El receptor de hormona de crecimiento

La hormona de crecimiento (GH) tiene acciones en el crecimiento postnatal y en la regulación del metabolismo (particularmente  en hígado y tejido adiposo), así como también  sobre los sistemas inmune, nervioso central, reproductivo y cardiovascular. La GH es requerida para la proliferación de células del tallo cerebral y la formación de nuevas neuronas en respuesta al ejercicio, mientras el sistema GH/IGF1 también influye en la formación de conexiones sinápticas. Adicionalmente, el estatus de GH influye en la capacidad cognitiva. Con relación a la función inmune, la GH directamente o a través de la generación de IGF1 influye en muchos elementos celulares del sistema inmune. Por ejemplo, la GH es capaz de incrementar el número de células T ayudadoras CD4 en pacientes con SIDA. Ahora bien, dada la ubiquidad de la expresión  del receptor de GH (GHR) es evidente que la GH podría tener acciones en todos los tejidos del cuerpo. Es importante entender que para muchas de estas acciones, la GH  actúa a través de mediadores. En este contexto, además de la inducción de IGF1, la GH es capaz de regular positivamente al EGF, los receptores de estrógeno y andrógeno, el receptor de angiotensina II y la expresión  de BMP2/4 y el receptor BMP 1A.  

Las acciones de la GH son resultado de la activación del GHR y la pérdida de la función de este receptor tiene muchas consecuencias. Sin embargo, dado que la GH es un modulador, tal pérdida no es letal pero resulta  en una salud subóptima con corta estatura, disminución de la densidad ósea mineral, disminución de la fuerza muscular, piel delgada, pubertad retardada,  adiposidad incrementada y esteatosis hepática. Interesantemente, estos pacientes son altamente resistentes al cáncer. Por el contrario, la prolongada activación del GHR como resultado de una variante en la secuencia de su dominio citoplasmático  que afecta la unión  de SOCS2, un regulador negativo de la acción de la GH, está asociada con un incremento del riesgo de cáncer de pulmón.

EL GHR fue el primer  receptor de la clase 1 de  receptores  citoquinas en ser clonado y ha sido un ejemplo de los 30 receptores  de esta clase que incluye a los receptores de eritropoyetina, prolactina, leptina, trombopoyetina, LIF, CTNF, oncostatina-M, carditropina-1, la mayoría de las interleuquinas y muchos de los factores estimulantes de colonias hematopoyéticas. Estos receptores forman homodímeros o heterodímeros con proteínas accesorias como las gp 130. Se trata de receptores de membrana que poseen una estructura característica en su dominio extracelular conocida como dominio de homología del receptor citoquina que consiste en dos  módulos similares a fibronectina III (FNIII), cada uno con una estructura “sándwich” para la unión del ligando. En el módulo FNIII inferior  está presente un fragmento WSxWS, necesario para la expresión y estabilidad del receptor. Muchos de estos receptores liberan su dominio extracelular en la circulación y, en el caso del GHR, esto produce la proteína transportadora de GH circulante, la cual regula la disponibilidad  de la GH. El elemento común clave para esta clase de receptores es el segmento Box 1 rico en prolina, el cual es necesario para la unión de la tirosina (janus) quinasa, el principal blanco del proceso de activación del receptor. Este segmento está localizado cerca de la membrana celular y la secuencia Box 2 en el extremo N-terminal consiste en residuos aromáticos y ácidos. La janus quinasa fosforila directamente residuos tirosina  en el dominio citoplasmático del receptor así como otros sustratos proteicos. En el caso del GHR, los residuos tirosina del dominio citoplasmático del receptor sirven como sitios “docking” para proteínas que contienen dominios SH2, especialmente STAT5a y STAT5b, las cuales median una considerable parte de la acción de la GH en el genoma.  El “docking” de estos factores de transcripción  facilita su fosforilación por la JAK2 en la tirosina 699, lo cual resulta en la formación  un dímero  de STAT5 y su translocación al núcleo donde el dímero regula  la expresión de genes. Un estudio reciente reporta que la estructura del dominio citoplasmático del GHR es intrínsecamente desordenada con algunas alfa-hélices transitorias. Esta estructura podría conferirle máxima flexibilidad al dominio citoplasmático y permitiría la unión a múltiples proteínas así como el acceso a la JAK2 para la fosforilación de sus tirosinas.

En general, se acepta que los receptores citoquina clase 1 son activados por un mecanismo de dimerización/oligomerización dependiente  de ligando. Sin embargo,  el GHR existe como dímero en la superficie celular antes de su unión al ligando y el principal elemento responsable para la dimerización del GHR es el dominio transmembrana. La interacción receptor-receptor en el dominio extracelular involucra al dominio FNIII inferior y la rotación relativa de los dos receptores  (aproximadamente 45^o), representa el estado sin ligando del dímero. Este movimiento requiere una rotación de las hélices que resulta en el íntimo contacto de dos residuos glicina en el centro del dominio transmembrana y la remoción de dos residuos fenilalanina en la superficie de interacción del dímero paralelo (estado basal).

Con relación a la activación de la JAK2, un punto clave  es que estas tirosina quinasas  poseen un dominio pseudoquinasa inhibidor. Este dominio debe ser removido para que ocurra la señalización intracelular.  En este contexto, se ha propuesto la hipótesis  que señala que  el dominio pseudoquinasa de una JAK2 es inhibido por el dominio quinasa de la otra JAK2 provocando una separación de los segmentos Box1, lo cual desplaza al dominio pseudoquinasa hacia el otro dominio quinasa. Esto remueve la pseudoquinasa inhibidora de una JAK2 del dominio quinasa de la otra JAK2 (y viceversa),   al tiempo que  acerca  los  dominios quinasa para que pueda  ocurrir la trans-activación de las JAK2. Por otra parte, estudios in vitro reportan la existencia de una quinasa de la familia Src (SFK) asociada con el GHR que activa una señal independiente  de la JAK2, con una orientación diferente del dominio transmembrana, que provoca la activación de ERK y Jun. En respuesta  a la GH, la ruta Src-ERK-Jun induce la expresión del gen que codifica  a una potente proteína de la inmunotolerancia conocida como HLA-G. Los niveles plasmáticos  de esta proteína  se correlacionan  con el éxito  de trasplantes de riñón, corazón, pulmón e hígado en humanos.

En conclusión, el GHR está  ampliamente distribuido en el cuerpo en correspondencia con las múltiples funciones de la GH. La GH ejerce estas acciones a través de alteraciones en la expresión de genes iniciadas por la activación de su receptor de membrana y la activación resultante de quinasa asociadas. El GHR usa dos tirosina quinasas (JAK2 y SFK) para su señalización que son activadas por diferentes cambios conformacionales en el dímero constitutivo. La activación del GHR involucra movimientos iniciados por la GH en un homodímero del receptor más que la simple dimerización del receptor. La unión de la GH realinea la orientación de los dos receptores mediante una rotación relativa y por una aposición más cercana justamente por debajo de la membrana celular. Esto es consecuencia de la asimetría de los sitios de unión en la GH. La unión resulta en la conversión de los dominios  transmembrana  de los receptores en una orientación  cruzada, lo cual produce la separación de la parte inferior de las hélices transmembrana. La activación del GHR resulta en la separación de las dos JAK2 asociadas y en particular en la remoción del dominio pseudoquinasa inhibidor del dominio quinasa de la otra JAK2 (y viceversa). Esto coloca los dos dominios quinasa en posición para la transactivación y el  inicio de la fosforilación de tirosinas del dominio citoplasmático del GHR y otros sustratos como STAT5, el factor de transcripción clave en la mayoría de acciones genómicas de la GH. Un limitado número de acciones genómicas de la GH son iniciadas  por la SKF.

Fuente: Waters MJ (2016). The growth hormone receptor. Growth hormone & IGF Research 28: 6-10.

Aldosterona, adipocitos e hipertensión

La evidencia emergente implica a la aldosterona en el desarrollo de resistencia a la insulina, síndrome metabólico e hipertensión resistente a tratamiento. Sintetizada en las células adrenocorticales, la aldosterona es una hormona reguladora de la presión arterial que forma parte del sistema renina-angiotensina-aldosterona (RAAS). La aldosterona ejerce  sus efectos fisiológicos a través del receptor mineralocorticoide (MR), el cual es expresado en tejidos epiteliales como el túbulo colector renal, el colon y las glándulas sudoríparas.   La activación del MR provoca la inserción de transportadores que incrementan la reabsorción de sodio y agua. El MR también  se encuentra en tejidos no epiteliales  como corazón, vasos sanguíneos y tejido adiposo. La expresión de MR  aumenta en el tejido adiposo  en la obesidad. Los ratones con una dieta rica en grasas no solo desarrollan obesidad, sino que también  incrementan la expresión renal de MR. El MR une aldosterona y glucocorticoides con alta afinidad. Sin embargo, los glucocorticoides (cortisol en humanos y corticosterona en roedores) circulan en concentraciones 100 a 1000 veces más altas  que la de aldosterona (0,1-1 nM). En los tejidos epiteliales, la enzima 11β-hidroxiesteroide deshidrogenasa tipo II (11β-HSD2) convierte el cortisol en el metabolito inactivo cortisona, lo cual permite que la aldosterona active selectivamente al MR.  Por otra parte, los adipocitos  pueden sintetizar  y secretar aldosterona, la cual puede ejercer efectos autocrinos y paracrinos que influyen en  el tejido adiposo y estructuras locales como los vasos sanguíneos. El bloqueo del MR reduce efectivamente  la presión arterial en sujetos con hipertensión relacionada con la obesidad al tiempo que beneficia significativamente al corazón con insuficiencia.

En la corteza adrenal, la biosíntesis de esteroides tiene como precursor al colesterol. Inicialmente, el colesterol es convertido en pregnenolona por la enzima mitocondrial P450scc codificada por el gen CYP11A1. La etapa final  es catalizada por dos enzimas citocromo P450 que se diferencian en su actividad enzimática, regulación y distribución zonal. La 11β-hidroxilasa (CYP11B1) sintetiza cortisol a partir del 11-deoxihidrocortisol (DOC) en la zona fasciculada,  mientras la aldosterona sintetasa (CYP11B2) cataliza la conversión  de DOC en aldosterona en la zona glomerulosa. La angiotensina II (Ang II) y la hiperpotasemia  son los principales reguladores  de la producción de aldosterona, mientras la hormona adrenocorticotrópica (ACTH) y otros péptidos  de la proopiomelanocortina, así como la vasopresina, la dopamina, el sodio, el péptido natriurético atrial, los agentes beta-adrenérgicos y la somatostatina  actúan como moduladores menores. La Ang II se une a receptores acoplados a proteína G (ATR) que activan a la fosfolipasa C, la cual hidroliza  PIP₂ a IP₃ incrementando la concentración intracelular de iones Ca²⁺ que a su vez activan  a la proteína quinasa  dependiente de Ca²⁺-calmodulina (CaMK) y la proteína quinasa C dependiente  de diacilglicerol. La ACTH  se une a receptores melanocortina -2 en la superficie celular, lo cual activa  a la adenil ciclasa, produce AMPc y activa a la PKA. La principal acción de la ACTH  es en la zona fasciculada de la corteza adrenal donde estimula la fosforilación -mediada por PKA- de proteínas esteroidogénicas  incluyendo a la reguladora aguda de la esteroidogenesis (STAR), la cual promueve el transporte  de colesterol en la mitocondria. Las reacciones enzimáticas que ocurren en la mitocondria provocan la síntesis   de glucocorticoides.

El tejido adiposo  contiene “factores liberadores de mineralocorticoides” que estimulan la síntesis de aldosterona en las células adrenocorticales incluyendo la producción de aldosterona en ratas espontáneamente hipertensas. Los factores derivados del adipocito median sus efectos a través de las rutas de señalización Wnt y ERK1/2-proteina quinasa activada por mitogenos (MAPK), lo cual resulta en un incremento de la expresión de la proteína STAR  y de la sensibilización a la Ang II. Dado que hay adipocitos localizados en las glándulas adrenales, los factores liberados por ellos pueden influir en la función de las adrenales de una manera paracrina. En este sentido, hay tres factores derivados del adipocitos bien caracterizados que influyen en la secreción de aldosterona: leptina, adiponectina  y CTRP-1 (complement-C1q TNF-related protein-1).

La leptina es una proteína de 16 kDa codificada por el gen Ob y secretada principalmente por el tejido adiposo blanco, pero también puede ser secretada en pequeñas cantidades  por otros tejidos como la glándula mamaria, el estómago, el músculo esquelético, la médula ósea, la placenta y tejidos fetales.  Los niveles plasmáticos de leptina son significativamente elevados  en la mayoría de individuos obesos y se correlacionan con el índice de masa corporal. Numerosas investigaciones clínicas y en modelos animales  implican a la leptina en la patogénesis de las enfermedades cardiovasculares  relacionadas con la obesidad.  Los individuos obesos pueden desarrollar “resistencia a la leptina” donde se vuelven insensibles  a los efectos metabólicos de la leptina, pero no a los efectos  sobre el sistema cardiovascular. Por otra parte, en un estudio reciente sugiere que la leptina regula directamente la secreción de aldosterona por las adrenales. Esta investigación demostró  que: a) el receptor de leptina y la CYP11B2 son co-expresados en células de la zona glomerulosa adrenal  en humanos y roedores; b) la reducción o el incremento genético de la señal leptina, respectivamente, previene o aumenta la expresión  adrenal de CYP11B2 y la liberación de aldosterona; c) la leptina endógena o exógena  activa directamente  a la CYP11B2, lo cual resulta  en un incremento  de la producción de aldosterona por mecanismos dependientes  de Ca²⁺. Esto es independiente del RAAS y del sistema nervioso simpático.

La adiponectina  es una proteína secretada específicamente por el adipocito con acciones metabólicas y anti-inflamatorias. La adiponectina mejora la sensibilidad a la insulina y está inversamente asociada con la obesidad y la resistencia a la insulina. Los receptores de adiponectina están presentes en las glándulas adrenales en humanos y ratones. En las células  adrenocorticales de ratón, la adiponectina disminuye la producción de aldosterona y corticosterona. Sin embargo, en células adrenales de rata, la adiponectina incrementa la esteroidogénesis.  Por otra parte, en cultivos de células adrenocorticales humanas, la adiponectina incrementa la expresión de STAR y la producción de cortisol, un importante sistema de regulación pues los glucocorticoides  disminuyen la secreción  de adiponectina por los adipocitos.

La CTRP-1 es un paralogo de la adiponectina con 30-50% de secuencia homóloga y algunas propiedades bioquímicas de la adiponectina. La CTRP-1 es primariamente -y altamente- expresada por células de la fracción  vascular del estroma del tejido adiposo y también específicamente expresada en la zona glomerulosa  de la corteza adrenal en humanos y roedores. La evidencia reciente indica que la CTRP-1 regula la producción adrenal de aldosterona  a través de un incremento  en los niveles intracelulares de Ca²⁺ y la inducción de la expresión de CYP11B2. Más aún, la CTRP-1 no incrementa la transcripción de CYP11B1, la enzima responsable  de la síntesis de glucocorticoides. La secreción de aldosterona inducida por la CTRP-1 es independiente  del mecanismo de regulación mediado por la Ang II. La mayoría de estudios indican que los niveles circulantes de  la CTRP-1 aumentan en la obesidad. Adicionalmente, los pacientes con síndrome metabólico y diabetes tipo 2 tienen niveles circulantes elevados de la CTRP-1 en comparación con individuos sanos. Los niveles circulantes de la CTRP-1 también aumentan en pacientes hipertensos no obesos.

La producción extra-adrenal de aldosterona puede representar importantes mecanismos reguladores locales. En el sistema cardiovascular, la maquinaria  para la producción de aldosterona se encuentra en las células endoteliales y en las células de músculo liso. Los transcriptos de Cyb11b2 se encuentran aumentados en aorta  de ratas espontáneamente hipertensas y la arteria mesentérica aislada de rata produce aldosterona. El corazón de la rata también expresa las enzimas esteroidogénicas claves, incluyendo las enzimas terminales  para la síntesis de corticosterona y aldosterona. Los niveles de aldosterona  en el corazón de la rata son aproximadamente 17 veces mayores que en el plasma.  En el sistema nervioso central, la P450scc es expresada en sustancia blanca, neuronas y glias. Cyb11b1 y Cyb11b2 también son expresadas en el cerebro. La proteína Star es altamente expresada  en el cerebro con niveles máximos en el cerebelo. Por otra parte, los componentes necesarios para la producción endógena de aldosterona  están presentes en los adipocitos de roedores y humanos. Presumiblemente, las acciones de la aldosterona  derivada de adipocito  contribuyen a los efectos de la aldosterona circulante. La secreción de aldosterona por los adipocitos aumenta en animales obesos y también ha sido implicada en la enfermedad renal y en la patogénesis de la resistencia a la insulina en pacientes con enfermedad renal crónica. La aldosterona derivada del adipocito puede a su vez impactar sobre la biología del adipocito regulando la adipogénesis de una manera dependiente de MR.

Los mecanismos de regulación de la producción de aldosterona por los adipocitos incluyen  la ruta de señalización calcineurina/factor nuclear de células T activadas (NFAT) y rutas dependientes de sustancias reactivas de oxígeno (ROS). En los adipocitos, la señal Ang II/AT₁R regula la expresión de Cyb11b2 y la secreción de aldosterona  de una manera dependiente de calcineurina/NFAT. Adicionalmente, la Ang II estimula la translocación nuclear de NFAT. Por otra parte, inhibidores de la proteína que transfiere esteres de colesterol (CETP)  incrementan los niveles de las lipoproteínas  de alta densidad. Las investigaciones clínicas de estos inhibidores  revelan hiperaldosteronismo e hipertensión como efectos adversos relevantes.  En los adipocitos humanos, los inhibidores de CETP incrementan la expresión de CYP11B1, CYP11B2 y STAR. Este incremento está asociado con un aumento en la generación de ROS y la activación del receptor  activado por proliferación de peroxisomas-gamma (PPAR-γ) y el activador de transcripción y transductor de señal 3 (STAT3).

Las ROS son reguladores clave de la producción de aldosterona en las glándulas adrenales. En las células adrenocorticales de humanos y roedores, la Ang II incrementa los niveles de ROS a través de la regulación positiva  de la NADPH oxidasa, lo cual resulta en un incremento en los niveles de CYP11B2 y la producción de aldosterona. Este proceso es bloqueado o atenuado por  antagonistas de AT₁R y antioxidantes. El H₂O₂ exógeno incrementa la actividad CYP11B2, provocando un aumento en la producción de aldosterona por las células adrenocorticales. Varios reportes demuestran niveles aumentados de ROS en el tejido adiposo de animales obesos y/o hipertensos, lo cual apoya la posibilidad de las ROS derivadas de tejido adiposo como la conexión molecular  entre los niveles elevados  de aldosterona  y la  hipertensión relacionada con la obesidad. Por otra parte, varios estudios demuestran que los activadores farmacológicos de la AMPK incrementan la secreción de aldosterona por los adipocitos humanos. Aunque este efecto inicialmente fue inesperado, los investigadores sugieren que puede ser un efecto directo sobre el número de mitocondrias y por lo tanto de la producción de esteroides. 

La activación del MR regula importantes funciones fisiológicas en el tejido adiposo incluyendo la diferenciación de preadipocitos en adipocitos maduros y la promoción de la inflamación del tejido adiposo blanco  a través de la inducción de citoquinas como la IL-6, el TNF-α y la proteína quimiotáctica de monocitos (MCP-1), mientras disminuye la actividad termogénica en el tejido adiposo marrón a través de la disminución de la transcripción  de la proteína desacopladora 1 (UCP-1). Esto sugiere que la sobre activación de MR en el tejido adiposo dispara efectos deletéreos en el tejido adiposo; en particular, contribuye a la resistencia a la insulina, al estrés oxidativo y al desarrollo de complicaciones cardiovasculares asociadas con la obesidad.

En conclusión, dado que los adipocitos pueden regular la secreción local y adrenal de aldosterona, se puede concluir que los adipocitos son responsables de la elevación de la presión arterial en la obesidad. La inflamación asociada con la obesidad  contribuye al desarrollo de resistencia a la insulina. La aldosterona tiene efectos directos  en el tejido adiposo  incluyendo la inducción de resistencia a la insulina e inflamación, lo que sugiere que la aldosterona puede ser un enlace  entre obesidad, resistencia a la insulina e hipertensión.

Fuente: Dinh AN et al (2016). Adipocytes, aldosterone and obesity-related hypertension. Journal of Molecular Endocrinology 57: F7-F21.

Kisspeptinas en la vida humana

La primera descripción del gen KISS1ocurrió en 1996 y sus productos son conocidos como kisspeptinas. Las kisspeptinas constituyen un grupo de péptidos endógenos que actúan como ligandos de un  receptor  acoplado a proteína G (KISS1R).  Estos péptidos son formados a partir de la degradación  de un producto del gen KISS1 de 145 aminoácidos y poseen un decapéptido común  en el extremo C-terminal, esencial para asegurar la bioactividad en el receptor de kisspeptina.  Aunque las investigaciones iniciales se enfocaron  en el rol del gen   kisspeptina  en las enfermedades oncológicas, la abundancia del gen KISS1 en el tejido placentario, el hipotálamo y las gónadas llevó a los investigadores  a proponer que las kispeptinas  podrían tener un rol en la salud reproductiva.  Aunque gran parte de ese conocimiento proviene de estudios en animales (en particular estudios en roedores), es conveniente señalar que el eje reproductivo de  los humanos  difiere del de los  roedores  en varios aspectos críticos. Por ejemplo,  el control del eje hipotálamo-hipófisis es más complejo en los roedores que en los humanos. Por otra parte, en los roedores, la maduración sexual es evidente tempranamente después del nacimiento, mientras en los humanos se presenta un período  quiescente postnatalmente. 

Las kisspeptinas son péptidos con un residuo arginina-fenilalanina  común en el extremo amino terminal que les confiere sus efectos a nivel de receptor. La molécula de 145 aminoácidos   codificada por el gen KISS1 es clivada proteolíticamente para dar lugar a un producto inicial de 54 aminoácidos, originalmente llamado “metastina” debido a sus efectos inhibitorios sobre las metástasis tumorales. La proteolisis de la kisspeptina 54  resulta en péptidos de 10, 13 o 14 aminoácidos.  En los humanos, los genes Kiss1 y KISS1R son expresados ampliamente  cerebro, hipófisis, placenta, gónadas, tracto gastrointestinal, hígado y vasos sanguíneos.  Las neuronas kisspeptina fueron localizadas inicialmente en el núcleo infundibular de mujeres. Este hallazgo fue reproducido en el núcleo infundibular/arcuato de varias especies. Estudios posteriores localizaron neuronas kispeptina en el área preóptica rostral  de humanos y en los núcleos anteroventral periventricular (AVPV) y periventricular en roedores. 

La secreción de hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH) es crucial para el funcionamiento del eje hipotálamo-hipófisis-gónadas (HHG) con un incremento en su pulsatilidad  a partir de la pubertad. Varios factores manejan  este “pulso generador  de GnRH” y las kisspeptinas  han demostrado ser  un potente  estimulador  de la liberación de GnRH in vitro e in vivo. La administración de kisspeptinas a roedores incrementa las gonadotropinas circulantes, un efecto ausente en ratones kiss1r^-1- lo que sugiere  que las kisspeptinas estimulan al eje hipotálamo-hipófisis. La administración  de antagonistas de kisspeptinas previene la secreción de GnRH en animales y humanos. La evidencia reciente indica que  otros péptidos  co-reguladores influyen  en la relación entre kisspeptina y GnRH. Una subpoblación  de neuronas kisspeptina (neuronas KNDy) en el núcleo infundibular/arcuato  co-expresan dinorfina (Dyn) y neurokininina B (NKB).  Estas neuronas, en contacto directo con las neuronas que secretan GnRH en humanos, se proyectan a la eminencia media en monos, roedores y ovejas. La Dyn (a través del receptor κ de opiode, KOR) y la NKB  (a través del receptor NK3) influyen en la secreción de la gonadotropina hormona luteinizante (LH).  Más aún, el naloxone, un antagonista de receptor de opiode,  incrementa la secreción de LH en mujeres durante las fases prefolicular y luteal del ciclo menstrual, mientras el naltrexone, un agonista opiode, incrementa la liberación  de LH mujeres con amenorrea hipotalámica, una condición  que se caracteriza  por bajos niveles circulantes de gonadotropinas y esteroides sexuales.  Evidencia adicional sugiere que ciertamente las neuronas NKB son cruciales en el funcionamiento del eje reproductivo.

La evidencia acumulada sugiere  que los estrógenos actúan vía  receptor de estrógeno ERα sobre las neuronas kisspeptina para ejercer retroalimentación negativa  en la liberación  de GnRH. Los estrógenos también  influyen en la expresión de Dyn y NKB. En modelos animales, la expresión de Dyn, NKB, KOR NK3  es inhibida por los estrógenos. Los datos indican que las neuronas kisspeptina  que median la retroalimentación negativa  están localizadas en el núcleo arcuato de roedores o en el núcleo infundibular de humanos. Por el contrario, una segunda población  de neuronas kisspeptina, localizada en el AVPV en animales, es estimulada por los estrógenos  en una respuesta  mediada por ERα, lo que explica el pico de  LH en el ciclo menstrual.

La presunción de  un rol de las kisspeptinas  durante el embarazo está sustentada en el hallazgo de un incremento en sus niveles circulantes   durante la gestación que alcanza un pico  en el tercer trimestre con valores hasta 7000 veces mayores que las mujeres no embarazadas. Los niveles de kisspeptina disminuyen dramáticamente después del parto, lo que indica que la  placenta es responsable de los cambios observados. La  evidencia reciente sugiere que las kisspeptinas pueden tener un rol en varios procesos vitales necesarios para un embarazo normal. En roedores,  la implantación del embrión requiere la función Kiss1 para asegurar la adecuada adhesión a la pared uterina. Después de la implantación del embrión ocurre la decidualización del endometrio, un proceso que se caracteriza por la proliferación y diferenciación de las células del estroma. La expresión uterina de kiss1 y kiss1r aumenta significativamente con la decidualización. Esto también ha sido observado en casos de pseudoembarazo,  lo que sugiere que se trata de un proceso independiente  del desarrollo del embrión. Adicionalmente, se ha demostrado que durante la implantación existe un sistema de señalización kisspeptina funcional. Esta señal kisspetina  es importante en la regulación  del endotelio uterino. Aunque el proceso de decidualización  es diferente en humanos, pues comienza  antes de la implantación del embrión, los hallazgos sugieren un posible mecanismo que subyace a la relación entre kisspeptina y función placentaria.

La expresión del gen KISS1 en la placenta  humana es 29 veces mayor  en el primer trimestre  que al final del embarazo, con los mayores niveles en las células del sincitiotrofoblasto. La kisspeptina 10 bloquea la migración  del trofoblasto y actúa como inhibidora de la implantación.  Aunque esto podría parecer contradictorio, los datos indican que la expresión de la kisspeptina y su receptor es mayor durante el primer trimestre cuando la invasión de citotrofoblasto es máxima, apoyando por lo tanto la noción que la kisspeptina  tienen un rol regulador  en la placentación.  Estudios in vitro apoyan  este hallazgo, demostrando que la kisspeptina inhibe la migración del trofoblasto. Los niveles circulantes  kisspeptina no solo  se correlacionan con la función placentaria sino que hay evidencia que los niveles de kisspeptina son más bajos en las mujeres cuyo  embarazo  terminan  en aborto. La relación de las kisspetinas con el aborto ha sido demostrada en embarazos gemelares, donde la muerte de uno de los fetos  está asociada con un nivel más bajos de kisspeptinas que en el embarazo sin complicaciones.

Las investigaciones recientes han proporcionado evidencia sobre la existencia de  neuronas que expresan kisspeptina en el feto humano. Por otra parte, los estudios en animales han identificado en ratones la expresión de kisspeptina y kiss1r en el hipotálamo mediobasal  y el área preóptica  a partir del día 13 de gestación. Este período  se correlaciona  la migración de neuronas GnRH hacia el área preóptica. La presencia del receptor de kisspeptina y su ligando  sugiere que este sistema es activo  tempranamente en la vida. Los estudios in vivo e in vitro han demostrado  que la longitud  de la neurita GnRH aumenta significativamente en presencia de KISS1 en comparación con los controles sin KISS1.

El eje HHG intacto es requerido para la diferenciación sexual normal, el desarrollo puberal y la fertilidad con la GnRH  actuando como un mensajero  clave que estimula la liberación de gonadotropinas por la hipófisis. La reactivación de las neuronas GnRH  es el proceso clave que dispara los cambios puberales. Los hallazgos de la investigación clínica apoyados por varios estudios en animales  generaron un ratón mutante con alteración del receptor kiss1r cuyo análisis fenotípico  demostró anormalidades en el desarrollo  de los genitales internos y externos de machos y hembras.  Estos hallazgos sugieren que no solo es necesario el kiss1r sino también el funcionamiento normal del péptido kisspeptina para el desarrollo puberal. Adicionalmente, la disrupción del kiss1r  específicamente en las neuronas GnRH  es capaz de alterar  la producción de esteroides sexuales. Los ratones machos y hembras kiss1r  “knockout” también presentan retardo en el inicio de la pubertad. Estos hallazgos sugieren que el rol de las kisspeptinas a nivel   de las neuronas GnRH influye en el inicio de la pubertad y la salud reproductiva. Es difícil saber en qué extensión los estudios en roedores  pueden ser extrapolados  a los humanos. Sin embargo, aunque estos estudios sugieren que a pesar  de la alteración de la señal kisspeptina puede ocurrir la maduración, en ninguno de los modelos descritos el desarrollo  puberal fue completamente normal.

Los estudios en modelos animales indican que las kisspeptinas afectan la liberación de gonadotropinas en machos y hembras. En concordancia con los estudios en animales, las diferentes isoformas de kisspeptinas  son capaces  de estimular la secreción  de gonadotropinas en hombres sanos cuando son administradas por diversas rutas. Aunque este  efecto involucra la liberación de  FSH y LH,  es más marcado  sobre la LH, lo que sugiere que la kisspeptina actúa  sobre la GnRH que tiene  un efecto preferencial sobre la LH. Por otra parte, la respuesta de las mujeres a la administración de kisspeptina exógena  varía de acuerdo con la fase del ciclo menstrual, con mayores niveles de gonadotropinas en la fase folicular temprana.  Kisspeptina-10 y kisspeptina-54 son capaces de estimular la secreción de LH en mujeres en la fase folicular, aunque estos efectos son menos obvios  que en otras fases  del ciclo menstrual, lo cual puede deberse en parte  al incremento en la secreción endógena de kisspeptina.

La utilidad de las kisspeptinas  se extiende más allá  de la edad reproductiva. Las mujeres postmenopáusica  poseen un perfil hormonal que se caracteriza por bajos niveles circulantes de esteroides sexuales y altos niveles de gonadotropinas al inicio debido a la disminución de la retroalimentación negativa. Por otra parte, varios estudios reportan marcada hipertrofia  de las neuronas del núcleo infundibular de mujeres postmenopáusicas. Este hallazgo ha sido reportado también en el núcleo infundibular de monas ovarectomizadas, en las cuales es evidente la hipertrofia de neuronas kisspeptina.  Cuando esas monas son tratadas con estrógenos o estrógenos con progesterona, el número de neuronas que expresan KISS1 se reduce a niveles casi indetectables, lo que sugiere que los cambios en la expresión de KISS1 ocurren debido a la pérdida  de los estrógenos ováricos. Aunque no está claro  si las kisspeptinas  modulan los síntomas  de la menopausia, o si su manipulación puede tener algún beneficio terapéutico, los resultados experimentales indican que pueden ser capaces de influir en el alivio de los síntomas.  

El proceso de envejecimiento también afecta el eje reproductivo masculino, con niveles aumentados de gonadotropinas y disminución de los niveles circulantes  de testosterona libre. Dado que la evidencia ha demostrado  que los esteroides sexuales influyen  en la secreción de kisspeptinas, es de esperar que la expresión de neuronas kisspeptina en el hombre también  se altere con la edad. En efecto, la población de neuronas kisspeptina  en el núcleo infundibular de los varones aumenta significativamente con la edad. Sin embargo, existe un dimorfismo sexual que se manifiesta de tal manera  que   la población de neuronas kisspetina  es marcadamente diferente en hombres y mujeres, con un efecto mucho mayor del envejecimiento en las hembras.

En conclusión, las kisspeptinas son péptidos endógenos codificados por el gen KISS1. En los humanos, las neuronas que producen kisspeptinas existen en el hipotálamo  y en particular en la región preóptica  y el núcleo infundibular. Su rol es crucial en la función reproductiva, regulando hacia abajo la fertilidad en situaciones de sobre ejercicio o pérdida de peso y controlando el desarrollo fisiológico  en la pubertad. Las neuronas kisspeptina también han sido identificadas en el feto humano  y en el período postnatal inmediato. Por otra parte, está confirmado que las kisspeptinas  estimulan la liberación de gonadotropinas por la hipófisis. La población de neuronas kisspeptina en el núcleo infundibular aumenta con la edad, pero se observa un dimorfismo sexual  con un efecto mucho mayor en mujeres. Las mujeres postmenopáusicas tienen una mayor respuesta a las kisspeptinas exógenas.

Fuente: Clarke SA y Dhillo WS (2016). Kisspeptin across the human lifespan: evidence from animal studies and beyond. Journal of Endocrinology 229: R83-R98.

Cirugía  bariátrica y hormonas gastrointestinales

La obesidad, definida como un índice de masa corporal sobre 30 kg/m², es uno de los mayores problemas de salud pública de nuestro tiempo.  La obesidad está asociada con múltiples trastornos metabólicos, incluyendo la diabetes tipo 2. La cirugía bariátrica ayuda a promover la pérdida de peso  reduciendo el tamaño del estomago o desviando el trayecto de los alimentos a una porción del intestino y está asociada  con beneficios metabólicos y una efectiva pérdida de peso a largo plazo.  El mecanismo que subyace a estos efectos de la cirugía bariátrica aún no está muy claro, pero incluye efectos sobre hormonas peptídicas, particularmente péptidos derivados del intestino.

El desarrollo de la cirugía bariátrica comenzó en la década de 1950. En general, los procedimientos bariátricos actúan para reducir el tamaño o la capacidad  del estómago, desviar la ruta digestiva hacia una porción del intestino o por una mezcla  de los dos procedimientos. Los procedimientos  más usados hasta el presente son la banda gástrica, la gastrectomía en manga y el bypass gástrico en Y de Roux (RYGB). La banda gástrica fue introducida en los años 70 e involucra la colocación de un anillo de silicona alrededor del estómago para crear una pequeña bolsa gástrica en el extremo inferior del esófago. Este procedimiento es seguro, bien tolerado  y eficiente con un bajo riesgo  de complicaciones serias  como malabsorción.  La banda  necesita ser ajustada  intermitentemente para optimizar la pérdida de peso y minimizar las complicaciones. La gastrectomía  en manga fue desarrollada inicialmente  como  precursor  de un procedimiento mayor, pero debido a su eficacia se ha incrementado su uso como tal. La técnica quirúrgica  involucra  crear una larga y delgada  bolsa o manga gástrica engrapando  longitudinalmente el estómago. Esto reduce el volumen  del estómago pero deja intacto el píloro. En la actualidad, es uno  procedimientos de cirugía bariátrica  más comunes. El RYGB  involucra la creación  de una pequeña bolsa  gástrica  que drena en el yeyuno (extremidad alimentaria) para que los nutrientes no tengan contacto con el píloro y el duodeno. La bilis y el jugo pancreático drenan en duodeno y yeyuno (extremidad biliopancreática) pero solamente se mezclan con los alimentos después de la anastomosis de las extremidades alimentaria y biliopancreática  que crea una extremidad común. La longitud de la extremidad común  es importante para determinar el riesgo de malabsorción y las deficiencias de nutrientes.  En el RYGB estándar, la extremidad alimentaria tiene  0,75-1,5 metros de longitud  y la extremidad común  mide 3 metros aproximadamente, lo cual es adecuado  para la absorción de macronutrientes  y micronutrientes. Una técnica de “bypass distal” ha sido usada para reducir aproximadamente 75 cm  la extremidad común, pero representa un mayor riesgo de deficiencia de nutrientes.  Aunque el RYGB es ampliamente usado para pérdida de peso, puede causar  síndrome “dumping”, debido a la carencia del control pilórico sobre el vaciamiento gástrico. El síndrome dumping ocurre cuando una carga altamente osmolar alcanza rápidamente el intestino,  lo que provoca la entrada de líquido en la luz intestinal y causa hipovolemia, distensión abdominal, náuseas, vómitos,  diarrea, mareos y fatiga. En algunos pacientes también puede ocurrir hipoglucemia debido a la respuesta de insulina, la cual es estimulada por las incretinas secretadas  por el ileum cuando es expuesto a los nutrientes ingeridos. 

Muchos efectos metabólicos beneficiosos  de la cirugía bariátrica han sido atribuidos a perfiles hormonales alterados, especialmente de péptidos intestinales y pancreáticos.  La absorción y digestión de nutrientes requiere un tracto gastrointestinal bajo control de influencias nerviosas y hormonales. Varias hormonas intestinales son responsables de la regulación de la saciedad  y el apetito y también controlan los movimientos intestinales y por lo tanto el transito de los alimentos a través de los intestinos. En este contexto, la gastrina, producida por células enteroendocrinas G principalmente en el antro gástrico y el duodeno, es liberada  en respuesta  a la ingesta de alimento y la distensión gástrica. Sin embargo, más que una entidad molecular única, la gastrina es una familia  de péptidos de longitud variable y diferentes grados de actividad biológica. La gastrina actúa  incrementando la secreción de ácido clorhídrico (HCl), pepsinógeno y jugo pancreático al tiempo que reduce el apetito. La secreción de gastrina parece ser más alta cuando los nutrientes están en contacto directo con las células G. Teóricamente, procedimientos  como el RYGB que excluyen el antro gástrico o el duodeno reducen el contacto  entre los nutrientes  y la mayoría de células G, lo cual podría causar una disminución  en la secreción de gastrina. Por otra parte, la producción de HCl en el remanente gástrico sin el efecto buffer sobre los nutrientes ingeridos estimula la producción de secretina y somatostatina, hormonas que inhiben la secreción de gastrina. Hay evidencia que los niveles postprandiales de gastrina caen después del RYGB debido a múltiples cambios histológicos en el remanente gástrico. Estos cambios incluyen gastritis crónica y gastritis atrófica. Un estudio reciente reporta un incremento en la tasa de proliferación en el epitelio  del antro gástrico excluido  acoplado  con una reducción  en el número de células G. La excesiva producción de HCl puede estar involucrada en la patogénesis de los hallazgos histológicos anormales en el estómago después del RYGB. No está claro si la secreción de gastrina es causa o consecuencia de la alteración de la histología gástrica. En la práctica clínica, muchos pacientes reducen la producción de ácido gástrico a través de una  terapia postoperatoria que inhibe la bomba de protones e incrementa la producción de gastrina y previene las complicaciones relacionadas con el ácido gástrico. Otros procedimientos de cirugía bariátrica donde las células G son expuestas a nutrientes están asociados con diferentes efectos. Por ejemplo, un estudio en 24 pacientes con banda gástrica  no reporta ningún cambio en la concentración  de gastrina en ayunas durante 6-12 meses después de la cirugía. Por el contrario, hay reportes de gastrectomía en manga asociada con niveles aumentados de gastrina en estudios en humanos y animales.

La ghrelina es producida en el estómago y el páncreas en respuesta al ayuno y está asociada con el hambre. La forma más activa de  ghrelina es la acilada con un  grupo octanoíl adherido en su tercer residuo de aminoácidos, lo cual ocurre debido a la acción  de la enzima ghrelina-O-aciltransferasa (GOAT). La ghrelina acilada es capaz de activar el receptor de secretagogo  de hormona de crecimiento (GHSR), el cual se encuentra principalmente  en el hipotálamo y la hipófisis. Por otra parte, la ghrelina es una hormona orexigénica. En la obesidad, la concentración de ghrelina, en ayunas y postprandial, es menor que en los individuos con peso normal, pero la proporción  de ghrelina acilada es mayor en los obesos. Los niveles de ghrelina aumentan con el ayuno prolongado y caen después de una comida. Por lo tanto, la perdida de peso a través de restricción calórica  incrementa los niveles de ghrelina, un fenómeno que puede contribuir  a la pobre eficacia  a largo plazo de las manipulaciones dietéticas para controlar la obesidad. Los efectos en el corto y largo plazo  de la cirugía bariátrica  sobre los niveles de ghrelina aún no son muy claros. Los procedimientos de cirugía bariátrica tienen diferentes efectos sobre la secreción de ghrelina, posiblemente debido a los cambios en  el grado de contacto entre los nutrientes ingeridos  y el mucus del fundus gástrico donde se encuentra la mayoría de las células productoras de ghrelina. La banda gástrica parece estar asociada con incrementos en los niveles de ghrelina. Los pacientes con  RYGB tienen disminuciones significativas  en los niveles de ghrelina debido a la exclusión del fundus gástrico. Hay evidencia que los efectos del RYGB sobre la secreción de ghrelina son importantes para la eficacia de la operación en términos de la promoción y el sostenimiento de la perdida de peso. Por otra parte, la gastrectomía en manga puede disminuir las concentraciones circulantes de ghrelina acilada posiblemente debido a la remoción  de las células productoras de ghrelina en el estómago.

La colecistoquinina (CCK) es secretada por las células L en la mucosa duodenal y actúa promoviendo la contracción de la vesícula biliar y la liberación de enzimas digestivas  por el páncreas. La CCK también enlentece el vaciamiento gástrico  y está asociada con la saciedad. Varios estudios reportan un incremento en los niveles  de CCK  después de la ingesta de una comida mixta en sujetos con RYGB. Este hallazgo no deja de ser sorprendente, pues el principal estimulo fisiológico para la liberación  de CCK  es la presencia de aminoácidos y ácidos grasos en el duodeno, lo cual no es posible con el RYGB. Sin embargo, hay que considerar  otros factores estimuladores  de la liberación de CCK como los impulsos parasimpáticos y factores liberadores intra-luminales que pueden ser importantes  después del RYGB. Otra posible explicación  es que la cirugía puede incrementar la estimulación  de células productoras de CCK  en la parte más distal del intestino delgado. Muy pocos estudios han examinado los cambios  en los niveles de CCK después de los otros procedimientos bariátricos. En el caso de la gastrectomía en manga, la cirugía ha sido asociada con  mayores incrementos en los niveles de CCK en comparación con el RYGB. El efecto  de la banda gástrica sobre las concentraciones de CCK es desconocido. El rol de la CCK en la eficacia  de la cirugía bariátrica no está claro. Teóricamente, después del RYGB, los altos niveles de CCK pueden contribuir  a aumentar la saciedad y mejorar la homeostasis  de la glucosa.

El polipéptido insulinotrópico dependiente de glucosa (GIP) es secretado por las células K del intestino delgado, principalmente en duodeno y yeyuno. Originalmente, fue llamado polipéptido inhibidor gástrico e identificado en perros como un factor  que inhibe la secreción de ácido gástrico. Sin embargo, este efecto es casi nulo en humanos. El GIP está asociado con un efecto insulinogénico después de la ingesta oral de glucosa (efecto incretina). Los procedimientos bariátricos  que reducen o previenen la exposición de nutrientes en el duodeno y el yeyuno, como el RYGB reducen la secreción postprandial de GIP, un efecto que es más pronunciado en los sujetos diabéticos. La banda gástrica aparentemente no produce cambios en la concentración en ayunas  de GIP en los primeros 6-12 meses después de la cirugía, sin embargo, los niveles postprandiales pueden estar disminuidos.

El péptido similar a glucagón 1 (GLP-1) es secretado por las células L principalmente en ileum distal y colon.  Aunque las concentraciones en ayunas de GLP-1 no parecen cambiar marcadamente después de la cirugía bariatrica, hay evidencia que sugiere que los niveles postprandiales aumentan en comparación  con los valores previos a la cirugía. Las razones para este incremento, aunque  no están muy claras,  han sido atribuidas al mayor manejo de los nutrientes intactos por el ileum. Una hipótesis alterna sugiere que la exclusión del segmento superior del intestino delgado es la responsable de los aspectos beneficiosos de la cirugía bariátrica, posiblemente  a través de la disminución  de la secreción de un factor “anti-incretina”.  Los efectos beneficiosos  de la cirugía bariátrica sobre el apetito y la homeostasis de la glucosa han sido atribuidos, al menos en parte, al incremento en la secreción de GLP-1. La unión del GLP-1 a su receptor  en las células β del páncreas activa la adenil ciclasa e incrementa la concentración de AMPc, lo cual aumenta  la secreción de insulina  dependiente de glucosa. La capacidad del GLP-1 para promover la secreción de insulina depende de la concentración de glucosa, con efecto reducido o ausente  con concentraciones bajas de glucosa. Hay evidencia que la acción del GLP-1 es fundamental en la mejoría de tolerancia a la glucosa después del RYGB. Sin embargo, mientras el efecto incretina del GLP-1 puede mejorar la tolerancia a la glucosa después de la cirugía bariátrica, el incremento en la secreción de insulina puede producir ganancia de peso. El GLP-1 también tiene efectos sobre el apetito mediados centralmente a través de la interacción con fibras aferentes del nervio vago.  Aunque el GLP-1 está asociado con saciedad, su rol en la promoción de pérdida de peso después de una cirugía bariátrica  es pobremente entendido. Otro mecanismo de acción propuesto para los efectos beneficiosos del GLP-1 es la alteración de la motilidad gástrica.  Fisiológicamente y farmacológicamente, el GLP-1 ha sido asociado con un retardo del vaciamiento gástrico que resulta en al aporte gradual  de nutrientes al intestino, un fenómeno que mejora la tolerancia a la glucosa. Sin embargo, hay estudios en humanos que indican que el GLP-1incrementa el tránsito gástrico de calorías líquidas.

Las células L del intestino  también secretan péptido similar a glucagón 2 (GLP-2).  El GLP-2 estimula la hipertrofia del intestino a través  de hiperplasia  -y reducción de apoptosis- de las células ileales. Después de una cirugía bariátrica, las concentraciones de GLP-2 aumentan en roedores y humanos. Este incremento se acompaña con proliferación de las células de las criptas intestinales. Sin embargo, también hay estudios  que no reportan ningún efecto de la cirugía bariátrica sobre el GLP-2.

El péptido PYY_1-36  es producido por las células L en intestino delgado distal y colon. En la circulación, el PYY_1-36 es convertido por la enzima dipeptidil-peptidasa IV (DPP-IV) en PYY_3-36, el cual  promueve saciedad a través de receptores Y2. Aunque el PYY_3-36 tiene muchos efectos en el cuerpo incluyendo retardo del vaciamiento gástrico, reducción de la producción postprandial de insulina y alteración de la motilidad del colon, su principal rol está en la regulación central del apetito.  Hay estudios que indican que los niveles postprandiales de PYY_3-36  disminuyen en pacientes obesos en comparación con sujetos  sanos y que la infusión de PYY_3-36  reduce la ingesta calórica, lo que ha llevado a algunos investigadores a proponer  que la obesidad es un estado  de deficiencia de PYY_3-36. Después de una cirugía bariátrica, aumentan los niveles postprandiales de PYY_3-36, un efecto que es evidente dos semanas después de la cirugía y hasta  después de un año de la operación.  El incremento postprandial de PYY_3-36 se observa después  de la banda gástrica, la gastrectomía en manga y el RYGB.

La oxintomodulina y la glicentina son productos adicionales de las células L que se originan, conjuntamente con el GLP-1,  a partir del gen proglucagón. La oxintomodulina  es una hormona peptídica  de 37 aminoácidos con una estructura similar al glucagón pero con un octapéptido adicional en el extremo C-terminal. La oxintomodulina es un agonista de    receptores de glucagón y GLP-1 y es un agente farmacológico en el tratamiento de la obesidad. Los estudios en roedores  confirman que el agonismo dual   es responsable  de los efectos metabólicos más potentes  de la oxintomodulina en comparación con los efectos separados de GLP-1 y glucagón. Como agente que promueve la pérdida de  peso, la oxintomodulina ha demostrado ser efectiva en roedores y humanos. En humanos, la administración subcutánea de oxintomodulina durante cuatro semanas  promueve pérdida de peso asociada con un incremento en el gasto energético y una reducción  de la ingesta de alimentos. Sin embargo, muy poco se conoce acerca  del rol de la oxintomodulina en la cirugía bariátrica. Un estudio con humanos reporta que los pacientes con RYGB incrementan significativamente los niveles de oxintomodulina después de ingerir una comida de 50 g de glucosa. El rol de la oxintomodulina en la etiología de la pérdida de peso  en otros procedimientos de cirugía bariátrica no ha sido dilucidado.

Hay otras hormonas  intestinales que podrían estar involucradas  en los efectos  de la cirugía bariátrica  o que podrían alterar su tasa secreción  o su función  después de la operación.  La secretina es un péptido de 27 aminoácidos  producido por las células S  de la mucosa intestinal en respuesta  a un bajo pH intraluminal y actúa promoviendo la producción pancreática de bicarbonato  y reduciendo la producción de ácido gástrico. El polipéptido intestinal vasoactivo (VIP),  de 28 aminoácidos, es liberado por el sistema nervioso entérico y las fibras nerviosas eferentes parasimpáticas. El VIP actúa incrementando la secreción de agua y electrolitos  en el jugo pancreático y el intestino. También causa relajación  del músculo liso gastrointestinal y reduce la producción de ácido gástrico. El polipéptido pancreático (PP) tiene 36 aminoácidos  y es producido principalmente por células PP del páncreas y  células enteroendocrinas del intestino. El PP actúa regulando las actividades exocrinas y endocrinas del páncreas a través de mecanismos centrales después de ingerir una comida rica en proteínas. El PP también disminuye la ingesta de alimentos. Desafortunadamente muy poco se conoce  acerca de los efectos  de la cirugía bariátrica sobre estas hormonas.

El efecto de la cirugía bariátrica  de remisión  de la diabetes está relacionado con su capacidad para mejorar la sensibilidad a la insulina y la función de las células β del páncreas, pero los mecanismos precisos no son bien entendidos. Algunos de los beneficios de la cirugía bariátrica sobre la insulina y la homeostasis de la glucosa son mediados por la pérdida de peso. Aunque  todas las formas de cirugía bariátrica tienen el potencial para ejercer efectos beneficiosos sobre la tolerancia a la glucosa a través de la pérdida de peso, el RYGB está asociado con una mayor mejoría en la salud metabólica. Otros procedimientos como la banda gástrica tienen efectos más modestos sobre la insulina y la homeostasis de la glucosa. 

En conclusión, la cirugía bariátrica induce una rápida  y sostenida pérdida de peso con efectos metabólicos beneficiosos como la remisión de la diabetes tipo 2. Los estudios de las concentraciones  de las hormonas gastrointestinales después de la cirugía bariátrica a menudo ofrecen resultados contradictorios.  La pérdida de peso por si misma puede causar cambios en la secreción de las hormonas, aún en ausencia  de cirugía bariátrica y es difícil evaluar los efectos de la cirugía independientemente de la pérdida de peso en los primeros meses después de la cirugía. Sin embargo, los incrementos en las concentraciones de las hormonas gastrointestinales (GLP-1, GIP, PPY_3-36, gastrina y oxintomodulina) que promueven la saciedad y reducen  la ingesta de alimentos pueden tener algún rol. El efecto de la cirugía  bariátrica sobre la tolerancia a la glucosa está relacionado con un incremento en la producción  de hormonas incretinas acoplado a la mejoría en la sensibilidad a la insulina que resulta de la pérdida de peso.

Fuente: Meek CL et al (2016). The effect of bariatric surgery on gastrointestinal and pancreatic peptide hormones. Peptides 77: 28-37.

FGF23 y kloto

El factor de crecimiento fibroblástico-23 (FGF23) es una hormona fosfatúrica que reduce la reabsorción  de fosfato  a través de la regulación negativa  de co-transportadores sodio/fosfato en las células epiteliales del túbulo proximal renal.  El FGF23 también regula hacia abajo la expresión de la 1α-hidroxilasa en los túbulos proximales renales y por lo tanto suprime la producción  de la forma hormonalmente  activa  de la vitamina D, 1,25-(OH)₂D (calcitriol). Los osteoblastos y los osteocitos son las principales fuentes  del FGF23 circulante in vivo. La secreción de FGF23  en el hueso es estimulada  por el calcitriol y por un incremento del fosfato extracelular, formando un asa de retroalimentación  entre hueso y riñón. Adicionalmente, un incremento en el calcio extracelular es capaz de aumentar  la secreción de FGF23. Hay también evidencia que la deficiencia de hierro  y el estimulo pro-inflamatorio aumentan la secreción de FGF23 por el hueso.

Para proteger al FGF23 de la fragmentación intracelular por parte de la convertasa de proproteína, furina, durante el proceso de secreción, es necesario que sea O-glucosilado  en el residuo treonina  en el sitio de fragmentación por la N-acetilgalactosaminiltransferasa 3 (GalNT3). Solamente la molécula intacta  de FGF23 es biológicamente activa, la falta de glucosilación  resulta en la secreción de FGF23 fragmentado, provocando un fenotipo similar al de deficiencia  de FGF23. Recientemente, se descubrió que la O-glucosilación  del FGF23  necesita ser contrabalanceado  por la fosforilación  de serina cerca del sitio de glucosilación por el miembro C de la familia  con secuencia similar 20 (FAM20C). La pérdida de función de FAM20C provoca un incremento de FGF23 intacto circulante  y raquitismo hipofosfatémico.  Por lo tanto, la fosforilación y la glucosilación  de FGF23 son procesos fisiológicos esenciales y determinan las cantidades relativas  de FGF23 intacto y fragmentado secretado por osteoblastos y osteocitos.

La unión de alta afinidad  del FGF23 en las células blanco requiere un complejo receptor  que consiste  del receptor de FGF (FGFR) y la proteína transmembrana αkloto (kloto).  EL FGFR es un receptor tirosina quinasa que una vez activado a través de la unión de ligando provoca una cascada de  fosforilaciones  de moléculas. Hay cuatro  diferentes FGFR (FGFR1, 2, 3, 4) y es aun controversial  cuáles FGFR son los responsables de las acciones del FGF23  en los diferentes tipos de células.  Hay evidencia de la señal FGF23 a través del complejo FGFR1c/kloto, pero la proteína kloto también puede unirse  a FGFR3 y FGFR4.

Kloto es una proteína con secuencia homóloga a la 1β-glucosidasa. En los mamíferos, solamente hay  un gen αkloto, pero hay tres isoformas de la proteína kloto: una forma transmembrana, una forma soluble (skloto) y una forma skloto truncada. El dominio extracelular  de la proteína Kloto consiste  de dos tipos de dominios de  1β-glucosidasa, KL1 y KL2, y es separado de la molécula de kloto  por  enzimas proteolíticas ancladas en la membrana, liberado al líquido extracelular y posteriormente a la circulación sanguínea. La isoforma skloto truncada es producida por “splicing” alternativo del ARNm de kloto, carece de los exones 4 y 5 en ratones y del dominio KL2 en humanos debido a una detención prematura del codón.  Por lo tanto, en humanos y ratones, la isoforma skloto truncada de la proteína kloto consiste  solamente de dominio KL1. Los principales sitios de expresión de kloto son los túbulos proximales y distales en el riñón, el plexo coroideo en el cerebro y las glándulas paratiroides.

La proteína kloto fue descubierta originalmente como un factor anti-envejecimiento. De acuerdo con esta noción, los ratones con deficiencia de kloto y Fgf23 se caracterizan por un fenotipo similar a envejecimiento asociado con muerte prematura, calcificaciones ectópicas y osteomalacia.  Los ratones kloto^-1- y Fgf23^-1- producen cantidades excesivas de calcitriol debido a la falta del efecto supresor del FGF23 sobre la actividad de la 1α-hidroxilasa renal. La función anti-envejecimiento  de kloto se atribuyó inicialmente  a un rol inhibitorio de la skloto sobre la señal de insulina. Los ratones kloto^-1- y Fgf23^-1- se caracterizan por un incremento en la sensibilidad periférica a la insulina. Sin embargo,  recientemente se ha demostrado  que la carencia de kloto  no altera la homeostasis de la glucosa en ratones kloto^-1-/VDR^∆/∆, lo que indica que el incremento en la sensibilidad a la insulina en los ratones kloto^-1- es secundario a disturbios en la homeostasis  mineral y que la capacidad  de la proteína kloto endógena  para inhibir la señal insulina/factor similar a insulina-1 (IGF1) no es indispensable  para la homeostasis de la glucosa. Por lo tanto, el concepto actual es que el envejecimiento prematuro  en los ratones kloto^-1- y Fgf23^-1- es causado por una intoxicación con  vitamina D que provoca  severa hipercalcemia e hiperfosfatemia y posteriormente daños en los órganos. Está claro que la toxicidad no es mediada por el incremento de los niveles circulantes de vitamina D per se, sino primariamente por la hiperfosfatemia inducida por la vitamina D.

El rol funcional de la proteína kloto es aún  controversial. En este sentido, se han propuesto tres funciones principales, (i) una función hormonal de la skloto, (ii) una función enzimática como glucosidasa y (iii) la función de la proteína kloto unida a la membrana celular como un co-receptor obligatorio para  la señal FGF23. La función hormonal  de la skloto   ha sido reportada en el riñón, el corazón, los vasos sanguíneos  y en la inhibición de la señal de insulina. Sin embargo, hasta el presente no ha sido posible identificar el receptor para skloto.  Aunque la proteína kloto carece de los residuos de ácido glutámico en el sitio activo característicos de la familia glucosidasa, hay evidencia que sugiere que la skloto  puede funcionar como una enzima. Varios estudios sugieren que la skloto puede tener la capacidad para alterar la función  y abundancia  de glucoproteínas de membrana separando el azúcar terminal de la cadena de azúcares a través de una potencial actividad glucosidasa. Los FGF endocrinos como el FGF23 tienen baja afinidad por los FGFR. Sin embargo, la co-expresión de kloto en la membrana celular convierte al FGFR1c en un receptor específico para FGF23 al incrementar aproximadamente 20 veces la afinidad del complejo receptor.

El riñón es uno de los principales sitios de acción de kloto y FGF23 y probablemente el más importante bajo condiciones fisiológicas. El riñón  es también la principal fuente  de skloto   bajo condiciones fisiológicas.  Es bien conocido que el FGF23 es una hormona fosfatúrica. El FGF23 induce un incremento en la excreción urinaria de fosfato a través de la supresión  de la expresión de los transportadores de fosfato NaPi-2a y NaPi-2c en la membrana apical de los túbulos proximales renales. La presencia de transportadores NaPi en la membrana apical es necesaria para la re-captación en el epitelio del fosfato filtrado. Recientemente se demostró en ratones que la acción fosfatúrica del FGF23 está determina principalmente  por la regulación hacia abajo  de la abundancia de NaPi-2a. Sin embargo, en los humanos, el NaPi-2c tiene un rol más importante en el metabolismo del fosfato  comparado con ratones.  El mecanismo molecular que subyace a la acción fosfatúrica del FGF23 no está muy claro.  En estudios de hibridización in situ  se encontró que la proteína kloto es expresada principalmente  en los túbulos distales renales. Por lo tanto, no está claro cómo el FGF23 podría actuar en los túbulos proximales donde tiene lugar la reabsorción de fosfato. Una hipótesis es que el FGF23 puede hacer que el túbulo distal secrete un factor paracrino hasta ahora desconocido que actúe en el túbulo proximal para suprimir la reabsorción de fosfato. Sin embargo, estudios recientes con anticuerpos policlonales   demostraron  que la proteína kloto es expresada tanto en la membrana basolateral del túbulo distal como  en la del túbulo proximal y que el FGF23 regula directamente la expresión de NaPi-2a en el epitelio del túbulo proximal por fosforilación  del cofactor regulador de la proteína intercambiadora Na⁺/H⁺ (NHERF)-1 de una manera dependiente de kloto.  La fosforilación del NHERF-1 provoca la internalización y degradación  del NaPi-2a. Este mecanismo es similar al de otra hormona fosfatúrica, la hormona paratiroidea (PTH), y la evidencia clínica  sugiere que la PTH y el FGF23  interactúan en la regulación  de la reabsorción renal de fosfato. 

Aunque el hallazgo  que el FGF23  actúa directamente sobre los túbulos proximales  no excluye la posibilidad  que el FGF23 pueda  disparar la liberación por los túbulos distales de señales paracrinas adicionales, se ha establecido un modelo lógico de la acción fosfatúrica del FGF23. La evidencia reciente  a partir de experimentos con ratones apoya fuertemente este modelo  porque los ratones con una lesión  específica de fgfr^-1- en los túbulos proximales presentan hiperfosfatemia y son resistentes a la acción fosfatúrica del FGF23. Las células epiteliales del túbulo proximal  expresan  FGFR1, 3 y 4 pero no 2. Hay  evidencia que la isoforma FGFR1c interactúa con kloto para formar el complejo receptor FGFR1c-kloto. Sin embargo, como ya se mencionó, la proteína kloto también puede interactuar con FGFR3 y 4. Un trabajo reciente indica que la acción fosfatúrica del FGF23 es mediada  a través de FGFR1 y FGFR4, pero  el FGFR1 puede tener el rol dominante en la mediación de la señal FGF23 en el túbulo proximal. No se sabe aún si los mecanismos de señalización del FGF23 involucrados en la supresión de la abundancia en la membrana de NaPi-2a y en la supresión de la actividad de la 1α-hidroxilasa renal forman parte de una ruta de señalización común, o si pueden ser influenciados separadamente.

La proteína kloto puede regular la reabsorción renal de fosfato por un mecanismo independiente de FGF23. En este contexto, se ha reportado  que kloto por su potencial actividad glucosidasa puede actuar como un factor fosfatúrico  autocrino alterando  la función de NaPi2a en las células epiteliales del  túbulo proximal. Un problema en este modelo es que requiere la presencia de proteína kloto funcional en la orina  y no está claro  cómo kloto  pasa de la circulación  o de la membrana basolateral  al espacio urinario. En los túbulos distales, la skloto actúa como un regulador  del canal de calcio  potencial de receptor transitorio vanilloide-5 (TRPV5). El TRPV5 es una glucoproteína esencial  para la entrada apical de calcio  en las células epiteliales renales y la expresión de TRPV5 completamente glucosilado  es la etapa limitante  en el transporte transcelular  de calcio en los túbulos distales renales. En este modelo, kloto, a través de una potencial actividad sialidasa promueve la abundancia de TRPV5 en la membrana apical estabilizando la interacción entre TRPV5 glucosilado  y galectina unida a la membrana e incrementando  el tráfico  de TRPV5 hacia la membrana apical.

Ahora bien, el FGF23 no sólo suprime la reabsorción de fosfato  en los túbulos proximales renales, también regula el manejo renal de calcio y sodio en los túbulos distales. La señal FGF23  a través del complejo receptor FGFR/kloto, provoca una fosforilación dependiente  de ERK1/2 y SGK1 de la quinasa con-no-lisina 4 (WNK4) en el epitelio del túbulo distal. La WNK4 es una molécula  central para el tráfico de canales iónicos  en el epitelio renal.  La activación de WNK4 inducida por FGF23  produce un incremento en la abundancia  de TRPV5 y del co-transportador  Na⁺:Cl^- (NCC) en los túbulos distales renales, lo cual  resulta en un incremento  de la captación celular  de calcio y sodio. Estos hallazgos tienen implicaciones fisiológicas y fisiopatológicas. Es bien conocido que la hiperfosfatemia crónica  es un factor de riesgo  para calcificaciones vasculares y enfermedades cardiovasculares. En una situación de hiperfosfatemia, la función conservadora de calcio  del FGF23 puede ayudar  a mantener los niveles de calcio a pesar de  la supresión de la síntesis de calcitriol  por el FGF23. Es de hacer notar que la otra hormona fosfatúrica, PTH, también combina la función fosfatúrica con la función conservadora de calcio en el riñón.  En los pacientes con enfermedad renal crónica, el FGF23 y la PTH  se encuentran elevados  debido a la retención de fosfato. En esta situación, la conservación de calcio  manejada por  el FGF23 y la PTH puede contribuir  al desarrollo de calcificaciones vasculares.  Adicionalmente, el FGF23 circulante está asociado con progreso de enfermedad cardiovascular, hipertrofia del ventrículo izquierdo, insuficiencia cardiaca y la mortalidad en pacientes con enfermedad renal crónica. El recientemente descrito enlace entre FGF23 y regulación de volumen puede proporcionar una explicación tentativa  para esta asociación. Otra observación interesante es que FGF23 y aldosterona convergen sobre SGK1 en los túbulos distales renales, lo cual puede provocar efectos sinérgicos sobre la activación de NCC.  Los niveles de aldosterona se encuentran elevados en los pacientes con enfermedad renal crónica. Por lo tanto, el incremento de aldosterona circulante puede aumentar  los efectos del FGF23 sobre la retención de sodio y agua  en los pacientes con enfermedad renal crónica.

Las glándulas paratiroides son sitios de abundante expresión  de kloto. Varias líneas de evidencia a partir de estudios in vivo e in vitro sugieren que el FGF23 suprime la secreción de PTH. Debido a que la PTH  estimula la secreción de FGF23  en el hueso, el efecto supresor  del FGF23 sobre la secreción de PTH forma un asa de retroalimentación  negativa entre el hueso y las glándulas paratiroides. Sin embargo, el mecanismo por el cual el FGF23 regula la secreción de PTH no está completamente claro. La evidencia acumulada con experimentos  in vivo e in vitro sugiere que el FGF23 suprime la secreción de PTH por una ruta independiente de kloto que involucra a la calcineurina, pero los FGFR involucrados aún no se conocen con claridad. Por otra parte, la elevación de FGF23 y PTH en los pacientes con enfermedad cardiovascular puede ser explicada  por resistencia al FGF23 en las glándulas paratiroides.

Aunque existen algunos reportes aislados acerca de la expresión de la proteína kloto en arterias y células de músculo liso vascular, actualmente hay consenso que en los humanos, kloto no es expresada  ni el corazón ni en los vasos sanguíneos en niveles fisiológicamente significativos.  Sin embargo, como ya se ha mencionado, el FGF23 está  asociado positivamente con hipertrofia de ventrículo izquierdo, insuficiencia cardiaca y calcificaciones vasculares. La pregunta es ¿por qué? Hay varias explicaciones posibles, el FGF23 puede contribuir a la retención de sodio  y agua. Alternativamente, hay evidencia que el FGF23 puede actuar directamente sobre el corazón. Estudios recientes  sugieren que el FGF23 induce hipertrofia ventricular izquierda por una acción independiente de kloto sobre los miocitos cardiacos. Más aún, la expresión local de FGF23 aumenta en el corazón de pacientes con hipertrofia ventricular izquierda inducida por enfermedad renal crónica.  Por lo tanto, el FGF23 puede tener un rol paracrino en la patogénesis de la hipertrofia ventricular izquierda. Es aún controversial si el FGF23 puede actuar directamente sobre los vasos sanguíneos. Los efectos del FGF23 sobre vasos sanguíneos in vivo pueden ser indirectos, aunque también puede inducir disfunción endotelial  interfiriendo directamente con la vasodilatación mediada por oxido nítrico. En contraste con el FGF23, la skloto  no está asociada con riesgo cardiovascular en los pacientes con enfermedad renal crónica ni en los pacientes con función renal normal.

La proteína kloto es expresada  en niveles muy bajos en el hueso mientras la expresión de FGF23 es alta en comparación con otros tejidos. Sin embargo, estudios recientes reportan que los osteoblastos y los osteocitos sólo contribuyen con el 50% de los niveles circulantes del FGF23, lo que sugiere que hay otras fuentes celulares que pueden contribuir a los niveles circulantes de FGF23. En este contexto, es importante resaltar la expresión de ARNm de FGF23 en tejidos distintos al hueso.  Por otra parte, la mineralización ósea es alterada en ratones con deficiencia de kloto y FGF23. Esto se debe a que el FGF23 puede actuar como un factor autocrino-paracrino regulador de la mineralización ósea suprimiendo la transcripción de la fosfatasa alcalina tisular no específica (Tnap) a través de una ruta de señalización mediada por FGFR3  independiente de kloto. Por lo tanto, la deficiencia de FGF23provoca una regulación hacia arriba de la expresión de Tnap y un incremento de la producción de fosfato, lo cual a su vez estimula la secreción de osteopontina, un inhibidor de la mineralización ósea.

El plexo coroideo es un sitio de abundante expresión  de kloto. Sin embargo, muy poco se conoce  acerca de  del rol funcional  de kloto y FGF23  en el sistema nervioso central. Un hallazgo interesante  en este contexto es que la skloto está asociada inversamente  con el envejecimiento y la enfermedad de Alzheimer en modelo de roedores. Más aún, los ratones con sobre expresión  de kloto exhiben aumento de la cognición y están protegidos contra la disminución cognitiva y la mortalidad prematura en modelos de enfermedad de Alzheimer. Adicionalmente, ciertas variaciones  naturales en el gen kloto están asociadas con mayor volumen cerebral y aumento de la cognición en poblaciones humanas.

En conclusión, el FGF23 es conocido como una hormona derivada del hueso que suprime la reabsorción de fosfato y la producción de calcitriol  en el riñón. De la proteína kloto, originalmente descubierta como un factor anti-envejecimiento, se han propuesto tres funciones: una función hormonal de la skloto, una función enzimática como glucosidasa y la función como co-receptor  de la señal FGF23. Sin embargo,  los avances recientes en el campo de la biología de FG23 y kloto han revelado nuevas funciones de la señal FGF23 y kloto en riñón,   corazón,  hueso, vasos sanguíneos y glándulas paratiroides. Está claro ahora que el FGF23  es más que una hormona fosfatúrica derivada del hueso. El FGF23 ha emergido  como un factor endocrino y autocrino involucrado no solamente en la homeostasis  de fosfato, sino también en el metabolismo de calcio y sodio así como también en el desarrollo de hipertrofia cardiaca. Estos novedosos hallazgos que relacionan al fosfato  con la homeostasis de volumen pueden tener implicaciones fisiopatológicas para  la enfermedad renal crónica, enfermedades cardiovasculares y desordenes de la mineralización ósea.

Fuente: Erben RG (2016). Update on FGF23 and klotho signaling. Molecular and Cellular Endocrinology 432: 56-65.

Regulación pancreática de la homeostasis de la glucosa

Las células endocrinas del páncreas  forman parte de los islotes de Langerhans,  pequeñas estructuras que representan 1-2% de la glándula. Hay cinco tipos diferentes de células en los islotes: células α que producen glucagón que representan 15-20% del total de células del islote; células β que producen amilina, péptido C e insulina y representan 65-80% del total de células; células γ que producen polipéptido pancreático (PP)  y comprenden 3-5%  del total de células; células δ que producen somatostatina  y constituyen 3-10% del total de células y células ε que producen grelina y comprenden <1% del total de células. Cada una de las hormonas tiene funciones distintas. El glucagón incrementa los niveles sanguíneos de glucosa, mientras la insulina los disminuye. La somatostatina inhibe la liberación tanto de glucagón como  de  insulina, mientras el PP regula la secreción exocrina y endocrina del páncreas. Si bien los islotes tienen una composición celular similar  entre las diferentes especies, su citoarquitectura  difiere grandemente.  Aunque los islotes  en roedores están compuestos primariamente  de células β localizadas en el centro con los demás tipos de células en la periferia, los islotes humanos exhiben células α y β interconectadas.

El páncreas, a través de sus hormonas, particularmente glucagón e insulina, mantiene los niveles sanguíneos de glucosa  en un rango muy estrecho de 4-6 mM. Esta preservación es  posible por las acciones opuestas y balanceadas  del glucagón y la insulina, referidas como homeostasis de la glucosa. Durante el sueño  o entre las comidas, cuando los niveles sanguíneos de glucosa son bajos, el glucagón es liberado por las células α para promover la glucogenolisis hepática. Adicionalmente, el glucagón estimula la gluconeogénesis hepática para incrementar los niveles sanguíneos de glucosa durante el ayuno prolongado. Por el contrario, la secreción de insulina por las células β es estimulada  por los niveles elevados de glucosa sanguínea, como ocurre después de una comida. La insulina estimula la captación de glucosa en músculo y tejido adiposo y por consiguiente disminuye los niveles sanguíneos de glucosa. Más aún, la insulina promueve la glucogénesis, la lipogénesis y la incorporación de aminoácidos en proteína. Entonces, la insulina es una hormona anabólica en contraste con la actividad catabólica del glucagón.

En las células β, el principal estímulo para la liberación de insulina es el elevado nivel sanguíneo  de glucosa después de una comida. La glucosa sanguínea circulante  es tomada por el transportador de glucosa GLUT2 que se localiza en la superficie  de la célula β. Una vez dentro de la célula, la glucosa es metabolizada  a través de la glucólisis generando  adenosina trifosfato (ATP), lo cual resulta en un incremento de la relación ATP/ADP. Esta relación alterada provoca el cierre de canales de K+ sensibles a ATP (canales K_ATP). En condiciones no estimuladas, estos camales están abiertos para asegurar  el mantenimiento del potencial de reposo  mediante el transporte de iones K⁺ cargados positivamente hacia fuera de la célula.  Con el cierre de los canales K_ATP, disminuye la magnitud de la corriente hacia fuera de K⁺ provocando la despolarización de la membrana, seguida por la apertura de canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje (VDCC). El incremento en la concentración  intracelular de Ca²⁺ eventualmente  dispara la fusión de los gránulos que contienen insulina con la membrana plasmática   y la posterior salida de su contenido. El proceso de secreción de insulina es bifásico con una primera fase  que alcanza un pico  aproximadamente  5 minutos  después del estimulo de la glucosa. La mayoría de insulina es liberada durante esta primera fase. En la segunda fase, más lenta, se secreta la insulina restante. 

La insulina es almacenada  en vesículas densas que son  reclutadas  en la proximidad de la membrana plasmática. Las moléculas claves que median la fusión de las vesículas que contienen insulina  son la proteína  asociada a sinaptosomas  de 25 kDa (SNAP-25), la sintaxina-1 y la sinaptobrevina 2 (o proteína de membrana asociada a vesícula, VAMP2), las cuales  pertenecen  a la familia  de proteínas solubles  receptor de proteína adherida al factor sensible N-etilmaleimida (SNARE).  Estas proteínas junto con las proteínas Sec1/similar a Munc18 (SM) forman el complejo SNARE.  Para iniciar la fusión, la sinaptobrevina 2,  integrada en la membrana de la vesícula, se fusiona con sintaxina-1 y SNAP-25 que se localizan  en la membrana de la célula,  con el no coordinado de mamífero (munc)-18 como regulador clave. Hasta ahora, numerosas isoformas  SNARE, incluyendo sintaxina 1, 3 y 4, SNAP 25 y 23 así como sinaptobrevina 2 y 3 (VAMP2 y 3) han sido involucradas  en la secreción de insulina estimulada por glucosa,  mientras VAMP8, una proteína SNARE no esencial para la secreción de insulina, tiene un rol en la regulación   de la secreción de insulina potenciada por GLP-1.  Además de proteínas SNARE y MS se requiere un sensor de calcio para iniciar la fusión de membrana. Las sinaptotagminas, altamente expresadas en neuronas y células endocrinas, participan en el proceso de exocitosis dependiente de Ca²⁺. Hasta el presente, se han identificado 17 sinaptotagminas (Syt 1-17) pero sólo ocho de ellas  (Syt-1, -2, -3, -5, -6, -7, -9 y -10) son capaces de unir calcio. Después de su unión con Ca²⁺, las sinaptotagminas forman un complejo con proteínas SNARE para facilitar y disparar la fusión vesícula-membrana. En la familia de sinaptotagminas, Syr-3, -5. -7. -8 y -9 están implicadas en la exocitosis de insulina.

El acople estímulo-secreción en las células β incluye una  variedad  de moduladores que disparan, potencian o inhiben la secreción de insulina estimulada por glucosa, principalmente a través de receptores acoplados a proteína G (GPCR). El factor externo más tradicional  que inicia la secreción de insulina es la glucosa. La glucosa también induce rutas que amplifican la secreción de insulina a través del acoplamiento metabolismo-AMPc o de las hormonas incretinas   péptido similar a glucagón (GLP)-1 y péptido insulinotrópico  dependiente de glucosa (GIP). El acoplamiento  metabolismo-AMPc se refiere a la cascada de señalización  que ocurre después de la conversión  de ATP, el cual es generado durante el metabolismo intracelular de  la glucosa, en AMPc por la adenil ciclasa (AC), lo cual a su vez activa  a la proteína quinasa A (PKA) y el factore de intercambio de nucleótidos guanina regulado por AMPc, también conocido como proteína de intercambio activada directamente por AMPc (Epac)2. La activación de Epac2 amplifica la secreción de insulina incrementando los niveles de Ca²⁺  a partir de los depósitos intracelulares y  controlando la densidad de gránulos en la proximidad de la membrana plasmática. La PKA activada ejerce sus efectos  modulando la actividad de canales K_ATP y canales de Ca²⁺  a través de fosforilación y por consiguiente aumentando el número  de gránulos que contienen insulina sensibles a Ca²⁺  y la probabilidad  de liberación de vesículas  secretoras del pool  de liberación rápida, respectivamente.

Las hormonas GLP-1 y GIP, secretadas en el intestino por las células neuroendocrinas  L y  K respectivamente, después de la ingestión de glucosa, fructosa, aminoácidos y ácidos grasos libres, potencian la secreción de insulina a través del efecto incretina. Este efecto describe la observación  que la glucosa oral, pero no la intravenosa,  es responsable de aumentar la secreción de insulina hasta 50% de la liberación total, a través de la liberación de GLP-1 y GIP en el intestino.  El mecanismo subyacente incluye la unión   de GLP-1 y GIP  a sus GPCR (GLP-1R y GIPR) en las células β del páncreas. Esta unión induce un cambio conformacional en la estructura del receptor que es seguido por el intercambio de guanosina difosfato por guanosina trifosfato y la posterior disociación  de la subunidad G_sα del receptor. Esta subunidad,  a su vez,  activa la adenil ciclasa para convertir ATP en AMPc y desencadenar la ruta de señalización del AMPc. Adicionalmente, el GLP-1 incrementa la concentración intracelular de calcio movilizando Ca²⁺ de los depósitos  sensibles a rianodina o, en una acción similar a la de GIP, activando canales de Ca²⁺ dependiente de voltaje.

Los ácidos grasos libres  no solo estimulan la secreción de incretinas, también modulan la liberación de insulina.  Los ácidos grasos de cadena larga aumentan la secreción de insulina; en cambio, los ácidos grasos de cadena corta la inhiben. La unión y posterior interacción de los ácidos grasos de cadena larga  con su receptor acoplado a proteína G en las células β del páncreas provoca la activación de la fosfolipasa C (PLC), la cual hidroliza fosfatidilinositol-4,5-bifosfato (PIP₂) en diacilglicerol e inositol-1,4,5-trifosfato (IP₃) que activa canales de calcio en el retículo endoplásmico. La liberación de Ca2+ en el citosol incrementa la concentración intracelular de Ca²⁺, lo cual eventualmente  disparará la secreción de insulina. Por el contrario, los ácidos grasos de cadena corta inhiben la secreción de insulina estimulada por glucosa debido a que disminuyen la oxidación de la glucosa y por consiguiente la relación ATP/ADP. Otro inhibidor de la secreción de insulina es el estrés, específicamente  la noradrenalina producida en respuesta al estrés. La noradrenalina se une  a su receptor α₂-adrenérgico, lo cual resulta en la inhibición de la adenil ciclasa  y en hiperpolarización de la membrana plasmática. Esto previene  un incremento en la concentración intracelular de Ca²⁺ y, por lo tanto, la secreción de insulina.

Así como la insulina ejerce sus efectos en otros órganos y tejidos, otros órganos interactúan con el páncreas para modular la secreción de insulina.  Uno de esos órganos es el cerebro a través del eje cerebro-islote  que interactúa  con el páncreas y viceversa. El páncreas es inervado por fibras parasimpáticas y simpáticas del sistema nervioso autónomo. Al mismo tiempo, los receptores de insulina son expresados en muchas regiones del cerebro humano, incluyendo hipotálamo,  corteza cerebral, cerebelo e hipocampo.  Las lesiones en estas áreas  afectan la secreción de hormonas pancreáticas. Por ejemplo, la destrucción del hipotálamo ventromedial resulta en hipersecreción de insulina  y en altos niveles circulantes de glucagón. La secreción de glucagón  también puede ser modulada por el factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF) a través de nervios eferentes, mientras el sistema melanocortina  reduce directamente los niveles basales de insulina por estimulación  de las fibras nerviosas simpáticas vía receptores α-adrenérgicos. El neurotrasmisor  neuropéptido Y (NPY), el cual es expresado principalmente en las fibras nerviosas simpáticas, también bloquea la liberación de insulina y la pérdida de esta inhibición  resulta en elevada secreción de insulina, basal y estimulada por glucosa, y en incremento de la masa de islotes. La unión del NPY a su GPCR Y₁ causa la activación  de la subunidad G_iα para bloquear la adenil ciclasa, lo cual a su vez  inhibe la ruta del AMPc. Por otra parte, la acetilcolina a través de receptores muscarínicos M₃ estimula la secreción de insulina.  Adicionalmente, la hormona concentrante de melanina (MCH), el polipéptido activante  de adenil ciclasa hipofisiaria (PACAP) y el péptido liberador de gastrina   también promueven la liberación de insulina. El VIP y el PACAP también liberan glucagón.  Los  neuropéptidos ejercen sus efectos  a través de varias rutas de señalización, incluyendo la ruta quinasa regulada por señal extracelular (ERK)/Akt,  modulación de la entrada de Ca²⁺, AMPc  y, en menor extensión, la ruta PI3K/PKC y la movilización de Ca²⁺ de los depósitos intracelulares.

La liberación de insulina es estimulada por la llamada fase cefálica que representa un reflejo condicionado de incremento de la secreción hormonal aun en ausencia  de nutrientes/glucosa, como cuando se anticipa una comida, preparando al organismo  para que responda adecuadamente a la ingesta  de nutrientes. La respuesta a la fase cefálica  es importante para asegurar el manejo normal de la glucosa postprandial. El mecanismo neural que subyace a la fase cefálica incluye procesos colinérgicos y no colinérgicos así como al complejo dorsal del nervio vago localizado en la médula oblongata.  Por otro lado, la insulina liberada  en respuesta a una comida entra al cerebro vía barrera hematoencefálica para disminuir la ingesta de alimentos a través de la estimulación de las neuronas pro-opiomelanocortina (POMC) y la ruta de señalización PI3K en el hipotálamo, al  tiempo que inhibe las neuronas AgRP/NPY que secretan los neuropéptidos orexigénicos NPY y péptido relacionado con el Agouti (AgRP).

El hígado tiene un rol clave en la homeostasis de la glucosa almacenando (glucogénesis) o liberando (glucogenolisis/gluconeogénesis) glucosa bajo la acción de la insulina  y el glucagón, respectivamente. La unión del glucagón a su GPCR hepático inicia la cascada de señalización que eventualmente resulta en la activación de la PKA, la cual a su vez estimula dos procesos: promueve la glucogenolisis/gluconeogénesis e inhibe la glucólisis/glucogénesis. La glucogenolisis es un proceso de varias etapas  que incluye la fosforilación mediada por PKA de la quinasa fosforilasa, la formación de glucosa-1-fosfato (G-1-P) a partir de glucógeno por la fosforilasa a y la conversión de G-1-P en G-6-P que eventualmente es convertida en fosfato y glucosa libre. La gluconeogénesis hepática  es promovida por la fosforilación mediada por PKA de la proteína  que se une al elemento de respuesta del AMPc (CREB), el cual a su vez regula positivamente  al coactivador del receptor activado por el proliferador de peroxisoma (PGC)-1. EL PGC-1, conjuntamente con el factor nuclear del hepatocito (HNF)-4, induce la transcripción de la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa  que cataliza la conversión de oxaloacetato  en fosfoenolpiruvato, una etapa limitante de la gluconeogénesis.  Esto es seguido por la reversión de la glucólisis durante la cual la estimulación de la bifuncional PFK-2/FBPasa-2 provoca un incremento de la gluconeogénesis  a través de la inutilización de la fructosa-1,6-bifosfatasa (FBPasa)-1, lo cual facilita  la sucesiva conversión  de sustratos  en G-6-P y la supresión de la glucólisis. Más adelante, la glucólisis es  inhibida  por la inactivación mediada por  PKA de la piruvato quinasa, lo cual resulta en la producción de glucosa  en vez de piruvato. Adicionalmente, el glucagón suprime la expresión del gen de la  piruvato quinasa  y aumenta la degradación del ARNm de la piruvato quinasa. Por otra parte, la inactivación inducida por PKA de la sintetasa de glucógeno disminuye la síntesis de glucógeno y concomitantemente  incrementa el “pool”  hepático de glucosa.

En oposición al glucagón, la insulina estimula la glucolisis aumentando la expresión del gen de la glucoquinasa hepática, una enzima clave que convierte la glucosa en G-6-P.  Este incremento es iniciado  por la proteína que se une al elemento regulador de esterol-1c y requiere la ausencia de AMPc. Más aún, la insulina inactiva la glucógeno fosforilasa y la glucógeno sintetasa quinasa (GSK)-3 a través de la ruta  PI3K, lo cual a su vez activa la glucógeno sintetasa. El segundo efecto especifico de la insulina en el hígado es reprimir la expresión  de los genes de la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa y la G-6-Pasa; la primera por disrupción  de la asociación  de CREB y ARN polimerasa II con el gen promotor  de la fosfoenolpiruvato carboquinasa,  mientras la supresión de G-6-Pasa requiere PKBα/Akt y el factor de transcripción FOXO1, cuya expresión disminuye por la inhibición de GSK-3.

Los factores derivados del hepatocito influyen en la secreción de insulina. Aunque el HNF3β ha sido propuesto  como responsable de la transcripción  del gen  factor promotor de insulina-1 (IPF-1), un factor de transcripción  que regula el desarrollo pancreático, es la pérdida  de HNF1α la que resulta en la abolición casi total de la secreción de insulina debido a una disminución de la respuesta al calcio intracelular. La hepatoquina  betatrofina, también conocida como lipasina o similar a angiopoyetina (ANGPTL) 8, fue inicialmente identificada como un factor que maneja la proliferación de células β y el incremento de la masa de células β en modelos animales de resistencia a la insulina. Sin embargo, estudios posteriores no revelaron alteración en la homeostasis de la glucosa o la expansión de células β en ratones Angptl8 “knockout”. Más aún, la betatrofina no tiene efecto sobre la replicación de células β en humanos.

El intestino libera varias hormonas  con la ingestión de nutrientes, incluyendo GLP-1 y GIP que se unen  a sus respectivos receptores  en las células β del páncreas para potenciar la secreción de insulina. Adicionalmente, ambas hormonas ejercen efectos pancreáticos como la expresión del gen de la insulina estimulada por GLP-1, la neogénesis, proliferación y supervivencia  de células β inducida por incretinas, la prevención de la apoptosis de células β en general y en respuesta a la glucolipotoxicidad. Las acciones extrapancreáticas del GLP-1incluyen la supresión  de la producción endógena de glucosa/glucogenolisis, la secreción de glucagón y el apetito, así como un retardo en el vaciamiento gástrico, mientras el GIP afecta positivamente el metabolismo óseo y el de los lípidos.  La insulina, por su parte, modula la liberación de GIP y GLP-1  a través de las rutas PI3K/Akt  y proteína quinasa activada por mitogenos (MAPK)/ERK1/2. Además de incretinas, hay también hormonas decretinas  como la  neuromedina U (NmU) y la limostatina, las cuales son secretadas durante el ayuno para suprimir la liberación de insulina.  La NmU, un neuropéptido que media la contracción de músculo liso en el útero, fue aislada inicialmente de médula espina de cerdo, pero los estudios posteriores revelaron que es altamente expresada en duodeno y yeyuno. La NmU se localiza principalmente en células submucosas y mientéricas, lo que sugiere un  posible papel en el control de la función del tracto gastrointestinal. Adicionalmente, la NmU regula la secreción de insulina, el GPCP de la NmU (NmUR1) es expresado en los islotes pancreáticos y su estimulación  disminuye la liberación de insulina. El mecanismo subyacente involucra la liberación simultánea de somatostatina, un modulador de la secreción de insulina. El péptido limostatina también reduce la secreción de insulina y su ausencia causa hiperinsulinemia, hipoglucemia y obesidad. La liberación de limostatina se inicia con la depleción  de alimento y representa un nuevo mecanismo para modular la secreción de insulina durante el ayuno.

Otras hormonas gastrointestinales que interactúan con el páncreas son la gastrina y la colecistoquinina (CCK). La gastrina, secretada por las células G en estómago y duodeno, actúa como factor de crecimiento de los islotes, y junto con el factor de crecimiento transformante-α promueve la diferenciación de las células precursoras de los conductos, la neogénesis  de células β y el incremento de la masa de islotes a partir de la transdiferenciación del tejido pancreático exocrino.  La gastrina también induce la expresión del gen del  glucagón en las células α. La CCK, sintetizada y liberada por las células L del duodeno, potencia la secreción de insulina (basal  e inducida por aminoácidos) y aumenta la secreción de glucagón.

La microbiota intestinal  es  un factor importante en desordenes metabólicos como obesidad, diabetes mellitus tipo 1 y tipo 2. Los pacientes con estos desordenes  presentan alteraciones  en la composición  de su microbiota que pueden iniciar y/o promover  los respectivos desordenes metabólicos. Hallazgos recientes  relacionan un microbioma aberrante  con el desarrollo de autoinmunidad en la diabetes mellitus tipo 1. Generalmente, el microbioma aberrante está representado por una disminución de la diversidad  de microorganismos, incluyendo cantidades muy pequeñas  de las bacterias que producen butirato, el cual  dispara la producción de mucina y por consiguiente la integridad del intestino. La alteración de la composición de la microbiota  también puede contribuir a la obesidad y  a la diabetes mellitus tipo 2, su corrección con probióticos o prebióticos  causa un incremento estimulado por ácido grasos en los niveles de GLP-1 que puede mejorar la enfermedad.

Las adipoquinas y mioquinas  secretadas por tejido adiposo y músculo esquelético, respectivamente, modulan la liberación de insulina.  Como parte del eje adipoinsular, la leptina, la adipoquina más conocida, actúa sobre el núcleo arqueado del hipotálamo para inhibir la ingesta de alimentos y controlar la homeostasis del cuerpo. El receptor de leptina  (Ob-R) es expresado en los islotes pancreáticos y su estimulación causa una reducción en la secreción de insulina debida a la activación de canales K_ATP, lo cual a su vez previene la entrada de  Ca²⁺. La leptina también suprime la expresión del gen de insulina en un asa de retroalimentación negativa.   Por el contrario, la insulina aumenta la expresión del gen ob y la secreción de leptina. La insulina también modula la expresión y secreción de otra adipoquina,  la adiponectina. La adiponectina  no sólo está involucrada en el metabolismo de glucosa y ácidos grasos sino también induce la expresión del gen de insulina y su liberación al tiempo que inhibe la apoptosis de células β.  Otras adipoquinas como apelina, quemerina, omentina, resistina y visfatina interactúan directamente con la insulina, mientras la pproteína relacionada con retinol-4, el factor de necrosis tumoral-α y la vaspina se relacionan con la insulina de una manera indirecta.

Los miocitos  liberan citoquinas  conocidas como mioquinas. El factor de crecimiento fibroblástico 21 (FGF21) es una proteína con un amplio modo de acción, incluyendo la regulación del metabolismo de carbohidratos y ácidos grasos y puede ser considerado como una mioquina debido a su secreción por las células musculares. El FGF21 es regulado por la insulina  a través de la ruta de señalización  PI3K/Akt.  La interleuquina 6 (IL-6)  es al mismo tiempo adipoquina y mioquina e influye en el páncreas controlando  la expresión  de proglucagón  y la secreción de glucagón. La IL-6 incrementa la proliferación de células α y la masa de islotes al tiempo que protege al páncreas  de la apoptosis inducida por estrés metabólico.  Adicionalmente, la IL-6 incrementa la producción  de GLP-1  a partir de proglucagón  y su secreción en las células α del páncreas y en las células L del intestino, lo cual eventualmente resulta en un incremento de la secreción de insulina mediada por GLP-1.

En conclusión, el páncreas tiene roles claves en el mantenimiento de los niveles normales de glucosa en sangre a través de la producción y liberación de insulina y glucagón. Estas hormonas no solo interactúan una con otra en los islotes pancreáticos sino también  con otros órganos/tejidos como cerebro, hígado, intestino tejido adiposo y músculo esquelético. Los ejes islote-órgano/tejido forman una red altamente sofisticada que incluye  varias moléculas de señalización: neuropéptidos (factor neurotrófico  derivado del cerebro, NPY, hormona concentrante de melanina, péptido liberador de gastrina, VIP y PACAP), hepatoquinas (betatrofina y HNF), hormonas enteroendocrinas  (GIP, GLP-1, NmU, limostatina, gastrina y CCK), adipoquinas (leptina y adiponectina) y mioquinas  (FGF21 e IL-6) que interactúan principalmente  a través de GPCR y rutas de señalización como la cascada de AMPc. En las personas sanas, el buen funcionamiento de las interacciones entre todos los órganos y tejidos involucrados asegura la homeostasis de la glucosa. Sin embargo, las alteraciones en la secreción y/o sensibilidad  a la insulina pueden resultar en enfermedades metabólicas como la diabetes mellitus tipo 2.

Fuente: Röder PV et al (2016). Pancreatic regulation of glucose homeostasis. Experimental & Molecular medicine 48: 1-19.