológico en ratas bajo anestesia con pentobarbital demostró que la actividad del nervio vago es aumentada por un incremento en la glucosa sanguínea  y disminuida por un incremento  en la concentración plasmática  de insulina. Sin embargo, la pregunta  de cómo la acción central de la insulina  controla la actividad del nervio vago  a través de las neuronas hipotalámicas  y suprime la PHG se mantiene sin respuesta. La PHG también es suprimida por la administración icv de α-MSH, agonista de receptores melanocortina, que causa hiperpolarización  de las neuronas del DMV. El diazoxide,  el cual activa canales K_ATP e induce hiperpolarización  de neuronas, también suprime la PHG cuando es administrado directamente en el DMV. Estos hallazgos sugieren que la supresión de la PHG podría ser inducida por la inactivación del nervio vago.

Las fibras eferentes del nervio vago hacen sinapsis con neuronas postganglionares  en los ganglios parasimpáticos de la región portal hepática y se distribuyen en el área periportal donde tiene lugar la gluconeogénesis  en los lóbulos hepáticos. Además de regular la PHG, el nervio vago está involucrado en el metabolismo hepático de la glucosa. En este contexto, la evidencia acumulada  incluye resistencia a la insulina  en ratas después de vagotomía, aumento de la actividad de la glucógeno sintetasa debido a estimulación vagal  en conejos e incremento  de la utilización de la glucosa en hígado de rata perfundido causada por estimulación vagal en presencia de insulina. No obstante, el mecanismo por el cual el nervio vago regula el metabolismo  de la glucosa en los hepatocitos es aún desconocido. Varios estudios reportan que la vagotomía induce resistencia a la insulina en ratas y que esta resistencia es atenuada por la administración intraportal de acetilcolina.  Sin embargo, aunque los hepatocitos expresan receptores muscarínicos M3, los ratones M3 KO o con sobre expresión  de M3 no tienen fenotipos  con alguna alteración metabólica clara, incluyendo  alteración  en la expresión  de las enzimas gluconeogénicas hepáticas. Esto demuestra  que el control de la PHG mediado por la acción central de la insulina no puede ser explicado por la acción directa de la acetilcolina liberada por el nervio vago en los hepatocitos.

Estudios recientes sugieren que la supresión de la PHG mediada por insulina administrada icv es causada por la atenuación  de la expresión  de las enzimas gluconeogénicas como la PEPCK y la G6Pasa. En este contexto, la proteína  transductor de señal y activador de la transcripción 3 (STAT3) juega un rol  importante  como molécula efectora del control de la expresión de genes de las enzimas gluconeogénicas  mediada por la acción central de la insulina. La proteína STAT3 es un factor de transcripción  activado por ligando  y es bien  conocido que la familia de citoquinas  de la interleuquina 6 (IL-6) es su principal ligando. La sobre expresión de STAT3 en el hígado  reduce la expresión de genes PEPCK y G6Pasa y  disminuye los niveles sanguíneos de glucosa. El STAT3 activado se une directamente  a la región promotora para suprimir la expresión de los genes PEPCK y G6Pasa. Más aún, ratones con deficiencia  de STAT3 específicamente en el hígado desarrollan resistencia a la insulina debido al incremento en la expresión de enzimas gluconeogénicas y  de la PHG, lo cual sugiere un rol importante de la STAT3  en el mantenimiento de la homeostasis de la glucosa. La STAT3 y la acción directa de la insulina sobre el hígado mediada por PI3K tienen un efecto aditivo en la supresión de la PHG.

La STAT3 es activada  en el hígado después de la administración icv de insulina  y diazoxide. Por otra parte, la activación de STAT3  en el hígado después de una prueba de tolerancia a la glucosa es atenuada  en ratones NIRKO. Estos hallazgos  demuestran que la acción central de la insulina  induce la activación de STAT3 en el hígado.  En este sentido, se ha propuesto  que la acción central de la insulina aumenta la secreción de IL-6 por las células de Kupffer, la cual actúa sobre los hepatocitos de una manera paracrina para activar a la STAT3. Los ratones con deficiencia de IL-6 desarrollan obesidad y resistencia a la insulina.

La importancia y los mecanismos de regulación de la gluconeogénesis hepática  mediados por la acción central de la insulina han sido dilucidados en estudios  en roedores. Sin embargo, se ha reportado en estudios con perros   que mientras la insulina icv activa a la STAT3 hepática y suprime los genes de enzimas gluconeogénicas, su PHG  no es reducida. Estos resultados indican que mientras el mecanismo mediado por la acción central  de la insulina  que controla la expresión  de las enzimas gluconeogénicas en el hígado es preservado a través de las especies, su importancia en el metabolismo  del organismo entero difiere grandemente entre las especies.

En humanos, es posible incrementar los valores de insulina en el líquido cerebroespinal  sin alterar sus valores en sangre periférica  a través de la administración intranasal de  40 UI  de insulina en individuos sanos. Este procedimiento  disminuye la PHG bajo condiciones de “clamp” pancreático, el cual mantiene un nivel plasmático estacionario  de insulina y glucagón por la administración de somatostatina. También, en condiciones de “clamp” pancreático humano, la PHG es suprimida por la administración oral de diazoxide (el cual pasa la barrera hematoencefálica e induce la supresión de la PHG en roedores).  Por otra parte, la administración intranasal de una dosis alta de insulina (160 UI) aumenta la sensibilidad a la insulina. Sin embargo, los efectos sobre la PHG de la insulina intranasal y el diazoxide oral se observaron en individuos sanos y no necesariamente son reproducibles  en la diabetes mellitus tipo 2 acompañada por obesidad. En condiciones de obesidad y esteatosis  hepática, la activación de STAT3  es alterada  y esto podría contribuir  a disturbios de la supresión  de PHG mediada por la acción central de la insulina. En estas condiciones, en el hígado disminuye la acetilación de STAT3, necesaria para su activación, lo cual provoca alteraciones en su activación.

En conclusión, la insulina controla la PHG directa  e indirectamente a través  del receptor de insulina en los hepatocitos y la acción central de la hormona, respectivamente.  La insulina actúa en el núcleo arcuato del hipotálamo, activa canales K_ATP de una manera dependiente de PI3K e induce hiperpolarización  de las neuronas hipotalámicas. La acción central de la insulina activa la señal IL-6/STAT3 en el hígado  a través del nervio vago y las células de Kupffer.  La STAT3 activada suprime la expresión de  genes de enzimas gluconeogénicas y, por consiguiente, reduce la PHG. Nutrientes como glucosa, ácidos grasos y aminoácidos (prolina, leucina, histidina, etc) actúan en el hipotálamo conjuntamente  con la insulina, afectando la PHG. Por otra parte, el control de la PHG por la acción central de la insulina falla en la obesidad debido a disturbios  en la señal PI3K en el hipotálamo  o por inhibición de la señal STAT3 en el hígado. Aunque el mecanismo  de control de la expresión de genes de enzimas gluconeogénicas  por la acción central de la insulina  es conservado  a través de las especies, su importancia en el metabolismo  de la glucosa en humanos  no está completamente claro.

Fuente: Inoue H (2016). Central insulin-mediated regulation of hepatic glucose production.  Endocrine Journal 63: 1-7.

Receptores GR y MR en el corazón

Los corticoesteroides (glucocorticoides (GC) y mineralocorticoides) son hormonas esteroides sintetizadas en la corteza adrenal. Los mineralocorticoides  (principalmente aldosterona) regulan el balance de electrolitos y agua.  Los GC (predominantemente cortisol en los humanos) influyen  en muchos procesos fisiológicos, incluyendo desarrollo, inmunidad, inflamación y la respuesta al estrés.  Los corticoesteroides ejercen la mayoría de sus acciones a través de dos miembros de la familia de receptores nucleares: el receptor glucocorticoide (GR) y el receptor mineralocorticoide (MR). GR y MR muestran un alto grado de homología, particularmente  en el dominio de unión al ADN (DBD); ellos pueden unirse a la misma secuencia de ADN, pero los factores  transcripcionales y fisiológicos de activación son muy distintos. Con respecto a la unión de ligando, el GR es selectivo  para los GC, mientras el MR es un receptor  de alta afinidad por la aldosterona y los GC fisiológicos. En las células epiteliales que responden a los mineralocorticoides, la activación del MR por la aldosterona  es posible gracias a su colocalización con una enzima, 11β-hidroxiesteroide deshidrogenasa (11β-HSD) tipo 2, la cual a través de la inactivación  de los GC fisiológicos permite el acceso preferencial de la aldosterona al MR.  La 11β-HSD2 está ausente en los cardiomiocitos, aunque puede estar presente  en niveles bajos en los vasos sanguíneos. Por lo tanto, los MR cardiacos potencialmente son ocupados y activados por mineralocorticoides  o GC.

Los estudios clínicos han demostrado que el antagonismo MR reduce la mortalidad y morbilidad en pacientes con insuficiencia cardiaca y fracción de eyección disminuida. Sin embargo, el antagonismo MR no tiene beneficios clínicos en pacientes con insuficiencia cardiaca  y fracción de eyección ventricular izquierda conservada. Los mecanismos que subyacen  a los beneficios del antagonismo MR  han sido explorados en humanos y modelos animales  de insuficiencia cardiaca. Los estudios en ratones transgénicos MR “knockout” han ayudado a dilucidar  el rol normal y fisiopatológico del MR en el corazón. En ratones, la disrupción de MR específica en los cardiomiocitos tienen un mínimo efecto sobre la función y el tamaño basal del corazón, pero mejora la cicatrización  del infarto y previene la remodelación cardiaca adversa y la disfunción contráctil  en la insuficiencia cardiaca isquémica.  También protege contra la dilatación y disfunción  del ventrículo izquierdo  en la sobre carga de presión que sigue a la constricción aórtica.  Sin embargo, estos ratones desarrollan fibrosis e hipertrofia cardiaca, lo que demuestra que en este modelo la activación de los MR de los cardiomiocitos  no es un prerrequisito para la fibrosis e hipertrofia cardiaca. Otro estudio ha demostrado  que el MR de los cardiomiocitos es esencial para la fibrosis cardiaca que ocurre cuando los niveles de mineralocorticoides son inapropiadamente altos  para el estatus de sal. Esto,  se atribuye en gran parte  a la necesidad por MR en los cardiomiocitos  para  el reclutamiento sostenido de células inflamatorias. Por el contrario,  los ratones con alteración en el MR de macrófagos son protegidos  contra la fibrosis  cardiaca tanto en este modelo experimental como en la fibrosis cardiaca inducida por angiotensina II (AngII). Esto sugiere que la activación MR en macrófagos causa el daño cardiaco que produce la fibrosis. La activación MR en macrófagos induce un fenotipo proinflamatorio (M1) activado clásicamente, mientras  los macrófagos MR knockout resultan en un fenotipo antiinflamatorio (M2) activado alternativamente. Entonces, en modelos animales de enfermedad cardiaca, el MR es proinflamatorio. La sobre expresión transgénica  de MR en cardiomiocitos  altera  la señal eléctrica, una elevación  de aproximadamente cinco veces los niveles de MR en los cardiomiocitos murinos  prolonga  el intervalo QT del electrocardiograma, causando arritmias ventriculares y alta mortalidad, lo cual es prevenible con antagonismo MR. En humanos, los niveles elevados de MR en el corazón están asociados con arritmias cardiacas. En resumen, el antagonismo MR en  cardiomiocitos y macrófagos puede ser beneficioso en la insuficiencia cardiaca, mientras la activación MR por cortisol, aldosterona o ambos, contribuye a la progresión de la enfermedad y la mortalidad.

El dramático aumento en los niveles de GC en la gestación tardía de los mamíferos es esencial para la transición  a la vida postnatal. Los GC son administrados a embarazadas con riesgo de parto prematuro para ayudar en la maduración  de los tejidos fetales y mejorar  la supervivencia neonatal. Por el contrario, la exposición prenatal prolongada a elevados niveles de GC  retarda el crecimiento fetal e incrementa  el riesgo de enfermedad cardiovascular en la adultez. El efecto perjudicial  de la excesiva exposición  fetal a los GC puede reflejar  la capacidad  de los GC de promover un cambio de acreción a diferenciación tisular. Entonces, la excesiva –y la restringida-  exposición perinatal a los GC  tiene un impacto  perjudicial sobre la salud cardiaca, aunque en diferentes estados  de vida. La evidencia experimental sugiere que el tratamiento  con GC en  embarazadas con riesgo de parto prematuro promueve la maduración de los cardiomiocitos en el nacimiento  pero en muy pocas células.  En ratas neonatales, la dexametasona, un potente activador sintético de GR pero pobre activador de MR,  reduce la proliferación de los cardiomiocitos, lo que implica que la acción de los GC  a través de GR promueve la transición neonatal de crecimiento hiperplásico a crecimiento hipertrófico  de los cardiomiocitos.  Esto explica, al menos parcialmente, como el tratamiento neonatal con GC limita la reserva de cardiomiocitos y promueve el crecimiento hipertrófico del corazón  en la adultez. Los estudios en animales  sugieren que la activación neonatal de los MR promueve la proliferación de cardiomiocitos (crecimiento hiperplásico)  al tiempo que limita el incremento en el tamaño de los cardiomiocitos (crecimiento hipertrófico). Esto resulta en un mayor número de cardiomiocitos pero más pequeños en la adultez. La activación neonatal de GR  puede reducir el crecimiento  proliferativo de cardiomiocitos  y promover el crecimiento hipertrófico. Esto resulta en un menor número de cardiomiocitos pero de mayor tamaño en la adultez.   El balance entre GR y MR puede ser crítico  para determinar los efectos fisiológicos  de  los GC sobre el crecimiento cardiaco en la vida temprana  y la salud cardiaca adulta, especialmente si consideramos que los MR de los cardiomiocitos  son ocupados predominantemente  por los GC endógenos, los cuales circulan  en concentraciones 100 veces mayores  que la aldosterona.

In vitro, el tratamiento con GC en niveles fisiológicamente relevantes  de cardiomiocitos fetales  mejora la contractilidad (sin afectar la frecuencia de contracciones espontáneas), promueve el aparecimiento  de miofibrillas maduras e incrementa la capacidad mitocondrial. También induce la expresión  de ARNm regulados por GC in vivo. Esto incluye genes  que regulan el metabolismo energético y genes que codifican proteínas manejadoras de calcio como los canales de rianodina (RYR),  la Ca²⁺-ATPasa  del retículo sarcoplásmico (SERCA2A), el intercambiador  sodio-calcio y el canal de calcio dependiente de voltaje. El tratamiento de cardiomiocitos fetales con GC  también incrementa la expresión de reguladores de la oxidación de ácidos grasos   como el receptor activado por el proliferador de peroxisoma (PPARα)  y lipin-1, los cuales son críticos para la generación de energía en las mitocondrias y la función cardiaca en neonatos. Tanto in vitro como in vivo, los GC inducen el gen Ppargc1a que codifica al PGC1α, mediador de algunos de los efectos de los GC en la maduración de cardiomiocitos fetales. El PGC1α incrementa la actividad mitocondrial y la producción de ROS en cardiomiocitos derivados  de stem cell de embriones humanos. Estos hallazgos  sugieren que en los cardiomiocitos fetales, la inducción de PGC1α subyace a los efectos antiproliferativos del tratamiento con GC   a través del incremento de la capacidad mitocondrial y la producción de ROS.

Estudios recientes en ratones con una alteración del GR especifica de cardiomiocitos y ratones con alteración del GR especifica de células de musculo liso y cardiomiocitos, han demostrado las consecuencias patológicas  de la reducción de la señal GR en el corazón adulto. Ambos modelos muestran hipertrofia cardiaca  en la adultez y regulación hacia arriba de la cadena pesada β de la miosina, un marcador  de remodelación cardiaca patológica.  Los ratones con ablación de GR restringida a los cardiomiocitos  son normales en la vida temprana pero desarrollan disfunción sistólica de ventrículo izquierdo a los tres meses de edad y mueren tempranamente por insuficiencia cardiaca congestiva, en ausencia de fibrosis cardiaca.  La expresión cardiaca de varios genes claves, incluyendo Ryr2, disminuye antes del inicio de los síntomas, lo que sugiere un rol causal  en el fenotipo. Por otra parte, varios genes asociados con la inflamación  son regulados hacia arriba en el corazón antes  del aparecimiento de los síntomas, lo cual sugiere que el GR normalmente   suprime la inflamación en el corazón. Esto contrasta con los efectos proinflamatorios de la activación  de MR en los cardiomiocitos, al menos bajo condiciones fisiológicas. La evidencia genética  en humanos también apoya una asociación entre  GR y enfermedades cardiacas. Un haplotipo  del gen GR  relacionado con resistencia a los GC esta asociado  con disfunción sistólica e insuficiencia cardiaca en adultos y con presión sanguínea sistólica aumentada  y crecimiento cardiaco en niños.

La sobre expresión transgénica de GR restringida a cardiomiocitos adultos  causa bradicardia y bloqueo atrioventricular en ratones. En contraste con la sobre expresión de MR, la sobre expresión de GR no está asociada con  arritmias o muerte temprana, ni resulta en hipertrofia cardiaca o fibrosis. Mientras la sobre expresión de MR afecta principalmente la corriente de Ca²⁺ la sobre expresión de GR afecta principalmente  corrientes de Na⁺ y K⁺.

El balance GR-MR normal puede ser crítico  en la acción de los corticoesteroides en el corazón. En el corazón humano, los MR  son ocupados normalmente por el cortisol más que por la aldosterona. Por lo tanto, en los cardiomiocitos, los receptores MR y GR son ocupados predominantemente por los GC. La consecuencia de la acción de los GC en los cardiomiocitos dependerá  de varios factores. El MR es un receptor de mayor afinidad por los GC que el GR y son ocupados completamente  aun con los niveles  bajos del nadir diurno de cortisol, aunque las condiciones redox  de las células  son claves para determinar si la ocupación de MR por GC provoca la activación del receptor. Por el contrario, el GR sólo es ocupado completamente por ligando en el pico diurno de GC, o en situación de estrés. Adicionalmente, la densidad relativa de GR y MR  puede ser importante para determinar la consecuencia de la acción de los GC en los cardiomiocitos. El antagonismo MR puede ser beneficioso en la insuficiencia cardiaca a través de una alteración  del balance entre la actividad MR y GR a favor del GR, aún en el nadir natural del cortisol. La alteración del balance entre GR y MR, particularmente durante el estrés o cuando los niveles de aldosterona son elevados, afecta la densidad y actividad de los canales RYR generando eventualmente arritmias. Entonces, es el balance entre GR y MR, más que los niveles absolutos de cada uno, el factor crítico para la consecuencia de la acción de los GC en los cardiomiocitos. Algunos de los efectos de la activación de GR o MR en los cardiomiocitos pueden ser distintos, pero otros efectos pueden depender  de la densidad y/o activación  del otro receptor.

La enzima 11β-HSD2 no es expresada postnatalmente en los cardiomiocitos, solamente la 11β-HSD1, la cual regenera cortisol activo  a partir de la cortisona intrínsecamente inerte.  Esto potencialmente aporta ligando a los receptores GR o MR.

En conclusión,  los receptores GR y MR tienen una alta homología  en estructura y función, pero en los cardiomiocitos, los roles de GR y MR pueden ser opuestos. Ambos receptores son predominantemente ocupados por GC en los cardiomiocitos y pueden ser importantes en la trayectoria de crecimiento y maduración del corazón. Ambos regulan canales iónicos aunque claramente en formas diferentes. Las señales de los receptores MR y GR  impactan la liberación de calcio  inducida por calcio, pero a través de mecanismos diferentes  y con consecuencias potencialmente diferentes. Ambos alteran los procesos de reparación y remodelación cardiaca. El balance GR-MR normal puede ser crítico para las acciones de los corticoesteroides en el corazón. La ocupación de los MR por los GC  depende del contexto celular. Los niveles de GC en la circulación dependen de la actividad del eje HHA y también de la tasa de aclaramiento. Sin embargo, los niveles intracelulares de GC en los cardiomiocitos pueden ser incrementados por la 11β-HSD1. La importancia de la amplificación de GC mediada por 11β-HSD1 depende de los niveles de su sustrato, generados por la actividad de la 11β-HSD2 renal, la cual es mayor cuando el eje HHA es activado.

Fuente: Richardson RV et al (2016). Cardiac GR and MR: from development to pathology. Trends in Endocrinology and Metabolism 27: 35-43.

Inmunometabolismo en macrófagos y células dendríticas

Los procesos metabólicos como la glucólisis, el ciclo de Krebs y el metabolismo de ácidos grasos tienen efectos altamente específicos  sobre la función de los macrófagos y las células dendríticas (CD). La manipulación de estas rutas puede alterar dramáticamente el funcionamiento de estas células de manera específica. Los macrófagos y las CD son críticos para la inmunidad innata y adquirida.

La reprogramación metabólica refleja  las respuestas de las células  a cambios críticos  en el ambiente. Por ejemplo, en condiciones de tensión normal de O₂, las células pueden usar la fosforilación oxidativa  para generar ATP. Los componentes críticos de la cadena transportadora de electrones usan NADH y FADH generadas  como resultado de reacciones en el ciclo de Krebs, el cual a su vez es alimentado por la glucosa, los ácidos grasos y la glutamina. Por el contrario, cuando la tensión de O₂ es baja, las células pueden generar ATP a través de la glucolisis, independientemente  de la fosforilación oxidativa, pero esta ruta es altamente dependiente de la glucosa como fuente de energía. Las rutas metabólicas son esenciales para el intercambio  de carbonos  entre azucares, ácidos grasos, ácidos nucleicos y proteínas, por lo tanto la flexibilidad metabólica  puede jugar  un rol crítico cuando cambian las condiciones de oxigenación.  Esto puede ser de gran importancia cuando una célula se enfrenta con diferentes demandas funcionales. En este contexto, un trabajo reciente enfatiza  el hecho que cambios en los eventos metabólicos de las células inmunes  pueden ser iniciados no sólo por los nutrientes y las condiciones de oxigeno, sino también por eventos de reprogramación. Entonces, las células inmunes tienen el potencial  para cambios metabólicos en respuesta a las señales instruccionales recibidas de otras células o por cambios en el ambiente no relacionados   con nutrientes o disponibilidad de oxigeno, como señales peligrosas o antígenos, por ejemplo. 

El “inmunometabolismo” gobierna  el fenotipo  de las células inmunes  a través del control de  eventos transcripcionales y post-transcripcionales que son centrales para la activación.  Esto está muy claro  en los macrófagos, aunque también  es una característica de la polarización  de células T y la activación de CD. Los estudios iniciales  sobre el metabolismo de los leucocitos encontraron evidencia  de un incremento en el consumo de oxigeno  durante la fagocitosis, el cual fue identificado como el sistema NADPH oxidasa generador de radicales de oxigeno. También se observó  que los monocitos usan la glucolisis cuando fagocitan partículas, mientras que los macrófagos usan la fosforilación oxidativa. Más aún, el aumento en la captación de glucosa es un hecho bastante conocido  de los macrófagos activados por lipopolisacaridos (LPS).  Un trabajo más reciente  ha confirmado que un cambio hacia la glucólisis y la síntesis de ácidos grasos y ausencia de ciclo de Krebs y oxidación de ácidos grasos, convierte en proinflamatorio a un macrófago. Esto puede ser activado  agregando  LPS y el cambio metabólico  es critico para aumentar la producción de citoquinas  proinflamatorias, particularmente IL-1β. Una situación similar se observa  en las células T, donde la glucólisis  es necesaria para la función de Th17 (el linfocito inflamatorio), pero si la glucólisis es bloqueada, entonces la célula T se vuelve célula T reguladora, la cual es antiinflamatoria. El cambio hacia la glucólisis  de los macrófagos activados por LPS y las células Th17 es llamado efecto Warbug (o glucólisis aeróbica). La pregunta clave es cómo los cambios  en el metabolismo  y los cambios en los niveles de los metabolitos son capaces de facilitar las actividades especializadas de estas células.

Los macrófagos activados con LPS (también llamados M1 o macrófagos activados clásicamente) son proinflamatorios y tienen un perfil metabólico muy diferente al de los macrófagos activados con IL-4 (también llamados M2 o macrófagos activados alternativamente), los cuales  están más involucrados  en la resolución de la inflamación  y la resistencia a los helmintos. Los macrófagos M1 utilizan el metabolismo de Warburg, mientras los macrófagos M2 utilizan la fosforilación oxidativa. Los procesos que manejan el cambio glucolítico  en los macrófagos M1 son regulados hacia abajo en los macrófagos M2. Un ejemplo es que los macrófagos M1 expresan μ-PFK2, una isoforma de la fosfofructoquinasa-2 que es altamente activa en la promoción de la glucólisis. Por el contrario, los macrófagos M2 expresan la isoforma PFKFB1, la cual es mucho menos  activa. En los macrófagos M2, el ciclo de Krebs tiene primacía sobre la glucólisis. En particular, la oxidación de ácidos grasos es crítica para alimentar al ciclo de Krebs en estas células. La fuente de ácidos grasos para la oxidación son los triglicéridos, los cuales son tomados  por los macrófagos M2  vía CD36 para su hidrólisis  por la lipasa ácida en los lisosomas. La IL-4 induce esta enzima, posiblemente  vía STAT6. Si la lipólisis es inhibida, el macrófago M2  se vuelve menos capaz  para mediar la resistencia a la infección por helmintos.

¿Por qué los macrófagos M1 y M2  adoptan diferentes tipos de metabolismo en su activación? Una posibilidad es que el cambio a la glucolisis en los macrófagos M1  puede ser el adecuado para una activación rápida  como la requerida en  sitios de infección o inflamación, mientras la oxidación de ácidos grasos en los macrófagos M2 puede ser energéticamente mejor para la supervivencia de las células en un período de tiempo comparativamente prolongado. Aunque esta explicación puede tener cierto peso, un estudio reciente indica que la reprogramación de rutas metabólicas después de la activación clásica o alternativa tiene importantes funciones adicionales. El estudio revela que en el macrófagos M1 el ciclo de Krebs es cortado en dos lugares: después del citrato y después del succinato, ambos metabolitos se acumulan y tienen funciones específicas. Es bien conocido que en los macrófagos inflamatorios hay una fuerte inducción  de la enzima citrato sintetasa, lo cual provoca la acumulación de citrato. Por el contrario, el macrófago M2 tiene un ciclo de Krebs intacto y está especializado en generar intermediarios para la glucosilación de proteínas. Estos hallazgos demuestran que la reprogramación metabólica  permite a las células iniciar la síntesis  de importantes y definitivas moléculas  que son esenciales para distintas funciones celulares.

La acumulación de citrato en los macrófagos M1  es especialmente relevante para la producción de tres mediadores que tienen una gran contribución  en el rol proinflamatorio de estas células. Estos mediadores son: NO, ROS y prostaglandinas. Los LPS inducen la expresión del transportador de citrato en las mitocondrias y el citrato es utilizado para sintetizar fosfolípidos, una fuente del ácido araquidónico necesario para la síntesis de prostaglandinas. Para la producción de NO, el citrato puede generar, vía enzima málica y piruvato,  NADPH que puede ser usada por la iNOS para generar NO. La NADPH oxidasa también usa NADPH para generar ROS. La NADPH  también puede ser generada por la ruta pentosa fosfato, la cual es regulada hacia arriba en los macrófagos activados por LPS. Los macrófagos M2 no producen NO debido a un incremento  en la expresión de arginasa que disminuye los niveles de arginina necesaria para la producción de NO.

Otra consecuencia de la acumulación de citrato en los macrófagos M1 es la síntesis de ácido itacónico. El itaconato, un ácido orgánico nonamino, es   el producto  de una enzima codificada por el gen de respuesta inmune 1 (Irg1) y convierte cis-aconitato (derivado del citrato) en ácido itacónico. Este metabolito tiene propiedades antimicrobianas, con un particular efecto que limita la viabilidad de Salmonella typhimurium y Micobacterium  tuberculosis. Este es uno de los mejores ejemplos  de cómo la reprogramación metabólica  influye en la función efectora de los macrófagos: la acumulación de citrato  produce ácido itáconico, el cual limita directamente  la viabilidad de agentes patógenos. 

Una consecuencia de la acumulación de succinato en los macrófagos activados por LPS es la inducción de IL-1β, un mediador inflamatorio. La producción de IL-1β en los macrófagos M1 necesita del efecto Warburg. Para ello se requieren dos señales. La señal 1, manejada por receptores inmunes innatos, induce la transcripción  de pro-IL-1β. La señal 2 activa el inflamasoma y es manejada por múltiples estímulos, incluyendo ATP y varios materiales que son fagocitados. Ambas señales están involucradas en la reprogramación metabólica. Primero, en la señal 1, la acumulación de succinato (posiblemente causada por la inhibición de la succinato deshidrogenasa por el itaconato) provoca la activación de HIF1α (a través de la inhibición de la prolil hidroxilasa). El HIF1α induce directamente a la IL-1β porque el gen promotor  para la IL-1β contiene  un sitio para la unión con  HIF1α. Segundo, el inflamasoma NLRP3 necesita la glucólisis para su función. La hexoquinasa regula la activación de NLRP3 posiblemente a través de efectos sobre las mitocondrias.

Los macrófagos experimentan cambios epigenéticos durante la estimulación,  los cuales producen la preparación para una estimulación posterior. Los cambios metabólicos permiten los cambios epigenéticos que constituyen la base para la preparación. Esto es llamado “inmunidad entrenada” o “memoria inmune innata”. La glucólisis  es un proceso fundamental  en la inmunidad entrenada. Por otra parte, un hallazgo reciente relaciona al receptor nuclear ERRα, un regulador del metabolismo energético y la biogénesis mitocondrial, con la enzima A20, un regulador negativo de la inflamación en múltiples enfermedades humanas como la artritis reumatoidea y el asma. El ERRα se une directamente al promotor del gen A20 e incrementa su expresión. Los ratones con deficiencia de ERRα son altamente susceptibles al shock séptico inducido por LPS y tienen elevada la glucólisis y disminuida la fosforilación oxidativa. El perfil metabólico de   los macrófagos activados por  IL-1β es muy distinto al de los macrófagos activados por LPS/interferón γ, pues el ciclo de Krebs está intacto en esas células. Una característica importante  es el metabolismo  de glutamina a UDP-GlcNAC necesario para la glucosilación  de receptores lectina o manosa, lo cual es requerido para el reconocimiento de los agentes patógenos. La privación de glutamina o la inhibición  de la N-glucosilación disminuyen la polarización  de los macrófagos M2.

Las CD  producen mediadores,  como quimioquinas o citoquinas, que afectan la biología de otras células  en el ambiente. Es decir, son capaces de degradar proteínas que toman del ambiente para presentar epítopes en el contexto de MHC I o MHC II para estimular células T e iniciar la inmunidad adaptativa. El cambio  de célula en reposo  a célula activada  es muy marcado e involucra una transición  en la cual la célula se vuelve más dendrítica, más secretora y más interactiva con otras células. Estos cambios en la biología de las CD son acompañados por  cambios profundos  en el metabolismo celular que son esenciales para el proceso de activación. La activación de las CD en respuesta a agonistas  TLR causa un marcado incremento en el consumo de glucosa y la producción de ácido láctico. La importancia de la glucosa para la activación de las CD  es ilustrada por el hallazgo  que la inhibición de la hexoquinasa, la primera enzima en la ruta de la glucólisis,  bloquea fuertemente el proceso de activación. En las CD, la producción de lactato después de la activación   no refleja que el metabolismo  de Warburg  sea el  mecanismo de producción  de ATP porque durante ese tiempo el ATP es proporcionado por la fosforilación oxidativa. Más bien, la glucolisis satisface la necesidad citrato de las CD activada. El citrato de las mitocondrias llega al citoplasma  a través de transportadores SLC25A y es importante para la síntesis de ácidos grasos, los cuales están relacionados con el requerimiento  de las CD activadas de incrementar el tamaño de los organelos involucrados  en la síntesis y secreción de proteínas como el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi.

El crecimiento celular  requiere un  metabolismo anabólico y esto puede ser regulado por mTORC1 y receptores de factores de crecimiento. En este contexto, se ha demostrado que el inhibidor de mTOR, rapamicina, actúa  sobre CD derivadas de monocitos humanos para inhibir selectivamente la expresión de IL-6, IL-10 y posiblemente TNF para disminuir su inmunogenicidad. No obstante, en algunas circunstancias, la rapamicina puede promover la inmunogenicidad de las CD extendiendo su longevidad. La AMPK, la cual es activada por AMP, antagoniza al mTOR y promueve un metabolismo catabólico, en parte induciendo la expresión de PGC-1α, un regulador clave del metabolismo energético que promueve la biogénesis mitocondrial  y por lo tanto la capacidad  de las células para oxidar ácidos grasos, aminoácidos y glucosa  y generar ATP. La AMPK también promueve la autofagia que es un proceso catabólico. Por otra parte, la activación de la AMPK puede disminuir la capacidad  de las células para producir y presentar complejos péptido antigénico-MHC a las células T, lo que las convierte en tolerogénicas más que antígénicas.  La AMPK puede ser activada no solamente por cambios en la relación AMP/ATP, sino también por cambios a nivel de los receptores de superficie, lo que indica que las señales extracelulares pueden inducir cambios en el metabolismo que dictan la función celular. Por ejemplo, la adiponectina es capaz de inhibir la activación de CD promoviendo la producción de la citoquina antiinflamatoria IL-10 a través de una ruta dependiente de AMPK.  Estos hallazgos  indican que el balance  de inmunogenicidad versus tolerogenicidad de las CD refleja el balance de metabolismo anabólico versus metabolismo catabólico.  En esencia, el metabolismo anabólico puede ser inmunogénico y proinflamatorio mientras el metabolismo catabólico puede ser tolerogénico y antiinflamatorio.

Las CD son capaces de sensar el succinato extracelular a través del receptor de succinato GPR91y aumentar el Ca²⁺ intracelular para promover su activación y su habilidad migratoria. Las CD también pueden responder  a través de receptores acoplados a proteína G específicos  al ácido graso de cadena corta butirato, el cual es un producto de la microbiota intestinal, a la adenosina y al ácido láctico. Estos metabolitos generalmente promueven  la producción de IL-10 por las CD e incrementan la tolerogenicidad.

En conclusión, los macrófagos y las CD  llevan a cabo reprogramación metabólica  en respuesta a factores ambientales como la hipoxia o las alteraciones de nutrientes, y también  en respuesta a señales peligrosas y citoquinas. Por lo tanto, la reprogramación metabólica  no es solamente una consecuencia del nivel de oxígeno y nutrientes, también es manejada por señales inmunes. Está claro que las señales extrínsecas e intrínsecas  pueden regular rutas metabólicas y la disponibilidad de metabolitos afectar cambios  en la función celular. Los metabolitos como el citrato y el succinato  tienen un impacto directo sobre el funcionamiento de los macrófagos. La inmunogenicidad y la tolerogenicidad  de las CD son determinadas por procesos anabólicos y catabólicos, respectivamente.  Las citoquinas y los niveles de nutrientes y oxígeno pueden influir en el balance  de metabolismo anabólico y metabolismo catabólico. El mTOR y la AMPK son importantes reguladores de este balance metabólico. La glucólisis y el ciclo de Krebs  apoyan  procesos biosintéticos que son críticos para la activación de las CD. Por el contrario, la autofagia y la oxidación de ácidos grasos  pueden crear un estado en el cual las CD son tolerogénicas.

Fuente: O`Neill LAJ y Pearce EJ (2016). Immunometabolism governs dendritic cell and macrophage function. Journal of Experimental Medicine 213: 15-23.

Dinámica de la neuromatriz del estrés

El estrés comúnmente es visto como la respuesta del cerebro a una demanda y/o reto (referido como estresor).  Los estresores pueden ser reales o percibidos. Más aún, los estresores  tienen distintas  dinámicas temporales (recurrente, corto plazo  o prolongado) y pueden variar en su intensidad (al menos en la percepción  individual). Es decir, los estresores  pueden ser débiles y relativamente fuertes, o resultar   de eventos mayores, y pueden tener efectos inmediatos o a largo plazo sobre el bienestar  del sujeto. Entonces, es básicamente inevitable  que la mayoría de los individuos se sientan estresados, al menos de vez en cuando. Sin embargo, es importante destacar que no todo estrés es “malo” y/o perjudicial. En efecto, el estrés ha sido crucial para nuestra supervivencia como especie, está intrínsecamente relacionado con la evolución: supervivencia a través de la adaptación. Todos los animales y aún otros organismos, como las plantas, tienen repuesta al estrés; sin embargo, como en otros aspectos en la vida, si la respuesta al estrés no es moderada y controlada, puede causar daño.

Algunas características de la respuesta al estrés  son determinantes  para la instalación de una respuesta de mala adaptación al estrés: tiempo, variabilidad individual, predictabilidad y controlabilidad. El tiempo  no solamente se refiere  a la dinámica temporal de los efectos del estrés en el cerebro, sino también a cómo el cerebro organiza la respuesta a los estresores en diferentes estados. El segundo factor, variabilidad individual, se refiere a cómo diferentes individuos  experimentan el estrés  de manera diferente. Los síntomas varían desde ansiedad y/o depresión, ira y/o irritabilidad hasta complicaciones digestivas o de la piel  o inmunosupresión.  Hay variaciones significativas  en la manera que los sujetos responden al estrés y esto es un elemento critico  para el establecimiento  de la mala adaptación al estrés y para su impacto sobre la salud mental y física. El tercer factor,  predictabilidad, sugiere que si un individuo se expone repetidamente  al mismo estresor, el organismo desarrolla una respuesta adaptativa.  El cuarto factor, controlabilidad (tener o no tener el control sobre el estresor) es crítico para la instalación de sus efectos deletéreos.

Los factores antes mencionados no son los únicos aspectos críticos para entender cómo el estrés puede afectar y cambiar  la estructura del cerebro. En efecto, los conceptos de multiestabilidad, metaestabilidad y criticabilidad  son claves para comprender  como una red cerebral aprende  dependiendo del repertorio inicial del individuo.  Los cambios adaptativos son gobernados por  mecanismos  de bi -o tri- furcación donde ocurren distintas rutas. Estas rutas alternas  dependen unas de otras  y pueden ser vistas como dos fases sucesivas del proceso de aprendizaje/cambio. Una posible razón  es que se necesita un nivel mínimo de multiestabilidad  (alcanzado a través del mecanismo de bifurcación) para desarrollar gradualmente la ruta del cambio.  Obviamente, los circuitos cerebrales se vuelven inestables y dan lugar a la emergencia de nuevos estados. La dinámica de la coordinación multiestable confiere al cerebro la capacidad para disponer de varios patrones. En la dinámica de coordinación, la metaestabilidad es la realización simultánea  de dos tendencias competentes: la tendencia  de los componentes individuales para acoplarse y la tendencia de los componentes para expresar su conducta independiente.  La metaestabilidad emerge de la multiestabilidad  y, en el cerebro metaestable, la actividad de los elementos individuales no obedece ni a la dinámica intrínseca  de los elementos ni  a la dinámica dictada por el ensamble de los elementos. Los sistemas en criticabilidad  exhiben un rango dinámico  óptimo para procesar información  pero cambian  como resultado  de la adaptación plástica de las sinapsis.  El atributo de criticabilidad  es la razón  del rápido cambio entre los diferentes colectivos de neuronas cooperantes y por consiguiente de la generación  redes con nuevas propiedades.

En sujetos sanos, un estimulo estresante produce una activación consistente y reproducible de un conjunto de regiones cerebrales. Esto puede ser considerado como la “matriz neurosensorial” del estrés, una red  necesaria, y probablemente suficiente,  para la percepción y evaluación del estresor.  La naturaleza del estresor determina la ruta sensorial que inicialmente es reclutada. Si el estresor es de naturaleza física (por ejemplo, un estimulo doloroso, la exposición a citoquinas inflamatorias, la hipovolemia, la hipoglucemia), tiene lugar la activación de núcleos del tallo cerebral o de órganos circunventriculares. De estos sitios parten proyecciones que activan neuronas que liberan hormona liberadora de corticotropina (CRH)  y arginina vasopresina (AVP)  (en el núcleo paraventricular del hipotálamo) que controlan la liberación de corticotropina en la hipófisis anterior, la cual a su vez controla la liberación de glucocorticoides en la corteza suprarrenal. Si el estresor es un estimulo psicosocial, la activación ocurre en la amígdala, el hipocampo y/o la corteza frontal entre otras estructuras del sistema límbico  que modulan la actividad de distintas regiones como   el núcleo del lecho de la estría terminal o el núcleo del tracto solitario, núcleos del hipotálamo dorsomedial, el núcleo arcuato, núcleos de la zona peri-paraventricular y por consiguiente la actividad del núcleo paraventricular. Estos constituyen algunos nodos/redes iniciales  de activación  en respuesta a los estresores.

Con el tiempo, la manera como el cerebro maneja  los estresores, en términos  de regiones y patrones de activación, sufre un considerable cambio, lo que sugiere que hay una diferencia entre la neuromatriz del estrés agudo  y la del estrés  crónico. En efecto, en el estado de mala adaptación al estrés crónico hay un compromiso  de neuronas adicionales  con proyecciones distintas, lo cual resulta en modificaciones de los nodos y redes. Más aún, la transición del estrés agudo al estrés crónico involucra una reorganización neural, estructural y funcional, que inicia una serie de eventos que potencian la ruta neural. Sobre la base de estas premisas se ha propuesto un modelo con etapas independientes, aunque interactuantes, que son moduladas  por factores que pueden explicar la dinámica del estrés crónico en el cerebro: (1) susceptibilidad; (2) respuesta e injuria inicial; (3) transición a la cronicidad y (4) mantenimiento  de un “cerebro estresado”.  Este modelo está inspirado  en investigaciones desarrolladas en el campo del dolor.  En el dolor crónico hay áreas y propiedades cerebrales específicas que están relacionadas con distintas condiciones del dolor crónico, este patrón de actividad  es el resultado de una reorganización específica, continua y de larga duración que justifica la noción del dolor crónico como un estado de enfermedad  neuropatológica.   De manera similar, en el estrés crónico, el modelo explica como el componente temporal emerge  de la interacción entre la red donde el estresor fue primero percibido/procesado  y las redes que conducen la reorganización  relacionada con la experiencia. De acuerdo con este modelo, la transición  de estrés agudo a estrés crónico es también la transición  de un estresor  que pasa de una simple señal  externa a una condición patológica. Esto puede ser relevante para entender  como el estrés  dispara varias condiciones psiquiátricas  como la depresión y el estrés post-traumático.   

Hay una significativa variabilidad en la respuesta individual y la predisposición  a los efectos del estrés. Esta variabilidad tiene un origen multifactorial con algunos mecanismos genéticos y epigenéticos implicados. Está demostrado que los patrones de reacción a los estresores transmitidos genéticamente  son altamente preservados en las especies porque son críticos para la supervivencia y la evolución. Por otra parte, estudios recientes han demostrado  la relevancia de los mecanismos epigenéticos  en la programación de los circuitos cerebrales  del estrés. Los datos obtenidos en modelos de roedores  de estrés prenatal y perinatal o separación y variación en el cuidado materno han revelado que la exposición a las condiciones estresantes puede provocar perturbaciones neuroendocrinas más tarde en la vida, y algunas de ellas pueden ser transmitidas transgeneracionalmente. El estrés prenatal o la exposición a exceso  de glucocorticoides exógenos están relacionados  con situaciones de salud adversas, incluyendo bajo peso al nacer, disfunción neuroendocrina e incremento en el riesgo  de enfermedades cardiometabólicas y psiquiátricas  en la vida postnatal. Las alteraciones neuroendocrinas inducidas por el estrés están relacionadas  con problemas conductuales y/o enfermedades en la adultez. Estas observaciones  demuestran que la exposición previa  a condiciones estresantes  induce cambios  biológicos que modifican la maduración  de los sistemas involucrados  en los procesos activos de adaptación y mantenimiento de la homeostasis (alostasis), particularmente aquellos de la neuromatriz del estrés.

La activación del eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA) es un blanco conocido  de los efectos de programación que pueden resultar  en distintas susceptibilidades a los estresores. Estos efectos pueden ser trasladados a los distintos niveles de glucocorticoides (GC) producidos en condiciones basales  y en respuesta  a un estimulo estresante. A su vez, las variaciones en los niveles de GC y otras hormonas del estrés, directamente o a través de alteraciones indirectas, activan otros nodos  en el sistema nervioso central (SNC) y disparan nuevos cambios en la neuromatriz del estrés. En este contexto, gran parte de la investigación sobre los efectos del estrés en el cerebro está dirigida al hipocampo. La idea central indica que la exposición prolongada de las neuronas del hipocampo a altos niveles de GC resulta en la pérdida de la inhibición por retroalimentación  que esta región del cerebro ejerce sobre el eje HHA. Esta idea ha sido reforzada por las observaciones que indican que los GC pueden promover directamente la apoptosis  y hacen a las neuronas del hipocampo más vulnerables a la excitotoxicidad y al estrés oxidativo.  Sin embargo, el enfoque emergente  es que la plasticidad  de la red cerebral  en respuesta al estrés  involucra otros mecanismos. Un evento plástico más rápido y dinámico en la adaptación neuronal  es la remodelación sináptica, incluyendo cambios en las proteínas sinápticas, los contactos de  las astroglias en la sinapsis tripartita  y alteraciones en el número de dendritas y en el tipo de espinas. El estrés crónico o la exposición prolongada a niveles altos de GC alteran el rendimiento cognitivo  y dispara la atrofia de dendritas y la pérdida de sinapsis en circuitos del hipocampo dorsal. Sin embargo, estudios recientes demuestran que en el hipocampo ventral tiene lugar el fenómeno opuesto.  En este proceso pueden ocurrir dos tipos de cambios: (i) si el estrés es sostenido, los cambios a nivel de  dendritas y espinas tienden a evolucionar  hacia estados más definidos en la estructura y función de las neuronas, progresando a lo largo de rutas trans-sinápticas; (ii) por el contrario, en condiciones en las cuales el contexto que dispara la respuesta al estrés es alterado (por un período libre de estrés y/o intervención terapéutica), estos cambios son reversibles y asociados con recuperación funcional. Entonces, los efectos transitorios del estrés/GC sobre la estructura y función del hipocampo (y otras regiones del cerebro) tienden a apoyar la idea que la atrofia dendrítica y los cambios sinápticos, más que las variaciones en el número de neuronas, son los mecanismos críticos a  través de los cuales tiene lugar la transición del estrés inicial a la fase  de cronicidad.

Una pregunta critica es si los efectos disparados por el estrés son reversibles y/o si hay un “punto de no retorno”.  Aunque algunos laboratorios han explorado el tema de la reversibilidad, ninguno ha estudiado específicamente  el establecimiento del punto de no retorno, donde los cambios se vuelven irreversibles. No obstante, se ha demostrado que similar a lo que ocurre en el hipocampo, los cambios inducidos por el estrés en la morfología de la corteza prefrontal  son reversibles cuando los animales jóvenes  tienen un periodo de recuperación después del estrés. Sin embargo, el mismo protocolo experimental falló  en inducir la recuperación en los animales viejos. Esto indica que el punto crítico de reversibilidad es probablemente influenciado  por varios factores, uno de los cuales es la edad. En humanos, también se ha demostrado que el impacto del estrés en las redes corticoestriadas a nivel estructural y funcional, es reversible, pero quedan algunas secuelas después del período libre de estrés. Las intervenciones terapéuticas, particularmente el uso de antidepresivos también producen una importante reorganización en circuitos neuronales relevantes en el contexto de la neuromatriz del estrés. Por ahora, el punto de no retorno, su relevancia clínica y si todos los individuos lo experimentan en un nivel similar o distinto, son preguntas abiertas.

La función del cerebro se produce a partir de patrones de actividad generados por nodos cerebrales interconectados. Esto se observa claramente en estudios de imágenes cerebrales que permiten  examinar la actividad cerebral e integrar tal actividad en redes. Estos estudios indican que el cerebro puede ser registrado como una red  con procesos    que pueden ser sincronizados. En este contexto, la caracterización  de los cambios en la conectividad funcional entre redes cerebrales involucradas en distintas funciones psicofisiológicas  es de relevancia para entender  los síntomas disparados por el estrés. Por ejemplo, un estudio reciente reveló un patrón alterado en la conectividad de la red en ratas con estrés crónico. En humanos, se ha reportado el hallazgo de un incremento en la conectividad funcional entre la corteza prefrontal  y la corteza del cíngulo  en sujetos estresados, el cual puede ser manejado con antidepresivos. Por otra parte, varios estudios reportan que la exposición a un episodio mayor  de estrés es un antecedente  relevante para el desarrollo de futuras formas agudas y crónicas de estrés post-traumático. La pregunta clave es por qué algunos individuos desarrollan tales trastornos, mientras otros son más resistentes  al episodio de estrés agudo. Varios predictores  (género, problemas psiquiátricos previos, intensidad y naturaleza de la exposición al evento traumático y carencia de apoyo social) están implicados en esa variabilidad.  Estas observaciones  indican que el patrón de actividad cerebral en el estrés crónico  es bastante diferente del observado en sujetos sanos, reforzando la idea de que un cambio hacia una neuromatriz  estresada también subyace  en la transición de un episodio de estrés agudo a un constructo patológico.

En conclusión, tomando en cuenta que el cerebro es una matriz compleja y dinámica, donde la conectividad  es modificada constantemente  por la experiencia instantánea del organismo, es obvio que considerar al estrés crónico como una activación  de nodos sensoriales  y del eje HHA  resulta simplista e inadecuado. Mientras la repuesta al estrés depende de algunos factores (tiempo, variabilidad individual, predictabilidad, controlabilidad), la transición a la cronicidad y la recuperación  dependen de determinantes multifactoriales  de susceptibilidad/resistencia individual. La noción de una neuromatriz del estrés única y constante no es sostenible. En la exposición al estrés crónico hay activación  de muchas regiones del cerebro  fuera de esa red, lo cual sugiere que hay una distinción entre la neuromatriz del estrés agudo y la del estrés crónico. Los estudios preliminares que colocan  a las redes cerebrales  en distintos estados de estrés  revelan tanto las alteraciones  dinámicas y las propiedades/respuestas particulares  que tienen lugar  en la neuromatriz estresada. El modelo para la transición del estrés agudo al estrés crónico integra evidencias preclínicas y clínicas y refleja las diferencias entre  sujetos que experimentan estrés en diversas extensiones, incluyendo el contexto de diferentes condiciones clínicas.

Fuente: Sousa N (2016). The dynamics of the stress neuromatrix.  Molecular Psychiatry 21:302-312.