Metabolismo y envejecimiento celular

El envejecimiento celular es un proceso que altera radicalmente el fenotipo  de células que tienen  capacidad para dividirse. Dos características  de la senescencia  celular son el paro irreversible de la proliferación celular y el desarrollo  de un fenotipo secretor asociado a la senescencia (SASP). Ambas características son inducidas en respuesta  a una variedad de estresores y señales fisiológicas que pueden tener efectos beneficiosos o perjudiciales en el organismo, dependiendo del contexto. Muchos de los estresores  que inducen la senescencia celular causan  daño genómico o epigenómico  y/o déficit metabólico, los cuales pueden poner a las células en riesgo de transformación oncogénica. Por lo tanto, el paro de la proliferación celular protege al organismo  de desarrollar cáncer. Adicionalmente, el SASP puede optimizar ciertos procesos fisiológicos, como la cicatrización de heridas y la formación de estructuras embrionarias especificas. Las células senescentes   se acumulan con la edad en muchos tejidos del organismo. En contraste con las células apoptóticas y quiescentes, las células senescentes  son metabólicamente muy activas. El agrandamiento en ausencia de división celular  es una característica  de las células senescentes que sugiere un desacoplamiento  de las señales que relacionan la proliferación celular con el tamaño de la célula. La actividad metabólica de las células senescentes puede derivar del SASP, lo cual implica la activación transcripcional  y la secreción de  factores  con actividades biológicas potentes  sobre  células y tejidos adyacentes.  Estas actividades incluyen la promoción de la inflamación, invasión, angiogénesis e –irónicamente- proliferación celular. El SASP puede explicar cómo un número relativamente pequeño  de células senescentes puede tener  potentes efectos locales y sistémicos que promueven patologías.  Las células senescentes  pueden contribuir  a la pérdida de la homeostasis celular a través de: (1) limitar  la capacidad regenerativa  de un tejido  debido al paro de la proliferación celular y (2) alteración de las funciones de las células vecinas  en virtud del SASP. Estudios recientes sugieren  que tanto el paro proliferativo y el SASP están íntimamente relacionados con el estado metabólico de la célula.

Hace décadas, Otto Warburg observó que las células cancerosas difieren  de las células normales por la manera  en que metabolizan la glucosa. Las células cancerosas a menudo  priorizan la glucólisis sobre la fosforilación oxidativa mitocondrial, aun en presencia de altos niveles de oxigeno. Esta “glucólisis aeróbica” ha sido estudiada extensamente por su rol en la promoción de tumores desde su descubrimiento hace varias décadas. Sin embargo, sólo recientemente  comienzan a ser estudiados la glucólisis y otros aspectos del metabolismo en el contexto de respuestas  supresoras de tumores, como la senescencia celular. Los nuevos hallazgos demuestran que el cáncer y la senescencia celular  pueden relacionarse  a través  de procesos metabólicos comunes.  Los primeros estudios reportaron un incremento de la glucólisis   asociado  con la senescencia celular en cultivos de células.  Adicionalmente, el envejecimiento celular está relacionado con incrementos en la relación ADP:ATP  y AMP:ATP y la adición de mononucleótidos al medio de cultivo  resulta en la detención  de la senescencia celular. Estudios posteriores identificaron  varios marcadores del incremento de la glucólisis que sugieren un “shift” metabólico como importante atributo de las células senescentes.

¿Cómo puede este cambio metabólico manejar la senescencia? La proteína quinasa activada por AMP (AMPK) es un regulador de las respuestas celulares  al estrés energético. La AMPK responde  al incremento en la relación AMP:ATP y ADP:ATP  activando una serie de respuestas que incluyen la oxidación de ácidos grasos (también llamada β-oxidación), la inhibición de la síntesis de ácidos grasos,  el incremento de la biogénesis mitocondrial y la estimulación de la captación de glucosa.  La activación de la AMPK puede inducir el paro del ciclo celular y en última instancia la senescencia a través de dos distintos mecanismos. En primer lugar, la AMPK fosforila directamente la p53  en múltiples residuos, pero principalmente en el residuo serina 15. Este residuo de la p53 también es fosforilado por ATM  en respuesta  al estrés genotóxico y es requerido por su capacidad para detener el ciclo celular  a través de la regulación transcripcional hacia arriba del inhibidor dependiente de ciclina, p21. La AMPK en si misma es activada (fosforilada) de una manera dependiente de ATM en respuesta al estrés genotóxico. En segundo lugar, la AMPK inhibe la degradación  dependiente  de antígeno Hu de los ARNm que codifican a los inhibidores dependientes de ciclina  p21 y  p16, lo cual resulta en el cese de la proliferación celular. Entonces, la AMPK  actúa como un sensor bioenergético durante el estrés energético que puede resultar en senescencia. Además de su capacidad para detener  la proliferación de células senescentes, la p53 también juega un rol importante en la regulación de la glucólisis. (1) La p53antagoniza la captación de glucosa disminuyendo la expresión de los transportadores de glucosa GLUT1 y GLUT4. (2)  La p53 activa  transcripcionalmente la expresión del regulador de la apoptosis y la glucólisis inducible por TP-53 (TIGAR), el cual desfosforila a la fructosa -2-6-bifosfato para antagonizar las reacciones  iniciales de la glucólisis. (3) La p53 inhibe a la fosfoglicercato mutasa, enlenteciendo la tasa de conversión de glucosa en piruvato, promoviendo por tanto la senescencia. (4) La p53 se une a la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, inhibiendo su actividad y por consiguiente la ruta de la pentosa fosfato. (5) La p53 promueve la fosforilación oxidativa mitocondrial  induciendo la síntesis de la citocromo c oxidasa 2 e inhibiendo a la piruvato deshidrogenasa quinasa 2. En conjunto, estas actividades de la p53 antagonizan la glucólisis y promueven la respiración mitocondrial. Por lo tanto, la p53  actúa limitando  la actividad glucolítica de las células senescentes. La p53 también limita la extensión  del SASP, lo que sugiere que el SASP es al menos en parte  regulado por la glucólisis.

El piruvato es un metabolito clave en el cruce de glucólisis y respiración mitocondrial. En la glucólisis se producen  dos moléculas de piruvato, dos moléculas de ATP y dos moléculas de NAD+ son convertidas en NADH. El piruvato es activo en múltiples procesos metabólicos. En células con fenotipo glucolítico como las células senescentes, el piruvato y la NADH son sustratos para la deshidrogenasa láctica que produce  NAD+ y lactato. El cual es excretado. Dado que la NADH  es producida por la gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH) durante las reacciones iniciales de la glucolisis, el exceso  de NADH puede inhibir a la GAPDH y por lo tanto es la reacción limitante  de la glucólisis. El piruvato también sirve como fuente de carbono primaria para la acetil-coenzima A (acetil-CoA), la cual entra al ciclo de ácido tricarboxílico (CAT). De esta manera, la mitocondria genera mucha de su energía vía metabolismo del piruvato. Si el piruvato se convierte  en lactato o entra al ciclo ATC es determinado por la fosforilación de la piruvato deshidrogenasa (PDH), la cual cataliza la formación de acetil-CoA a partir de piruvato, esta decisión determina si una célula se vuelve senescente  en respuesta a oncogenes activados. Entonces, el metabolismo del piruvato es clave para determinar si una célula puede generar suficiente energía  a través de la glucólisis o se vuelve senescente. El exceso de especies reactivas de oxígeno (ROS) puede inducir una respuesta de senescencia y el piruvato también ayuda a atrapar ROS. El piruvato interactúa  con H₂O₂ para formar acetato, CO₂ y H₂O, contribuyendo a la defensa antioxidante de la célula.  No está clara la importancia de las propiedades antioxidantes del piruvato en las células senescentes. Irónicamente, las concentraciones suprafisiológicas (milimolar) de piruvato disminuyen la duración de la vida de fibroblastos humanos a través  de la producción mitocondrial de ROS. Estos datos sugieren que los efectos antioxidantes del piruvato no pueden contrarrestar el incremento en la producción de ROS que resulta de su metabolismo.

El malato es otro metabolito que regula la senescencia. El malato es producido  a partir de fumarato  por la fumarasa y es descarboxilado  a piruvato y CO2 a través de  la reducción  de NAD+ a NADH (enzima málica 2 mitocondrial, ME2) o  NADP+ a NADPH (enzima málica 1 citoplasmática, ME1). ME1 y ME2 son recíprocamente reguladas por la p53  en las células senescentes. La expresión de ME1 y ME2  disminuye en las células senescentes. La pérdida de alguna de las enzimas málicas  disminuye los niveles de NADPH, lo cual reduce las funciones dependientes de NADPH como síntesis de lípidos, consumo de glucosa, glutaminolisis y defensa antioxidante. La depleción de ME2 incrementa los niveles de ROS, lo cual activa a la AMPK que causa la fosforilación (activación) de la p53 y senescencia. Entonces, el metabolismo del malato  puede antagonizar la senescencia reforzando las defensas antioxidantes de la célula. Un rol adicional del malato en la prevención de la senescencia  deriva  de estudios sobre inhibición  de la enzima malato deshidrogenasa 1 (MDH1), un componente del “shuttle” malato-aspartato, el cual transfiere equivalentes reductores de NADH del citoplasma  a la matriz mitocondrial. Como ocurre con las enzimas málicas, los niveles y la actividad de MDH1  disminuyen en las células senescentes y la depleción de MDH1  induce una respuesta senescente.  Sin embargo, a diferencia de la depleción de ME2 que reduce  la NADPH mitocondrial; la depleción de MDH1 disminuye la relación NAD+/NADH citoplasmática.  Por otra parte,  la inhibición de la transaminasa glutámico-oxaloacética 1 (GOT1), una enzima del shuttle malato-aspartato,  disminuye la relación NAD+/NADH citoplasmática e induce senescencia.  Más aún, MDH1 y GOT1 son requeridas  para la síntesis de aspartato dependiente de NAD+ en respuesta a la inhibición de la cadena transportadora de electrones y la pérdida de alguna de estas enzimas previene la proliferación celular. Entonces, el malato está en los nexos  de muchas reacciones redox y su pérdida  induce senescencia celular.

Múltiples manipulaciones mitocondriales  -pérdida de  sirtuinas (SIRT3 o SIRT5), o proteínas chaperonas  HSPAS, o inhibición de la cadena transportadora de electrones o depleción de ADN- inducen una respuesta senescente. A diferencia del estrés genotóxico o la activación  de oncogenes, la disfunción mitocondrial induce un SASP distinto que carece de factores proinflamatorios que dependen de la señal del receptor de la IL-1 (IL1R). La senescencia asociada  a disfunción mitocondrial (MiDAS) ilustra la plasticidad del SASP. El piruvato no sólo previene la detención del crecimiento de células MiDAS, sino que también restaura el brazo dependiente de IL1R del SASP. Las células  MiDAS tienen una disminución de la relación NAD+/NADH, pero la adición de piruvato restaura esta relación, al tiempo que disminuye la relación ADP/ATP, restaura la síntesis  de aspartato y promueve la proliferación celular. La MiDAS activa la AMPK, lo cual resulta en activación  de la p53 y senescencia. La actividad p53 a su vez inhibe al factor de transcripción NF-κB, un regulador mayor del SASP. Entonces, la regulación metabólica  de la p53 durante la disfunción mitocondrial controla dos aspectos  de la respuesta senescente: la detención de crecimiento y el SASP.  La masa mitocondrial y el contenido de ADN aumentan 2 a 3 veces en las células senescentes y la eliminación de alguno de ellos antagoniza al paro senescente y al SASP. El incremento de mitocondrias, generalmente disparado por la señal mTOR (blanco mecanístico de rapamicina) puede incrementar el contenido de ROS y el daño de ADN. Por otra parte, la disminución de masa mitocondrial en las células senescente no solo disminuye las ROS mitocondrial sino también la señal de respuesta al daño de ADN (DDR), lo cual es requerido  para la detención de crecimiento y el brazo IL1R del SASP. Entonces, la expansión de mitocondrias  en las células senescentes  puede reforzar los fenotipos senescentes promoviendo la señal DDR.

Como ya se mencionó una relación NAD+/NADH baja promueve la senescencia celular, al menos en parte, limitando la glucólisis y la producción de ATP. Asimismo, la relación NADP+/NADH controla el estatus redox de la célula, pero la NAD+  puede regular  la homeostasis celular y la senescencia de manera independiente de NADH o NADPH. La NAD+  es el donador ADP-ribosa primario para la poli-ADP ribosa polimerasa (PARP), un mediador de la reparación de ADN en respuesta al estrés genotóxico. La inhibición de la PARP promueve daño de ADN sensibilizando a la célula  a la senescencia. Adicionalmente, la PARP1 es requerida para la activación de NF-κB y SASP. Entonces, bajos niveles de NAD+ promueven la senescencia y la inhibición de la nicotinamida monocluéotido fosforibosiltransferasa (NAMPT) induce senescencia  sin el brazo IL1R del SASP, mientras la sobre  expresión de NAMPT suprime la senescencia. La expresión de NAMPT se pierde en varios tejidos durante el envejecimiento. La NAD+ es un cofactor para las sirtuinas, proteínas  que remueven grupos acetil, sucinil y similares  de las proteínas, algunas de la cuales promueven la longevidad. Los bajos niveles de NAD+ disminuyen la actividad de las sirtuinas.  La SIRT1 desacetila varios sustratos asociados con la senescencia, incluyendo p53, Ku70 y NF-κB. La SIRT2 desacetila a la BUBR1 (mitotic checkpoint kinase budding uninhibited by benzimidazole-related 1) de una manera dependiente de NAD+. La BUBR1 antagoniza la senescencia y la depleción de NAD+ o SIRT2 desestabiliza a la BUBR1. Entonces, la NAD+ regula los fenotipos  senescentes  a través de varios mecanismos.

La activación de varios proto-oncogenes induce una respuesta senescente como mecanismo  de protección contra el cáncer. Los cambios metabólicos han sido estudiados  en el contexto de la oncogénesis desde hace varios años, pero sólo recientemente el metabolismo ha sido estudiado en el contexto de la senescencia inducida por oncogenes (OIS) y otras formas de senescencia. La OIS implica un cambio en el metabolismo del piruvato.  Los fibroblastos humanos transformados con BRAF, una mutación oncogénica inductora de senescencia, exhiben varios cambios metabólicos incluyendo  incremento en el consumo de oxígeno y la liberación de glutamato así como también disminución de la secreción de piruvato. Estos cambios están asociados con una disminución de la fosforilación de la PDH que resulta del incremento en la expresión de la piruvato deshidrogenasa fosfatasa (PDP2) y la disminución en los niveles de la piruvato deshidrogenasa quinasa (PDK1). La fosforilación de la PDH inhibe su actividad  y el efecto neto de estas alteraciones es  el incremento en  la actividad del ciclo CAT y la respiración mitocondrial. La depleción de PDP2 o la sobre expresión de PDK1  permiten a las células que expresan BRAF evitar la senescencia. Dado que la cadena transportadora de eelctrones es una fuente mayor de ROS, el estrés oxidativo  derivado de las mitocondrias puede manejar  la OIS.

La OIS también está relacionada con un incremento de la oxidación de ácidos grasos. La inhibición de la carnitina palmitoiltransferasa (CPT1A) previene la transferencia  de ácidos grasos en la mitocondria, lo cual a su vez previene el incremento en el consumo de oxigeno. Con esta disminución de la actividad mitocondrial se reduce el SASP proinflamatorio. Entonces, como en el caso  de MiDAS, el estatus bioenergético de la célula senescente influye fuertemente en el brazo proinflamatorio del SASP. ¿Por qué la activación  de oncogenes reprograma el metabolismo celular? Una posibilidad es que la evolución seleccionó los cambios metabólicos que promueven  la senescencia para prevenir la tumorigénesis. Alternativamente, dado que la activación  de  oncogenes es a menudo mitogénica, es posible que  esas células reprogramen el metabolismo para cubrir los requerimientos energéticos del estímulo mitogénico. Estos cambios pueden ofrecer oportunidades  para desviar el balance metabólico en las células tumorales de tumorigénesis a senescencia.

Las células senescentes  también presentan alteraciones en el metabolismo de proteínas que pueden influir  en la detención del crecimiento y en el SASP.  Hay dos maneras de alteración de la proteostasis  celular en las células senescentes. (1) La degradación acelerada  disminuye los niveles  de proteínas que antagonizan al fenotipo  senescente. (2) Las alteraciones  en la eficiencia traslacional  cambian los niveles  de las proteínas asociadas  con la senescencia. Múltiples evidencias  indican un incremento  en la autofagia asociada con la senescencia, especialmente la macroautofagia, el proceso por el cual complejos de proteínas y organelos asociados con autofagosomas unidos a la membrana  eventualmente se fusionan con lisosomas.  En las células endoteliales, la activación de la autofagia determina  si el estrés inducido por la glicación de colágeno resulta en senescencia o muerte celular, aunque esta determinación puede ser debida a autofagia de lípidos dañados  más que de proteínas. Por el contrario, la inhibición de la autofagia predispone a la senescencia. Por otra parte, aunque la macroautofagia es elevada durante la senescencia, la pérdida de  programas autofágicos específicos  es esencial para el desarrollo del SASP. La degradación autofágica  de organelos y proteínas  dañados  ocurre en los lisosomas, un organelo unido a la membrana que sirve como centro de reciclaje. Hay evidencia de alteración de la actividad lisosomal en las células senescentes. La β-galactosidasa, un marcador  de células senescente, es una proteína lisosomal. Adicionalmente, en la senescencia ocurren asociaciones  entre la mTOR quinasa y los lisosomas y la disrupción de esta asociación  previene la síntesis  de ciertos factores del SASP. Los lisosomas, por lo tanto, juegan un rol importante en el fenotipo senescente. Un segundo complejo  de degradación de proteína, el proteasoma, también cambia en la senescencia. Las células senescentes aumentan selectivamente la actividad proteasoma; esta degradación de proteínas asociada a la senescencia  reduce los niveles de proteínas requeridas para la progresión del ciclo celular y la función mitocondrial. Las proteínas son dirigidas al proteasoma a través de la actividad  de las enzimas que conjugan la ubiquitina, muchas de las cuales  juegan roles claves en la senescencia. El estatus de ubiquitinación de proteínas cambia notablemente con la senescencia, especialmente en las proteínas  responsables de regular la traslación, incluyendo factores de elongación, subunidades ribosomales y complejos de señalización mTOR.  Entonces, la degradación de proteínas, por autofagia  o el proteasoma, juega un importante rol en el fenotipo senescente.

En la literatura reciente  se menciona una relación entre senescencia celular y drogas que extienden el tiempo de vida en muchas especies. Una de tales drogas es la rapamicina, un inhibidor del complejo mTORC1 de la mTOR quinasa  e inductor de autofagia. La rapamicina reduce el brazo manejado por IL1R del SASP a través de la inhibición  de la traslación  de IL-1α y MAPKAPK2, mediadores claves de los elementos proinflamatorios del SASP. La rapamicina también previene el incremento en ADN mitocondrial y ROS asociado  con la senescencia inducida por estrés genotóxico. La rapamicina o la inhibición de mTOR previenen la fosforilación de 4EBP1 a través de una ruta  que también es inhibida por estresores metabólicos como la restricción calórica. Dado que la rapamicina y la restricción calórica  extienden el tiempo de vida  en muchas especies, estos hallazgos sugieren que   la senescencia podría ser un potencial  enlace  entre los efectos traslapados de rapamicina y restricción calórica. Entonces, la proteostasis está vinculada con la senescencia  a través de la autofagia  y la traslación.

En conclusión, la senescencia celular es una respuesta compleja  que detiene la proliferación  de células en riesgo de transformación oncogénica. Los avances recientes  han expandido el conocimiento de la relación entre metabolismo, señalización celular y senescencia celular, lo cual puede ser importante en una variedad de patologías relacionadas con la edad, incluyendo el cáncer.  Sin embargo, el conocimiento de la reprogramación metabólica que ocurre durante la senescencia celular es aún incipiente.  La relación entre la senescencia y el metabolismo de la NAD ha sido mencionada por mucho tiempo, pero es ahora que está claro que tanto los niveles de NAD+ como las relaciones NAD+/NADH controlan aspectos  de los fenotipos senescentes  a través de diferentes rutas. Recientemente, compuestos que elevan la NAD+, incuyendo nicotinamida mononucléotido (NMN), nicotinamida ribosido (NR) y P7C3, han sido propuestos  como posibles fármacos  en la prevención de varias patologías relacionadas con la edad. Como la elevación de NAD+  también incrementa la relación NAD+/NADH, estos compuestos  pueden prevenir la MiDAS y otras formas de senescencia. Sin embargo, restaurar la relación NAD+/NADH  en el contexto de una disfunción mitocondrial también puede resultar en proliferación de células con mitocondrias comprometidos y la secreción de factores proinflamatorios que promueven degeneración tisular. La relación entre senescencia  y glucólisis ha sido confirmada en muchos estudios, pero aún no está claro porque las células senescentes se vuelven más glucolíticas.  Como las células senescentes  aumentan su tamaño  después de la detención  de la proliferación  y el SASP demanda considerable biosíntesis de macromoléculas, es posible que las células senescentes como muchas células cancerosas  favorecen la glucólisis  por su capacidad  para proporcionar precursores  para una alta demanda  de proteínas, lípidos y otros compuestos celulares.

Fuente: Wiley CD y Campisi J (2016). From ancient pathways to aging cell-connecting metabolism and celular senescence.  Cell Metabolism 23: 1013-1021.

Control del sueño y metabolismo de la glucosa

Las alteraciones en el ciclo sueño/vigilia debido a disturbios del sueño, cambios en el horario de trabajo, apnea obstructiva del sueño e insomnio incrementan el riego de diabetes  tipo 2 (DT2). Un estudio clínico indica que aunque los disturbios del sueño a menudo son acompañados por depresión o hipertensión, las alteraciones del sueño por si mismas incrementan el riesgo  de DT2. Otro estudio reporta que la pérdida de sueño por una noche indujo resistencia a la insulina  en sujetos sanos, mientras la restricción del sueño por 5,5 a 8,5 horas durante dos semanas  causó intolerancia a la glucosa sin afectar la secreción de insulina. Por otra parte, la elevación en el tono nervioso simpático es una de las principales causa de intolerancia a la glucosa en sujetos sanos.  Adicionalmente, los pacientes con DT2 con cortos o largos periodos de sueño tienen elevados niveles  de glucosa y HbA1c. Entonces, una cantidad adecuada de sueño es importante  para el mantenimiento de la homeostasis de la glucosa.  La calidad del sueño también es  relevante  en la regulación de la homeostasis de energía y glucosa. Funcionalmente, las etapas de sueño con movimientos oculares rápidos  (MOR)  y sin MOR (sueño de ondas lentas) están relacionadas con el apetito y el metabolismo de la glucosa, respectivamente. En este contexto, hay trabajos que indican que la supresión del sueño sin MOR causa resistencia a la insulina en sujetos sanos, y que en los pacientes con DT2 disminuye la cantidad de sueño sin MOR. La disminución del sueño sin MOR también está asociada con engrosamiento de la capa íntima de las arterias carótidas  como un índice  de progreso de la ateroesclerosis. Sin embargo, es importante señalar que algunos estudios indican que el sueño MOR juega un rol importante en el metabolismo de la glucosa. La apnea y la hipoapnea durante el sueño MOR están asociadas  con intolerancia a la glucosa.  Más aún, en pacientes con DT2, el control glucémico crónico ha sido asociado adversamente con apnea obstructiva  en el sueño MOR pero no en el sueño sin MOR. Entonces, las alteraciones de la cantidad y calidad del sueño  están asociadas con el desarrollo de la des-regulación de la homeostasis de la glucosa y el progreso de las complicaciones de la DT2.

Los mecanismos por los cuales los disturbios del sueño causan intolerancia a la glucosa son controversiales. La excesiva activación  del sistema nervioso simpático es  aceptada  como un factor crucial que causa  intolerancia a la glucosa  y resistencia a la insulina en casos de restricción de  sueño. Las inapropiadas elevaciones en los niveles de glucocorticoides y hormona de crecimiento también promueven intolerancia a la glucosa bajo condiciones de privación de sueño porque estas hormonas  actúan elevando los niveles sanguíneos de glucosa. Un estudio in vivo reciente demostró que la restricción subcrónica de sueño (cinco noches con cuatro horas de sueño) causó resistencia a la insulina periférica pero no hepática en sujetos sanos. Más aún, otro estudio reporta que la pérdida de una noche de sueño en sujetos sanos alteró los perfiles epigenéticos y transcripcionales de los genes reloj circadianos en músculo esquelético y tejido adiposo subcutáneo  de manera tejido-especifica. Dado que estos genes son reguladores claves del metabolismo de la glucosa y que su alteración está asociada con la intolerancia a la glucosa, la desincronización de los relojes circadianos tisulares que sigue a la restricción de sueño puede ser  subyacente a los desordenes  metabólicos asociados.  Actualmente no está claro cómo estos factores interactúan uno con otro para causar resistencia a la insulina en casos de privación de sueño.

La restricción de sueño por largos periodos  causa  ganancia anormal de peso con incremento en la masa grasa,  y el incremento en el consumo de alimentos inducido por la restricción de sueño  es considerado un mecanismo clave subyacente a la ganancia de peso observada. Más aún, el hecho de comer muy tarde en la noche ha sido implicado en la excesiva ganancia de peso corporal. Sin embargo, hay datos conflictos acerca de los efectos de la pérdida de sueño sobre la secreción de ghrelina (una hormona que promueve la ingesta de alimentos) y leptina (una hormona que promueve la saciedad). Asimismo, la evidencia del impacto de la restricción de sueño en la actividad física diaria  y el gasto de energía  es también inconsistente. Por otra parte, un estudio que utiliza como modelo de trabajo la prolongada restricción de sueño  con disrupción circadiana concurrente durante tres semanas reporta disminución de la tasa metabólica en reposo e incremento en los niveles plasmáticos de glucosa postprandial debido a una inadecuada  respuesta de las células β del páncreas. Entonces, La combinación de restricción de sueño, aumentada actividad del sistema nervioso simpático, incremento en la secreción de hormonas contra reguladoras  y obesidad  puede resultar en  resistencia a la insulina e intolerancia a la glucosa.

El núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo es un reloj biológico master  que regula los periodos circadianos  de aproximadamente 24 horas. La luz es un factor ambiental crucial que afecta la función reloj. Varias funciones fisiológicas, incluyendo el ciclo sueño/vigilia, están sincronizadas con la actividad oscilatoria del NSQ. Los individuos con desincronización circadiana crónica  exhiben somnolencia durante el día e insomnio en la noche. La melatonina  es una hormona producida en la glándula pineal durante la noche de acuerdo con las señales diarias del NSQ. En los mamíferos, la melatonina está involucrada en el entrenamiento de los ritmos circadianos de funciones fisiológicas como el tiempo de sueño, la regulación de la presión arterial y la reproducción estacional.  La melatonina actúa a través de tres receptores acoplados a proteína G (GPCR): MT1, MT2 y MT3. Los receptores MT1 y MT2 (también conocidos como receptores de melatonina 1a y 1B, respectivamente) han sido implicados  en el control del sueño regulado por el ritmo circadiano. 

La melatonina regula la homeostasis  energética  afectando los ritmos circadianos endógenos. Los niveles circulantes de melatonina disminuyen en los pacientes con DT2 e hiperinsulinemia.  Los estudios de genoma demuestran  una asociación entre SNP en el gen MTNR1B (codifica a MT2) y la hiperglucemia en ayunas y la DT2.  En ratas con DT2, la administración crónica de melatonina  previene  la excesiva ganancia de peso corporal, la hiperglucemia, la hiperinsulinemia y/o hiperlipidemia. En estas condiciones, la melatonina mejora la secreción de -y la sensibilidad a la- insulina. La melatonina también incrementa los niveles circulantes de adiponectina, una adipoquina que tiene la capacidad para mejorar la sensibilidad a la insulina facilitando la oxidación de ácidos grasos  y el gasto de energía a través de  rutas mediadas por AMPK y PPARγ. La melatonina también disminuye los elevados niveles circulantes de ácidos grasos libres, los cuales son atribuidos a la resistencia a la insulina en obesidad y DT2. En ratones alimentados con una dieta rica en grasas, el tratamiento oral con melatonina por 8 semanas disminuyó la hiperglucemia  y la hiperinsulinemia. Estos efectos se deben a la mejora de la sensibilidad a la insulina, al menos por la restauración de la acción vascular  de la insulina, la cual es responsable de la utilización de glucosa  en músculo esquelético. Estos hallazgos sugieren que la melatonina ejerce efectos beneficiosos sobre la regulación de la glucosa alterada en la obesidad y la DT2. Sin embargo, los efectos beneficiosos  de la melatonina sobre el metabolismo de la glucosa son controversiales.  Hay estudios que reportan que la administración aguda  de melatonina  mañana y tarde altera la tolerancia a la glucosa en mujeres jóvenes. Asimismo, la administración diaria  de melatonina en un horario  diurno reduce la tolerancia a la glucosa y la sensibilidad a la insulina en mujeres postmenopáusicas.  Hay también hallazgos negativos en investigaciones de larga duración, en las cuales la melatonina afecta varios parámetros metabólicos/cardiovasculares, como la presión arterial y los valores de colesterol. No obstante, otros estudios han demostrado que la melatonina mejora  las disfunciones metabólicas, el estrés oxidativo y la resistencia a la insulina  en ratas con restricción de sueño.

Disminuciones e incrementos en la secreción de insulina han sido reportados después del tratamiento con melatonina.  Varios estudios han demostrado los efectos inhibidores  de la melatonina vía receptores MT1 y MT2 expresados en las células β de los islotes pancreáticos. La melatonina, a través de esos receptores,   reduce los niveles citoplasmáticos de AMPc y GMPc y suprime la secreción de insulina. Por el contrario, otros estudios in vivo en ratas  demuestran los efectos estimuladores  de la melatonina sobre la secreción de insulina. El tratamiento  con melatonina induce la secreción de insulina por el páncreas en ratas.  Adicionalmente, la melatonina mejora la hiperglucemia incrementando la secreción de insulina  y facilitando la regeneración y proliferación  de células β en ratas con diabetes inducida por estreptozotocina. Dado que la melatonina  ejerce efectos antioxidantes y antiinflamatorios, la protección de las células β pancreáticas  de la disfunción o la apoptosis  puede ser explicada por estos mecanismos. La cinética de los efectos de la melatonina en los islotes pancreáticos es compleja porque inhibe la secreción de insulina  estimulada por glucosa cuando es usada agudamente, mientras la exposición prolongada  a melatonina (con una duración similar al periodo de oscuridad) aumenta la secreción de insulina por las células β por la sensibilización de la señal AMPc. Aunque la suplementación con melatonina puede mejorar la función metabólica  bajo ciertas condiciones, es importante tener en cuenta  que su eficacia  es fuertemente afectada  por numerosos factores, incluyendo el momento de la administración, la duración y la dosis, así como también el fondo genético de los sujetos.

Las orexinas (también conocidas como hipocretinas) son neuropéptidos  hipotalámicos y ligandos endógenos  de dos  GPCR, OX1R y OX2R. El OX1R es selectivo para  orexina A, mientras el OX2R tiene similar afinidad por orexina A y orexina B. Aunque las orexinas regulan la conducta alimenticia,  ellas también son conocidas como moduladoras del ciclo sueño/vigilia. El OX2R juega un rol importante en el mantenimiento de un estado consolidado de vigilia, pero ambos receptores contribuyen a la inhibición del sueño REM. Los ratones con deficiencia de orexinas exhiben un fenotipo similar a narcolepsia. Adicionalmente, el sistema orexina también está involucrado en la regulación del metabolismo energético y el metabolismo de la glucosa. La narcolepsia causada por deficiencia de orexina  es acompañada por obesidad e intolerancia a la glucosa en humanos y animales. Los ratones  OX2R-knockout también muestran intolerancia a la glucosa mientras los ratones transgénicos  que sobre expresan orexinas están protegidos de la ganancia anormal de peso   y de la  intolerancia a la glucosa. Estos hallazgos indican que las orexinas son requeridas para el mantenimiento de la homeostasis de la glucosa.

El sistema orexina hipotalámico es activado por el sistema circadiano, los bajos niveles de energía y la motivación/emoción. Las orexinas  promueven la vigilia en asociación con un incremento en la actividad locomotora y la ingesta de alimentos. También incrementan la producción de glucosa en el hígado, la utilización de glucosa por el músculo esquelético y la termogénesis en el tejido adiposo marrón a través de la activación del sistema nervioso simpático. Todas estas funciones contribuyen al mantenimiento de la homeostasis energética. Por el contrario, los niveles de orexinas disminuyen  durante el periodo de reposo y, bajo estas condiciones, es inducido el sueño. Los antagonistas duales de receptores de orexinas promueven el sueño bloqueando la sobre activación de orexinas. Los bajos niveles de orexinas suprimen la producción hepática de glucosa vía sistema nervioso parasimpático. Esta función sirve como un mecanismo de protección contra la resistencia a la insulina, especialmente en el hígado. Por lo tanto, la perturbación del ciclo sueño-vigilia provoca la disrupción de las acciones diarias de las orexinas y por consiguiente alteraciones en el metabolismo energético y el metabolismo de la glucosa.

Los niveles de orexinas en el líquido cerebroespinal cambian diariamente, aumentan en la fase de vigilia activa y disminuye en la fase de reposo-sueño. En ratones alimentados con una dieta normal. La administración de orexina A en la fase de vigilia activa incrementa agudamente los niveles sanguíneos de glucosa a través de la ruta OX2R-sistema nervioso simpático, pero posteriormente disminuyen a través de la ruta OX1R-sistema nervioso parasimpático. La regulación bidireccional de la gluconeogénesis  hepática por las orexinas  explica el mecanismo que subyace a las oscilaciones diarias de glucosa. La elevación de orexinas en la fase de vigilia tiene como finalidad estimular  la gluconeogénesis hepática.  Una vez que se adquiere una cantidad suficiente de glucosa para la supervivencia, las orexinas suprimen la gluconeogénesis para evitar la hiperglucemia. Tanto la captación de glucosa inducida por orexinas en músculo esquelético como la termogénesis en el tejido adiposo marrón también pueden  contribuir a la regulación del ritmo diario  del metabolismo de la glucosa.

Las benzodiazepinas son moduladores alostéricos positivos de los receptores GABA_A, los cuales son canales iónicos disparados por ligando ampliamente expresados en el cerebro. Estos activadores de la señal GABA promueven el sueño en pacientes con insomnio pero también causan efectos colaterales como amnesia, disturbios motores y relajación muscular debido a la supresión de la actividad neuronal en el SNC. Las células β de los islotes pancreáticos  expresan receptores GABA_A y GABA_B y la activación de estos receptores incrementa la secreción de insulina y la proliferación de células β. En las células β, el GABA  puede ser  convertido  en γ-hidrobutirato, el cual inhibe la secreción de glucagón por las células α. Sin embargo, la evidencia para los efectos metabólicos  de agonistas GABA/benzodiazepina  es controversial. Por ejemplo, la administración de clonazepan, un ligando de receptor de benzodiazepina, induce la primera fase de la secreción de insulina estimulada por glucosa en sujetos jóvenes. Por el contrario, el 4`-clordiazepam, el cual actúa sobre receptores periféricos de benzodiazepinas, reduce la secreción de insulina estimulada por glucosa. Un estudio reciente reporta que el diazepam, un derivado benzodiazepina, aumenta los efectos antidiabéticos  de la metformina en ratas con DT2. Estos hallazgos sugieren que los agonistas GABA  pueden ser beneficiosos para el metabolismo de la glucosa al menos en condiciones diabéticas.

En conclusión, la influencia de los disturbios del sueño en la regulación de los niveles sanguíneos de glucosa y el progreso de  complicaciones en la diabetes  ha sido demostrada en estudios clínicos. El aumento del tono simpático, la desincronización de los relojes circadianos tisulares, la secreción anormal de hormonas y la obesidad son relevantes para la resistencia a  la insulina durante los disturbios del sueño. Sin embargo, aun no está claro si el mejoramiento del sueño por si mismo mejora el metabolismo de la glucosa en el estado diabético. Asimismo,  no está completamente descifrada la contribución relativa  de los sueños MOR y sin MOR  a la regulación del metabolismo de la glucosa. Por otra parte, la influencia de drogas anti-insomnio en el metabolismo de la glucosa en humanos es controversial. 

Fuente: Tsuneki H et al (2016). Sleep control, GPCRs, and glucose metabolism. Trends in Endocrinology & Metabolism 27: 633-642.

Roles del intestino en la homeostasis de la glucosa

El tracto gastrointestinal juega  roles importantes en la regulación de la glucosa postprandial. Uno  de esos roles es ilustrado por el efecto incretina, el  cual indica la secreción de sustancias insulinotrópicas (hormonas incretinas) por el intestino.  La administración oral de 25 g de glucosa  activa un mecanismo que aclara 6  de los 25 g de la circulación y es conocido como disposición de glucosa inducida gastrointestinalmente (DGIG).  Con grandes cantidades de glucosa, el DGIG aumenta significativamente y con la administración  de 100 g de glucosa en sujetos sanos, el DGIG es responsable  de remover 80% de   la glucosa administrada oralmente. El DGIG, por tanto, minimiza las excursiones de glucosa sanguínea muy eficientemente para mantener el nivel de la glucemia relativamente constate  con respecto a la cantidad de glucosa  ingerida.   En los pacientes con diabetes tipo 2, las cosas son muy diferentes, el DGIG  se reduce considerablemente  y puede llegar a 0%. ¿Qué mecanismos subyacen al DGIG? En personas sanas, las cargas crecientes de glucosa oral   están asociadas con incrementos en la secreción de insulina y esto es un mecanismo muy  importante porque  en los pacientes con diabetes tipo 1,  deficientes en insulina, el DGIG es usualmente cercano a 0. Por lo tanto, se puede concluir que el efecto incretina (la amplificación  de la secreción de insulina por factores gastrointestinales) es uno de los principales mecanismos  para la tolerancia a la glucosa normal. Estrictamente hablando, el efecto incretina se refiere  al aumento de la secreción de insulina  en respuesta a la glucosa oral o enteral, pero un aumento similar se observa también  después de la ingesta oral de grasa y proteína.  Entonces, aunque una comparación formal  entre administración oral e intravenosa no puede hacerse fácilmente con comidas mixtas, se puede asumir que el efecto incretina juega un rol importante en la homeostasis de la glucosa postprandial en general. El efecto incretina se debe  a hormonas secretadas por el epitelio intestinal, las más importantes son el polipéptido insulinotrópico  dependiente de glucosa (GIP) y el péptido similar a glucagón 1(GLP-1). Recientemente,  sobre la base de estudios en Drosophila,  se ha propuesto la existencia de una decretina, una hormona duodenal que inhibe la secreción de insulina. La contraparte humana sería el péptido neuromedina U, el cual puede inhibir la secreción de insulina.

La vista, el olfato, el gusto y los impulsos sensoriales generados por la presentación, la masticación  y la deglución de una comida resultan en señales excitadoras del tracto gastrointestinal. Esto ha sido estudiado en detalle con relación la secreción de ácido gástrico. En experimentos con animales, a menudo se puede demostrar una sustancial fase cefálica  de la secreción de insulina, pero en humanos es menos aparente. En efecto, un estudio reciente con las concentraciones  de glucosa  en un nivel permisivo (6 mmol/L, 108 mg/dl) no se pudo demostrar una respuesta de insulina, mientras la secreción de polipéptido pancreático (fuertemente dependiente de la actividad eferente vagal) aumentó grandemente. Asimismo, ha sido difícil demostrar una clara fase cefálica para la secreción  de hormonas intestinales involucradas  en el efecto incretina.  Aunque es fácil  demostrar experimentalmente  un efecto  de los nervios vagales eferentes sobre la secreción  de hormonas gástricas y pancreáticas, (pero no hormonas intestinales), este mecanismo no es claramente activado en la respuesta inicial a las comidas. 

Antes de ser absorbidos en la circulación, los nutrientes normalmente son retenidos por algún tiempo  en el estómago.  La tasa de vaciamiento gástrico depende altamente  de la composición  y el contenido de macronutrientes  de una comida. Existen diferencias fundamentales  en los patrones de vaciamiento gástrico de líquidos y sólidos.  El vaciamiento  de los componentes sólidos digeribles de una comida  comprende una fase inicial de 20-40  minutos  cuando los sólidos son reducidos  a pequeñas partículas, seguida por una fase de vaciamiento en un patrón aproximadamente lineal. Por el contrario, el vaciamiento de los líquidos sigue un patrón monoexponencial, sin una significativa fase inicial, que cambia a un patrón lineal cuando aumenta la densidad de los nutrientes. Aunque líquidos y sólidos son ingeridos en una comida mixta, el vaciamiento de los líquidos es preferencial con aproximadamente 80%  del vaciamiento de  líquidos antes del vaciamiento de los sólidos. La tasa de vaciamiento gástrico relativamente no es afectada  por el volumen  de la comida. Las comidas con alto contenido  de nutrientes  requieren un mayor tiempo  de vaciamiento, pero cuando se expresan como kilocalorías por minuto,  el vaciamiento ocurre en una tasa similar. Por lo tanto, en experimentos con  cantidades crecientes de glucosa ingerida  (25-75-125 g) en el mismo volumen, el pico de absorción  de absorción  se retarda de 30 a 90 y 180 minutos, respectivamente.

La tasa de vaciamiento gástrico es un determinante principal de la excursión de glucosa  postprandial en individuos sanos y personas con diabetes tipo 2. Consistente con el mantenimiento de niveles de glucosa postprandial relativamente constantes,  la carga  de glucosa está asociada con un incremento comparable de hormonas incretinas. En otras palabras, el vaciamiento de nutrientes es ajustado para que la tasa de entrada de la comida en el intestino sea relativamente constante y resulte en una respuesta de hormonas incretinas  que persista en la medida que los nutrientes  entran al intestino. Varios estudios reportan que la relación entre la glucemia y el manejo de la glucosa en el intestino delgado  no es lineal. La viscosidad  y el estado físico de la comida influyen en el manejo gástrico de la comida, cuando aumenta la viscosidad (como ocurre con varios productos fermentados de la leche) se enlentece el vaciamiento. El estado físico de algunos nutrientes puede cambiar cuando entran en el estómago. Por ejemplo, los lípidos emulsificados (leche, mayonesa) rápidamente forman  una fase lipídica que retarda su vaciamiento. Las proteínas dependiendo de su tasa de digestión gástrica mediada por pepsina y la reacción con el ácido gástrico, pueden coagular y formar sólidos (como se ha visto con las caseínas), lo cual influye en su digestión y vaciamiento.

Los mecanismos que regulan el vaciamiento gástrico son complejos e involucran hormonas gástricas e intestinales así como reflejos largos y cortos.  En general, los mecanismos dominantes que regulan el vaciamiento gástrico resultan de la interacción  de los nutrientes  con el intestino delgado más que de mecanismos intragástricos. La retroalimentación  del intestino delgado es mediada por  productos de la digestión  de carbohidratos, grasas y proteínas y es regulada por la longitud y la región  del intestino delgado expuesta a los nutrientes. El vaciamiento gástrico normal depende de la coordinación  de la actividad contráctil  del estómago proximal, el antro, el píloro y el intestino delgado superior, a través de sistemas nerviosos extrínsecos e intrínsecos así como rutas neurohumorales. La relajación receptiva gástrica  (y la posterior acomodación) es un reflejo vagal que permite  a las comidas entrar al estómago sin incrementar significativamente la tensión  de la pared, lo cual favorece la acomodación de comidas de diferentes tamaños.  La actividad motora del píloro  es regulada por ramas del nervio vago en un sistema  de reflejos cortos y mecanismos hormonales que son estimulados por la entrada de nutrientes  y fluidos gástricos en el duodeno. La introducción de ácido en el duodeno puede detener el vaciamiento gástrico mientras excita la motilidad propulsiva duodenal. La ghrelina, secretada por el estómago, puede acelerar el vaciamiento gástrico, mientras la secretina, la colecistoquinina (CCK) y la somatostatina, secretadas por el intestino delgado proximal, inhiben la secreción gástrica y el vaciamiento gástrico. El vaciamiento gástrico también puede ser regulado por hormonas del intestino delgado distal, incluyendo al GLP-1 y el péptido YY (tanto la hormona intacta PYY1-36 como el metabolito PYY3-36), los cuales son poderosos  inhibidores de la secreción y la motilidad.  Cualquier interferencia  con estos mecanismos tiene el potencial para influir en la tasa de absorción  de nutrientes en el intestino delgado y por consiguiente incrementar las concentraciones de glucosa y otros nutrientes en la circulación.

Aunque la glucosa como monosacárido no es un componente principal  de la dieta normal, si es un componente mayor de los carbohidratos  ingeridos en la forma  de almidón, lactosa y sucrosa. Para estos nutrientes se requiere clivaje enzimático.  La amilasa salival  contribuye mínimamente  a la digestión de carbohidratos que depende principalmente de la amilasa pancreática conjuntamente con las enzimas  lactasa, maltasa, isomaltasa y sucrasa. Estos mecanismos normalmente no son  limitantes  para la absorción de glucosa. Por ejemplo, la sucrosa es digerida y absorbida  en una tasa proporcional a su carga en el intestino delgado. Sin embargo, para muchos carbohidratos complejos, la digestión enzimática es más compleja.  En condiciones normales, una cantidad sustancial de los carbohidratos de la dieta escapa de la absorción en el intestino delgado  y es presentada en el colon para fermentación bacteriana. El colon puede absorber glucosa, pero esta capacidad es poco explotada porque la fermentación procede rápidamente. Un resultado de la fermentación de carbohidratos es la producción de ácidos grasos volátiles (acetato, propionato y butirato), los cuales son importantes para el metabolismo del colon, pero también son absorbidos y pueden ser usados para combustión y gluconeogénesis hepática (particularmente el propionato). La gluconeogénesis también puede ocurrir en el intestino pero su contribución a la homeostasis de la glucosa en humanos es desconocida.

La siguiente etapa  en el manejo intestinal de la glucosa después de la digestión es el transporte a través del co-transportador de sodio-glucosa 1 (SGLT1). La fructosa, transportada a través de GLUT5, es parcialmente metabolizada en el intestino antes de alcanzar  el hígado para su metabolismo adicional y la regulación  de su producción de glucosa. Por lo tanto, la fructosa también puede influir en el metabolismo de la glucosa. El transporte de glucosa  a través de SGLT1 ocurre en co-transporte con dos moléculas de sodio y es muy eficiente. Alguna absorción de glucosa  también puede  ocurrir después de la translocación  de GLUT2 a la membrana apical. La tasa absoluta  de absorción de glucosa  depende de la tasa de exposición  del intestino delgado a la glucosa, la región y la longitud de intestino delgado expuesta  y el número de enterocitos funcionales  y su expresión  de transportadores de glucosa (y, por lo tanto, la disponibilidad de sodio luminal). Más aún, la motilidad del intestino delgado y el flujo de contenido luminal  son determinantes de la absorción de glucosa. La cirugía bariátrica/metabólica induce un crecimiento adaptativo, lo cual facilita la absorción. La absorción después de la cirugía  es extremadamente rápida y la absorción completa se obtiene más rápidamente  que en los individuos sanos. El incremento en el flujo sanguíneo intestinal durante la ingestión de comida también es importante para el transporte  de glucosa a la circulación sistémica. Parte de la glucosa  es metabolizada  y usada para combustión en el intestino, pero la mayor  parte pasa al hígado donde una proporción  es tomada y usada  para combustión o almacenada como glucógeno. Estos procesos son altamente regulados por la insulina. El hígado  es el principal blanco  para la acción de la insulina y, postprandialmente, la producción hepática de glucosa  es efectivamente disminuida mientras la captación hepática de glucosa es aumentada. Sin embargo, una parte considerable de la glucosa  absorbida  pasa a través del hígado y aumenta la concentración plasmática de glucosa. Simultáneamente, la captación de glucosa  en los tejidos que expresan transportadores de glucosa (GLUT1-4) aumenta como función del incremento en la concentración de glucosa. Con el aumento de la concentración de insulina y el aumento de la translocación  de GLUT4 estimulada por insulina, el transporte periférico de glucosa también aumenta. Después de la ingestión de glucosa, la secreción de glucagón normalmente disminuye, lo cual conjuntamente con el aumento  en las concentraciones de glucosa e insulina provocan la disminución de la producción hepática de glucosa (la cual en el estado de ayuno es mantenida por los niveles basales de glucagón que alcanzan el hígado).

¿En qué extensión el manejo hepático de la glucosa es influenciado por el sistema nervioso? El hígado humano tiene fibras vagales y simpáticas. El sistema simpático aumenta la producción hepática de glucosa través de las acciones de las catecolaminas sobre la glucogenolisis, pero las acciones del vago no son muy claras. La actividad del sistema simpático  es regulada por el hipotálamo como parte de la reacción al estrés pero también puede recibir impulsos del intestino. Las fibras nerviosas sensibles a glucosa en la mucosa intestinal y el sistema porta hepático envían impulsos al cerebro. Estas señales viajan por las aferentes vagales o por las neuronas simpáticas sensoriales que entran en la medula espinal y activan tractos ascendentes hacia el cerebro, pero la evidencia sugiere que predominan los mecanismos vagales.  Estos mecanismos han sido estudiados en animales y su importancia en humanos es desconocida. La regulación de la producción hepática de glucosa por el sistema nervioso central es ejercida principalmente  a través de la inervación simpática del hígado, la cual puede ser activada por neuronas hipotalámicas  sensibles a glucosa. Sin embargo, el rol  de estos sistemas en la homeostasis normal de la glucosa en humanos es desconocido. Los nutrientes intestinales sensados  por una variedad  de mecanismos  regulan la producción hepática de glucosa a través de una ruta refleja que comprende aferentes vagales ascendentes a los núcleos hipotalámicos, los cuales a su vez regulan la producción hepática de glucosa. Las principales señales intestinales  son la CCK y la leptina derivada del estómago, pero los efectos inconsistentes de la CCK en la glucorregulación humana y la limitada supervivencia  de la leptina en la luz del tracto gastrointestinal limitan la importancia de estas señales. Aunque los mecanismos sensoriales aferentes  juegan un importante  en la regulación de la ingesta de alimentos, el soporte experimental para un mecanismo reflejo similar  para la regulación de la producción hepática de glucosa  en humanos es débil.

El intestino delgado, además de regular los niveles postprandiales de la glucosa sanguínea a través del control de la tasa de vaciamiento gástrico, modula el apetito y la secreción de hormonas pancreáticas a través de la liberación de hormonas intestinales.  El control endocrino del apetito es mediado por hormonas como GLP-1, PYY y CCK, las cuales son producidas por células enteroendocrinas  dispersas en ele epitelio intestinal. La acción anorexigénica de estas hormonas  es mediada a través   de al menos dos rutas distintas: la actividad alterada  de los nervios sensoriales intestinales (particularmente el nervio vago) es transmitida al hipotálamo  a través del tallo cerebral y señales directas de hormonas intestinales  en el tallo cerebral y/o hipotálamo. Las hormonas intestinales, a través del control del apetito y la ingesta de energía, influyen en el tamaño de los depósitos de tejido adiposo, los cuales son los determinantes principales la sensibilidad periférica a la insulina.  El control de la secreción de hormonas pancreáticas por las hormonas intestinales subyace al efecto incretina mediado por GIP y GLP-1. Ambas hormonas son producidas por células enteroendocrinas, pero mientras el GIP se encuentra predominantemente en células K localizadas en el duodeno e intestino delgado proximal, el GLP-1 es producido por células L  localizadas principalmente en yeyuno, ileum y colon. Las células K y L responden a las tasas de absorción de nutrientes y son capaces de “sensar” una  variedad  de componentes nutricionales ingeridos, incluyendo carbohidratos, grasas y proteínas. Debido a que las células K están localizadas en el duodeno, su exposición  a nutrientes, y por lo tanto, su tasa de secreción depende altamente de la tasa de vaciamiento gástrico.  La localización más distal  de las células L agrega complejidad al perfil postprandial  de las concentraciones de GLP-1. El pico inicial en la secreción de GLP-1 disparado por la presencia de nutrientes en el yeyuno está asociado con enlentecimiento del vaciamiento gástrico.

Las células enteroendocrinas  detectan la tasa de absorción de nutrientes  a través de una variedad de mecanismos. La captación de glucosa dependiente de SGLT1por las células K y L  genera directamente una señal eléctrica  a través de la captación concomitante de iones Na⁺ que a su vez dispara la apertura de canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje y la liberación de hormonas  dependiente de Ca²⁺. Las tasas de secreción de GIP y GLP-1por las células K y L están relacionadas  con las tasas de absorción de glucosa  por los enterocitos vecinos. La detección de la grasa ingerida  depende grandemente  de receptores acoplados a proteína G (GPR) que detectan los productos de la digestión de triacilglicerol, ácidos grasos (sensados por GPR40 y GPR120) y monoacilgliceroles  (sensados por GPR119). La detección de ácidos grasos dependiente  de GPR40 por las células L también depende de la tasa de absorción de nutrientes. Algunos de los más prominentes efectos metabólicos  de las incretinas GIP y GLP-1son mediados a través de sus acciones directas sobre las células β pancreáticas, productoras de insulina. Los receptores que detectan GIP y GLP-1son altamente expresados en la superficie de las células β y la unión de la hormona a su receptor dispara una cascada de señalización  intracelular  que eleva la concentración citoplasmática  de AMPc, el cual a su vez aumenta la liberación de insulina. Una característica fundamental de la secreción de insulina disparada por las hormonas incretinas es su dependencia de glucosa: cuando la concentración glucosa está en -o arriba de- los niveles normales, la señal AMPc  es inefectiva en la célula β.  La importancia de este hallazgo se observa en pacientes  con diabetes tipo 2 tratados  con miméticos del GLP-1, los cuales  a diferencia de las sulfonilureas o la insulina, no están asociados con un incremento en el riesgo de hipoglucemia.  Las incretinas, al mismo tiempo que incrementan la secreción de insulina, modulan la liberación de otras hormonas pancreáticas,  glucagón y somatostatina.  Mientras el GIP aumenta la liberación de glucagón, el GLP-1 la suprime. El mecanismo por el cual el GLP-1 suprime la liberación de glucagón es un misterio porque el GLP1R solamente es expresado por el 10% o menos  de las células α que producen glucagón. Una ruta indirecta involucra la estimulación de la secreción de somatostatina dependiente de GLP1R porque los receptores de somatostatina  generalmente están acoplados  con la inhibición de sus células blanco.  Este concepto es apoyado por estudios en páncreas perfundido que demuestran  que, en presencia de inhibidores de receptor de somatostatina, se pierde el efecto inhibitorio del GLP-1 sobre  la liberación de glucagón.

Las alteraciones de la microbiota intestinal han sido observadas en numerosas enfermedades, incluyendo enfermedades metabólicas como obesidad, diabetes tipo 2 y síndrome de colon irritable, y algunos experimentos en animales  sugieren causalidad. Sin embargo, pocos estudios han validado la causalidad en humanos y los mecanismos subyacentes aun no han sido dilucidados. En estudios del microbioma de pacientes con bypass gástrico en Y de Roux o gastroplastía en banda vertical, los cambios similares  en el microbioma intestinal  resultaron en niveles alterados de metabolitos fecales o circulantes. Los experimentos en ratones sugieren que la microbiota intestinal juega un rol directo en la reducción de la adiposidad  observada después de cirugía bariátrica y que los cambios se deben principalmente a la pérdida de peso. Por otra parte, la eliminación  de la microbiota del colon tiene poco o ningún efecto sobre el metabolismo de la glucosa en humanos.

En conclusión, de los factores del tracto gastrointestinal para la regulación  de la glucosa en humanos, algunos son intrínsecos del intestino y son forman parte esencial  del proceso de absorción de nutrientes, incluyendo la actividad propulsiva, el incremento de la exposición de nutrientes en la mucosa intestinal, los mecanismos de digestión y absorción y el flujo sanguíneo intestinal. El vaciamiento del estómago, quizá representa el más poderoso de los mecanismos de regulación  de la concentración postprandial de glucosa.  La función gastrointestinal a su vez  es regulada por señales metabólicas, endocrinas  y neuronales generadas en el intestino o asociadas con la actividad del nervio vago, estas señales influyen en la secreción de hormonas intestinales que regulan el apetito, la motilidad gastrointestinal y las funciones endocrinas del páncreas. Entre las hormonas intestinales están las incretinas que, a través de acciones sobre la secreción de insulina y la motilidad intestinal, aseguran que las excursiones postprandiales de glucosa sean relativamente constantes a pesar de las cantidades variables de carbohidratos ingeridas. La regulación prandial de la producción hepática de glucosa  resulta principalmente  de las acciones de la glucosa portal y las hormonas pancreáticas, aunque los estudios en animales sugieren que la regulación central  puede también jugar un rol. Estudios recientes demuestran que la microbiota intestinal también puede influir  en el metabolismo a través, por ejemplo,  de la producción  de ácidos grasos de cadena corta y el metabolismo de ácidos biliares.

Fuente: Holst JJ et al (2016). Roles of the gut in glucose homeostasis. Diabetes Care 39: 884-892.

Nuevas moléculas en la regulación de la homeostasis energética

Varias moléculas están involucradas  en la regulación de la homeostasis  energética y constantemente  se descubren otras. El sistema nervioso central (SNC) integra información  del ambiente y la periferia para regular la homeostasis energética. Aunque en las personas con peso normal el sistema mantiene un balance de homeostasis energética, el sistema falla en los dos extremos, es decir en individuos obesos y en individuos extremadamente delgados. Las hormonas que regulan el apetito como la ghrelina, el péptido tirosina-tirosina, la amilina e incretinas como el polipéptido inhibidor gástrico  han sido estudiadas extensamente mientras otras moléculas como el factor de crecimiento fibroblástico 21, la quemerina, la irisina, la proteína relacionada con “frizzle” secretada-4, los ácidos biliares y la hemo oxigenasa-1 han sido recientemente relacionadas con la regulación  de la homeostasis energética y el rol especifico de cada una de ellas no está completamente dilucidado.

El factor de crecimiento fibroblástico 21 (FGF21) fue identificado  en el año 2000. Es una nueva hepatoquina que está involucrada en varias rutas  metabólicas y en la  regulación  de la adiposidad  en animales y humanos. El FGF21  es una molécula importante para la regulación de la homeostasis energética. En este sentido, los ratones “knockout” FGF21 presentan leve ganancia de peso, homeostasis y tolerancia a la glucosa ligeramente alterada después de 24 horas de ayuno y no pueden movilizar y utilizar efectivamente los lípidos  después de una dieta cetogénica. Los niveles de FGF21 aumentan en la obesidad y hay evidencia de resistencia al FGF21 en animales y humanos obesos. En humanos, los niveles de FGF21 disminuyen después  de la pérdida de peso con restricción calórica o con tipos específicos de cirugía bariátrica.   El FGF21  puede inducir pérdida de peso en animales obesos a través de la estimulación  de la actividad del sistema nervioso simpático en el tejido adiposo marrón. La ingesta de macronutrientes afecta los niveles de FGF21en estudios en animales. Específicamente,  una dieta cetogénica (rica en grasas, baja en carbohidratos) incrementa la expresión y niveles de FGF21.  Sin embargo, esto también podría atribuirse  al bajo contenido de proteínas de esta dieta pues una dieta baja en proteínas  incrementa los niveles de FGF21 en animales y humanos. Adicionalmente, el FGF21 puede regular la ingesta de macronutrientes  en humanos, ciertas variantes en el locus FGF21 están asociadas  con una reducción en la ingesta de proteínas y/o lípidos pero con incremento en la ingesta de carbohidratos. En resumen, la evidencia disponible indica que en humanos la restricción calórica reduce los niveles de FGF21. Aunque una dieta baja en proteínas incrementa la expresión  y concentración  de FGF21, el efecto de los carbohidratos sobre los niveles de FGF21 aun no está completamente dilucidado.

La quemerina  es una nueva adipoquina y hepatoquina  quimioatrayente caracterizada en el año 2003. La quemerina está involucrada  en la regulación  de muchas rutas metabólicas incluyendo el metabolismo de la glucosa, la adipogénesis y las respuestas inmunes.  Los niveles de quemerina se correlacionan positivamente con el índice de masa corporal, la masa grasa y varios marcadores  de la inflamación y se encuentran elevados en individuos obesos y en individuos con diabetes o en estado de pre-diabetes.  La pérdida de peso a través de una dieta hipocalórica o una combinación de dieta con ejercicio o cirugía bariátrica resulta en una reducción de los niveles de quemerina. Aunque las concentraciones de quemerina  disminuyen con la pérdida de peso, pueden aumentar nuevamente con la reganancia de peso. El déficit de energía inducido por ejercicio  resulta en una mayor reducción de los niveles de quemerina en hombres obesos  en comparación con el mismo déficit de energía inducido solo por dieta, probablemente   debido a la mayor reducción de  masa grasa con el ejercicio. La composición de macronutrientes de la dieta  afecta los niveles de quemerina.  Por ejemplo, una dieta rica en carbohidratos incrementa las concentraciones de chemerina en comparación con una dieta de bajo contenido de carbohidratos. En otro estudio, una dieta pobre en carbohidratos no provocó una  reducción de los niveles de chemerina significativamente mayor que la provocada por una dieta pobre en lípidos o una dieta mediterránea. En resumen, la restricción de energía reduce los niveles de chemerina en humanos y hay evidencia preliminar que la composición de macronutrientes de la dieta puede afectar las concentraciones de chemerina, un mayor consumo de carbohidratos  resulta en el incremento de sus niveles.

La irisina es una nueva mioquina considerada como una señal de gasto de energía derivada del músculo. La irisina es secretada por el músculo esquelético después  del clivaje de la mioquina que contiene dominio fibronectina tipo III-5 (FNDC5) en respuesta al ejercicio y/o PGC-1a (peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivation 1a). Una diversidad de acciones metabólicas ha sido asociada con los niveles de irisina. Los niveles de irisina se correlacionan positivamente con marcadores de adiposidad, están aumentados en la obesidad  y los individuos obesos pueden desarrollar resistencia a la irisina. En ratones, la administración de irisina recombinante  resulta en pérdida de peso, mientras en humanos, la pérdida de peso resulta  en reducción de los niveles de irisina seis meses después de una cirugía bariátrica o después de la pérdida de peso inducido por dieta. Sin embargo, las concentraciones de irisina incrementan nuevamente después de la reganancia de peso.  En respuesta a la composición de la dieta, los niveles de irisina son mínimamente afectados. Específicamente, en animales, los niveles circulantes de irisina permanecen sin alteración por el contenido (alto o bajo) de grasa de la dieta. Más aún, la suplementación con  o sin  ácido eicosapentaenoico  y/o ácido α-lipoico y/o ambos no tiene efecto adicional  sobre la reducción de energía después de pérdida de peso inducida por dieta de bajo contenido energético. Otros estudios no reportan asociación entre  niveles de irisina  y calidad de la dieta o ingesta calórica. En resumen, aunque los datos disponibles sugieren  una reducción de los niveles de irisina en respuesta  a la restricción de energía, existen limitados datos  con relación al efecto de la composición  de macronutrientes  de la dieta sobre sus niveles.

La proteína relacionada con “frizzle” secretada-4 (SERP-4) es una adipoquina que actúa como antagonista extracelular de  la ruta de señalización WNT. Los niveles de SERP-4 aumentan en la obesidad  y están asociados con resistencia a la insulina. Los ratones SERP-4^-/-  con obesidad inducida por dieta tienen reducido el gasto de energía en comparación con los controles. Sin embargo, como este es un nuevo campo de investigación, se necesita más información  para conocer los efectos  de la obesidad, la restricción de energía, la pérdida de peso y la composición de macronutrientes de la dieta sobre los niveles  de SFRP-4 en animales y humanos.

Los ácidos biliares están involucrados  en la absorción  de los lípidos de la dieta y el catabolismo del colesterol pero también tienen un rol como moléculas de señalización  en la homeostasis energética. Específicamente, la administración de ácidos biliares en ratones puede prevenir la obesidad  e incrementar el gasto de energía en el tejido adiposo marrón. En modelos animales, la cirugía bariátrica altera el flujo de bilis y esto está asociado con un incremento en la saciedad inducida por ácidos biliares y hormonas intestinales. En humanos, los ácidos biliares en el plasma se correlacionan positivamente  con el índice de masa corporal.  La excreción fecal de ácidos biliares aumenta después de la cirugía bariátrica  de una manera específica del tipo de cirugía. La excreción fecal de ácidos biliares también  aumenta después de la pérdida de peso inducida por dieta. Por otra parte, la pérdida de peso inducida por dieta resulta en una reducción  de los niveles sanguíneos de ácidos biliares no conjugados  sin afectar los niveles de ácidos biliares totales. En respuesta a los macronutrientes, una dieta rica en grasas con una alta relación proteína/carbohidrato está asociada con un incremento en la producción de ácidos biliares. Adicionalmente, en humanos, las dietas ricas en grasas  resultan en mayor excreción fecal de ácidos biliares en comparación con las dietas ricas en carbohidratos. En resumen, la cirugía bariátrica resulta en un incremento de los niveles sanguíneos de  ácidos biliares lo cual ocurre independientemente de la restricción de energía. Datos limitados indican que la restricción de energía no afecta las concentraciones circulantes de ácidos biliares.

La hemo oxigenasa-1 (HO-1) es una isoenzima HO inducida por el estrés que cataliza  la conversión metabólica  del grupo hemo en pigmentos biliares, hierro y monóxido de carbono, afectando funciones celulares importantes  como la inflamación, la proliferación celular y la muerte celular por apoptosis. En la obesidad, la HO-1 es regulada hacia arriba en el tejido adiposo subcutáneo  más que en el tejido adiposo visceral. En animales, la inducción crónica de HO-1 resulta en pérdida de peso corporal mientras  la inhibición de HO-1 atenúa la perdida de peso. Los potenciales mecanismos para esta  pérdida de peso corporal  incluyen el incremento en el consumo de oxigeno, la producción de calor y la actividad locomotora, aunque una disminución en la ingesta de alimento no puede ser excluida.  Más aún, la HO-1 puede disminuir el contenido de tejido adiposo visceral y subcutáneo y podría mejorar la inflamación que ocurre en la obesidad inducida por dieta. Sin embargo, la sobre expresión de HO-1 en adipocitos no protege contra la obesidad inducida por dietas ricas en grasas.  Dado que todos estos estudios son en animales, se necesita más investigación para replicar estos resultados en humanos.

La ghrelina es una hormona orexigénica secretada por el estómago con varias acciones. Es considerada un iniciador de la comida, sus niveles aumentan preprandialmente y caen postprandialmente en proporción a la cantidad de calorías consumidas. Los niveles de ghrelina en ayunas son suprimidos en la obesidad y sus respuestas  a una comida son bloqueadas en los individuos obesos. La pérdida de peso inducida por dieta  resulta en un incremento de los niveles de ghrelina en ayunas. La composición de macronutrientes de la dieta afecta las respuestas de la ghrelina a una comida, una dieta rica en carbohidratos y proteínas  suprime los niveles de ghrelina en mayor extensión que una dieta rica en grasas en ratones y humanos.  Sin embargo, algunos estudios han fallado en demostrar algún efecto de los macronutrientes. En resumen, la ganancia y pérdida de peso  afectan las concentraciones circulantes de ghrelina pero aún existen inconsistencias  con respecto al efecto de los macronutrientes  de la dieta sobre los niveles de ghrelina.

El péptido tirosina-tirosina (PYY) es una hormona anorexigénica producida por las células L del intestino distal que suprime la ingesta de energía. Sus niveles aumentan después de ingerir una comida en proporción  al contenido calórico de la comida y la administración exógena de PYY reduce el consumo de alimentos.  No está claro si los niveles en ayunas disminuyen en la obesidad  o se mantienen estables, pero las respuestas del nivel de PYY  a una comida son atenuadas. La pérdida de peso inducida por dieta disminuye los niveles de PYY pero esto no es apoyado por todos los estudios.  La composición de macronutrientes  de la dieta afecta los niveles de PYY, todos los macronutrientes pueden  estimular la liberación de PYY pero los lípidos y las proteínas disparar la mayor respuesta.  En resumen, aunque la investigación ha demostrado que la obesidad, la pérdida de peso inducida por dieta y la composición de macronutrientes  de la dieta pueden afectar los niveles de PYY, existen  resultados controversiales al respecto.  

La amilina es una hormona co-almacenada y co-secretada con insulina  en las β del páncreas  en respuesta a nutrientes. La amilina puede actuar como  factor anorexigénico/señal de  saciedad. La administración central y periférica de amilina  reduce  la ingesta de alimentos y el peso corporal así como también enlentece el vaciamiento gástrico en animales y humanos. La amilina puede tener efectos sinérgicos con la leptina y causar un balance energético negativo. Un estudio reciente sugiere  que la señal amilina en el núcleo ventromedial es esencial para la señal completa de leptina  que protege contra la obesidad inducida por dieta. En humanos, los niveles de amilina aumentan en la obesidad y caen después de la perdida de peso inducida por dieta.  Algunos estudios reporta que los macronutrientes afectan los niveles de amilina, los cuales aumentan más con el consumo de carbohidratos que  con el de lípidos en humanos.  En resumen, los niveles de amilina son afectados por la obesidad  y la pérdida de peso y posiblemente por la composición de macronutrientes  de la dieta pero esto necesita ser confirmado.

El polipéptido inhibidor gástrico (GIP) es una incretina secretada  por las células K  del tracto gastrointestinal  después de la ingesta de nutrientes.  Aunque no es considerado propiamente como un péptido regulador del apetito, el GIP  puede  afectar indirectamente la ingesta de alimentos  a través de su efecto estimulador de la secreción de insulina. La administración exógena  de GIP en humanos no tiene efecto sobre el apetito pero disminuye  el tiempo de vaciamiento gástrico.  En la obesidad, los niveles de GIP incrementan postprandialmente pero  no en el estado de ayuno. La pérdida de peso inducida por dieta no afecta los niveles de GIP en ayunas pero no está claro si los niveles postprandiales cambian o no. La composición de macronutrientes de la dieta  afecta las respuestas del GIP, el cual es más sensible  a una dieta rica en carbohidratos que a una dieta rica en grasas. En resumen, aunque el GIP depende  de la ingesta de nutrientes, aun no está claro cuál es el efecto de la pérdida de peso especialmente sobre  sus niveles postprandiales.

En conclusión, los datos disponibles indican que la pérdida de peso inducida por dieta disminuye las concentraciones de FGF21, quemerina, irisina, amilina y/o PYY mientras  aumenta las concentraciones de ghrelina.  Los niveles circulantes en ayunas de GIP y ácidos biliares totales  no son afectados por la pérdida de peso inducida por dieta. Con relación a la composición de macronutrientes de la dieta, la evidencia disponible sugiere que una dieta rica en grasas o proteínas incrementa los niveles de PYY, una dieta rica en grasas y carbohidratos  incrementa los niveles de GIP, una dieta rica en carbohidratos  incrementa los niveles de amilina y una dieta rica en proteínas disminuye los niveles de ghrelina. Por otra parte, datos limitados indican que una dieta rica en grasas/baja en carbohidratos o proteínas incrementa los niveles de FGF21 mientras una dieta rica en carbohidratos incrementa los niveles de quemerina y una dieta rica en grasas  incrementa los niveles de ácidos biliares.

Fuente: Gavrieli A y Mantzoros CS (2016). Novel molecules regulating energy homeostasis: physiology and regulation by macronutrient intake and weight loss. Endocrinology and Metabolism 31: 361-372.

Relojes circadianos y cáncer de mama

La incidencia de cáncer de mama  es mucho mayor en los países desarrollados. Esto sugiere que  aspectos del estilo de vida occidental moderno pueden influir  en el inicio y la progresión  del cáncer de mama. Una posibilidad es una disrupción de los relojes internos del cuerpo, conocidos como relojes circadianos. En la mama, los relojes circadianos  regulan la expresión rítmica de numerosos genes. La disrupción  de la expresión de los genes circadianos puede alterar la biología de la mama y promover el cáncer. Los relojes circadianos intrínsecos son manejados por señales ambientales como el ciclo día/noche natural. El cuerpo humano transforma estas señales del tiempo en oscilaciones moleculares en las células individuales, las cuales manejan ritmos de 24 horas para los procesos celulares  en casi todos los tejidos del cuerpo.  Estos osciladores moleculares autónomos constituyen el sistema del tiempo interno del cuerpo y son sincronizados por un marcapaso master, el núcleo supraquiasmático (NSQ). Sin embargo, los relojes circadianos pueden ser perturbados  a través de los cambios en el horario laboral, períodos repetidos de jet lag y durante el envejecimiento. El debilitamiento o daño  de los relojes circadianos altera la susceptibilidad  a ciertas enfermedades.

Uno de los procesos regulados por los relojes circadianos es el ciclo celular. Por lo tanto, la disrupción  de los ritmos circadiano puede ser asociada  con las divisiones celulares anormales que ocurren el cáncer. Existe evidencia de una   relación entre relojes circadianos alterados y tumorigénesis en cáncer colorectal, osteosarcoma, adenocarcinoma pancreático  y, más notablemente, cáncer de mama. La influencia  del ritmo circadiano alterado  sobre el cáncer de mama  fue propuesta en los años de la década de 1960. Desde entonces, esta claro que la disrupción circadiana influye en los complejos mecanismos moleculares del cáncer de mama. La indicación  que la tumorigénesis  está relacionada  con alteraciones de los ritmos circadianos  sugiere que la manipulación  de esos ritmos puede ser importante para el tratamiento del cáncer.

El NSQ, localizado en el hipotálamo anterior, coordina los ritmos circadianos con el día solar. El bilateral NSQ recibe inervación directa de la retina  a través del tracto retinohipotalámico.  La mayoría de las aproximadamente 20000  neuronas del NSQ son “células marcapaso”,  cada neurona contiene su propia maquinaria osciladora capaz de producir  un prolongado y robusto ritmo circadiano aun en cultivo ex-vivo. La luz es un dador de tiempo sincronizante. Sin embargo, así como ocurre con el ciclo luz/oscuridad, el NSQ también responde a los cambios en el ciclo reposo/actividad. Estímulos no fóticos como señales neuroendocrinas y la conducta alimenticia también pueden influir  en la actividad del NSQ. El NSQ usa varias rutas neurales y endocrinas para sincronizar los relojes de muchos órganos periféricos. Una  de ellas es la hormona melatonina, la cual es liberada rítmicamente en la noche y transmite información  a órganos periféricos. El NSQ no es requerido  por los órganos periféricos para generar sus propios ritmos, más bien actúa como el conductor de una orquesta guiando a cada órgano  a oscilar en la fase ideal para ese tejido específico.

La regulación genética básica del reloj circadiano  está  altamente conservada en el reino animal. La mayoría de genes reloj de mamíferos fueron identificados  a través de estudios mutagénicos  en  moscas de frutas. El reloj molecular  genera oscilaciones en los niveles de proteínas  a través de una serie  asas de retroalimentación transcripcional/translacional auto-reguladas. Varios genes reloj codifican factores de transcripción, con el reloj molecular  manejando la expresión rítmica  de genes controlados hacia abajo. Los principales componentes involucrados  en esta red reloj celular  incluye a los activadores transcripcionales CLOCK (Circadian Locomotor Output Cycles Kaput)  y BMAL1 (Brain and Muscle Arnt-like protein-1). El CLOCK tiene un paralogo, NPAS2 (Neuronal PAS domain protein 2), el cual compensa la pérdida  de CLOCK en  NSQ y osciladores periféricos.  Los otros componentes son: Periodo (PER1 y PER2) y Criptocromo (CRY1 y  CRY2), los cuales forman el brazo negativo del asa de retroalimentación. Adicionalmente,  se han identificado otros sistemas reguladores que incluyen  receptores  nucleares de hormonas y mecanismos epigenéticos.  La expresión de genes circadianos es el resultado  de una serie de eventos de transcripción y translación. Esto provoca la expresión de un grupo de proteínas que los apaga al final del día. Luego, con la remoción  de los represores (PER y CRY), comienza nuevamente el proceso.

Los ritmos celulares de 24 horas son manejados por un asa de retroalimentación autoregulada. Durante el día subjetivo, el receptor orfan relacionado con  ácido retinoico α (RORα) contribuye a la expresión de Bmal1 a través de su elemento de respuesta (RRE), lo cual provoca la formación de heterodímeros CLOCK/BMAL1. Este complejo se une a secuencias CACGTG E-box en los promotores de los genes Per y Cry, incrementando la expresión de estos reguladores negativos. El complejo CLOCK/BMAL1 también incrementa la expresión de REV-ERBα, el cual suprime la transcripción de Bmal1. Por la tarde se acumulan los niveles de PER y CRY para formar un complejo proteínico, el cual se vuelve activo como un inhibidor de CLOCK/BMAL1. El incremento en la expresión  de Per y Cry mediado por CLOCK/BMAL1 permite la acumulación  de PER en el citosol, donde es fosforilada por la caseína kinasa 1ε y 1δ. La PER fosforilada es ubiquitinizada y rápidamente degradada, pero la acumulación de CRY permite la formación  de un complejo PER/CRY/CK1 estable. Este complejo inhibe la capacidad transcripcional de CLOCK/BMAL1 previniendo una mayor expresión de Per y Cry y también de REV-ERBα. Eventualmente, PER y CRY fosforiladas se pierden, desreprimiendo la transcripción de Bmal1 y permitiendo que los altos niveles de BMAL1 inicien el próximo día circadiano. Durante la noche subjetiva, REV-ERBα suprime la expresión de Bmal1, mientras el complejo PER/CRY formado nuevamente bloquea la actividad CLOCK/BMAL1 previniendo la transcripción de los genes Per y Cry. Durante este tiempo el complejo PER/CRY fosforilado se degrada gradualmente. Colectivamente estos ciclos aseguran que el reloj circadiano oscile con un periodo de 24 horas,  manejado por la señal de tiempo ambiental apropiada.

Los tejidos periféricos tienen su propias oscilaciones circadianas intrínsecas y auto-sostenidas, pero dependen  del reloj central y de factores tisulares específicos para la sincronización.  Los osciladores celulares locales regulan programas circadianos específicos de expresión de genes que varían de acuerdo   a la función tisular, 5-10%  de todos los genes son transcritos rítmicamente. Los genes reloj de los tejidos pueden ser controlados  directamente  por el complejo CLOCK/BMAL1, o indirectamente a través de la expresión circadiana de factores de transcripción. De esta manera, el reloj circadiano confiere un aspecto rítmico  a un amplio rango de tejidos. En la mama, por ejemplo, la expresión  de casi 600 genes  es controlada de manera circadiana. La regulación circadiana  de la expresión de genes impacta muchos procesos celulares y conductas complejas.  Esto es ejemplificado por las proteínas SIRT1 y TIMELESS  que intersectan independientemente el reloj y el ciclo celular. Por ejemplo, SIRT1 reduce la proliferación  desacetilando β-catenina y uniéndose a p53, mientras TIMELESS avanza el reloj circadiano en respuesta al daño del ADN. Entonces, el sistema circadiano está integrado con otras fisiologías. Por lo tanto,  si ocurre la disrupción del reloj puede presentarse la enfermedad. 

La evidencia acumulada sugiere que los genes reloj circadianos juegan un rol en la biología de la mama. En ratones, las mutaciones de genes circadianos específicos provocan disrupción de los ritmos moleculares y conductuales.  Estas mutaciones también revelan el compromiso de los relojes celulares en el inicio de la carcinogénesis. El tejido mamario contiene una red de conductos ramificados rodeados por una membrana basal y una matriz extracelular estromal rica en fibroblastos y tejido adiposo. Hay variaciones rítmicas diarias en la expresión  de las proteínas reloj BMAL1 y PER2. Más aún, durante el desarrollo  de la glándula mamaria, los tejidos aislados en la misma hora del día  revelan que los niveles de ARNm de Bmal1 y Per1 aumentan  en el embarazo tardío y la lactancia, mientras disminuyen los niveles de Per2. La expresión de los genes reloj también  es controlada por el microambiente del tejido mamario. Por ejemplo, una matriz extracelular rígida como la que se observa en el envejecimiento  y el cáncer provoca la supresión  de los ritmos reloj. La rigidez local  del estroma mamario y la matriz extracelular adyacente al epitelio mamario tiene un rol mayor en el desenlace del cáncer. Los mecanismos que relacionan al exterior celular con el control reloj  aun no son conocidos, pero podrían involucrar al citoesqueleto y/o proteínas de la envoltura nuclear, entre ellas una que regula la transcripción  del gen Bmal1.  El reloj molecular  también es crucial para regular la supervivencia de las stem cells. Los ratones con un complejo CLOCK/BMAL1 defectuoso tienen comprometida la capacidad de auto-renovación  de las stem cells progenitoras, lo que revela una influencia circadiana sobre la función mamaria.  Los estudios en otros tejidos han demostrado relaciones similares entre el reloj circadiano y las stem cells. En suma: los genes reloj son expresados en la mama normal. Sin embargo, sus niveles son variables y controlados  tanto por el microambiente celular y por el estadio de desarrollo del tejido.  La disrupción de la expresión de genes reloj puede incrementar el riesgo de cáncer de mama.

Los estudios en ratones con mutaciones del gen Per revelaron un rol de los genes circadianos en el ciclo celular. Un gen Per alterado contribuye a la malignidad. En humanos, hay reducida expresión de genes Per en las células de cáncer de mama en comparación con la mama normal. Las proteínas PER1 y PER2 también promueven la apoptosis. Ellas pueden suprimir el cáncer de mama in vivo a través de la inducción de apoptosis. Sin embargo, si disminuye la expresión de Per1 y per2 en tumores de mama, se reduce la acción PER como supresor de tumor. Más aún, ellas pueden suprimir indirectamente la transcripción  de c-Myc inhibiendo la transactivación mediada por E-box por BMAL1/Npas2. La pérdida de Per2 provoca disminución de la apoptosis y por lo tanto acumulación de células dañadas. Adicionalmente, los ratones con mutaciones de Per2 exhiben desregulación de c-Myc  y sus genes blanco en el ciclo celular Ciclina D1 y Gadd45.  Altos niveles de expresión de MYC promueven la proliferación celular. Asimismo, la inhibición de PER1 altera la expresión de reguladores claves del ciclo celular y la sobre expresión  de Per1 puede reducir la proliferación de líneas celulares de cáncer de mama. Las proteínas CRY también impactan la tumorigénesis  vía ciclo celular. El supresor del ciclo celular WEE-1 es expresado en fase con PER durante los tiempos del día cuando  la entrada a la fase M es suprimida. Sin embargo, los ratones deficientes en los genes Cry tienen desregulado Wee-1 y CiclinaD1, por consiguiente exhiben disrupción  de la regulación del ciclo celular. Por lo tanto, La disrupción de PER y CRY causa regulación hacia abajo  de los genes que controlan el crecimiento, lo que implica una relación entre el sistema circadiano  y la proliferación celular. Más aún, estos hallazgos indican que el reloj circadiano está involucrado en el control del ciclo celular y la apoptosis.

El reloj circadiano  también puede iniciar y propagar el cáncer  a través de sus efectos sobre el metabolismo celular. Los reguladores metabólicos SIRT1 y AMPK son “switches” celulares que alteran la conducta de la célula de acuerdo con su estado metabólico y ambas han sido relacionadas con el reloj circadiano. La SIRT1 es una desacetilasa de histonas que se activa con altos niveles celulares de NAD⁺ y se inactiva  con altos niveles de NADH. La SIRT1 desacetila p53, inhibiendo su actividad y reduciendo la apoptosis, lo cual podría tener implicaciones  en el cáncer. El nivel  celular de NAD⁺ y la actividad desacetilasa  de  SIRT1 están bajo control circadiano. Ellas pueden retroalimentar la maquinaria reloj y por consiguiente regular al reloj circadiano. Por otra parte, el estado energético de la célula  está reflejado en la relación AMP + ADP:ATP. Cuando los niveles de ATP son bajos, la AMPK es fosforilada por una kinasa. En su estado activo (desfosforilada)  la AMPK regula muchos procesos incluyendo la captación de glucosa, la biogénesis mitocondrial, la proliferación celular  y el reloj circadiano. El reloj celular regula la actividad de la AMPK, la cual a su vez induce la degradación  de los componentes  del brazo negativo  del asa reloj, fosforilando directamente a Cry1 e induciendo la degradación de Per2 mediada por CK1.  Entonces, la disrupción del reloj podría impactar directamente  las rutas de señalización SIRT1 y AMPK, cruciales en el control de la proliferación celular, la apoptosis y las rutas supresoras de tumor. Más aún, la disrupción global  de la conducta circadiana por cambios en el horario de trabajo, jet lag y envejecimiento puede afectar el esquema de alimentación de un individuo. Esto podría provocar desbalance energético  a través del ciclo circadiano y disparar actividad perjudicial  a través de estas rutas de señalización.

El riesgo de cáncer de mama también está asociado con polimorfismos de nucleótidos en Npas2, Cry2 y Clock. La hipermetilación del promotor de Clock reduce el riesgo de cáncer de mama. El polimorfismo de nucleótidos en Clock altera directamente la expresión de genes  relacionados con la progresión del ciclo celular, como CCL5. Similarmente, los polimorfismos  en Npas2 están asociados  con mayor riesgo  de cáncer de mama. El polimorfismo Ala304Thr altera la estructura de la proteína NPAS2, lo cual interfiere   con la heterodimerización NPAS2/BMAL1. Las mujeres con este polimorfismo tienen un significativo mayor riesgo  de desarrollar la enfermedad.

La expresión del gen per se correlaciona con otros genes implicados en el cáncer de mama, por ejemplo los genes que codifican  al receptor de estrógeno (ER). El ER interactúa con PER2 y BMAL1 y es clave para la formación de los acinos mamarios, los cuales son las estructuras celulares centrales  en la mama normal. Las células epiteliales mamarias  son altamente polarizadas  y las proteínas son expresadas diferencialmente  en las células. La polaridad de las células  y la estabilidad de los acinos son vitales para dirigir la secreción de leche en la luz alveolar. Sin embargo, las alteraciones en PER2, BMAL1 o ER previenen la formación de acinos, posiblemente  a través de un asa de retroalimentación  entre los estrógenos y el reloj. La proteína PER1 también influye en la regulación transcripcional  de ER, mientras la PER2 interactúa con el ER para suprimir la transcripción de los genes blanco del ER mediada por estrógenos.   Debido a que el gen Per  también es inducido por estrógenos, hay un asa de retroalimentación que acopla al reloj circadiano  con la  ruta de los estrógenos. La ausencia de expresión de ER está asociada  con un fenotipo de tumor agresivo y la desregulación  de la actividad transcripcional  de ER puede provocar  cáncer de mama. La proteína PER también puede actuar con la proteína de cáncer de mama, BRCA1 para regular la transcripción de ER.

Los tumores de bajo grado y sin metástasis mantienen relojes circadianos funcionales. En los carcinomas más agresivos, sin embargo, las oscilaciones coordinadas  de los genes reloj  están comprometidas. Por ejemplo, en la mama, las proteínas PER y CRY están asociadas  con un mejor pronóstico en tumores ER⁺/HER2^- y las proteínas CLOCK y NPAS2 están relacionadas con un mejor pronóstico en los tumores ER^-/HER2^- más agresivos. Más aún, la alta expresión de los genes Clock, Per y Cry está asociada  con una mayor supervivencia libre de metástasis.  Por el contrario,  la pérdida de expresión del gen Per3en tumores ER^- provoca un alto grado de probabilidad de recurrencia. Asimismo, la pérdida de la co-expresión de PER3 y CRY está asociada con un mayor riesgo  de metástasis de cáncer de mama.  Mientras los niveles alterados de proteínas reloj pueden afectar la estructura tisular y contribuir  a la transformación celular, ellas también influyen en la transición epitelio-mesenquima y por lo tanto facilitan la invasión  y metástasis. Por ejemplo, la pérdida de PER2 podría manejar directamente la transición epitelio-mesenquima a través de OCT1. En condiciones normales, PER2 recluta co-represores transcripcionales  de los genes de la transición epitelio-mesenquima  Twist1, Slug y Snail. Sin embargo, PER2 es desregulado en condiciones similares a tumores, lo que permite la activación de la expresión de genes de la transición epitelio-mesenquima.

La evidencia epidemiológica de los últimos 20 años ha corroborado una relación entre relojes alterados  y cáncer de mama.  Mujeres con turnos irregulares de trabajo (una mezcla de noches y días durante la semana) tienen una  mayor frecuencia de cáncer de mama relacionado con hormonas y los casos de cáncer pueden ser mayores en mujeres que iniciaron los turnos nocturnos antes de su primer embarazo. En estas mujeres, el reloj circadiano  tiene poco tiempo para entrar al nuevo turno antes de cambiar nuevamente. Sin embargo, quienes consistentemente trabajan  de noche tienen menos disrupción en el ritmo circadiano. El elevado riesgo  de cáncer de mama también  ocurre en mujeres expuestas a altos niveles de luz ambiental en la noche. La exposición constante a la luz durante la noche altera la actividad  circadiana  del marcapaso en el NSQ. Esto a su vez provoca la disrupción de los ritmos circadianos del cuerpo. Un mecanismo puede ser a través de una alteración de la producción de la hormona  melatonina. La exposición a la luz durante la noche reduce la secreción rítmica de melatonina por la glándula pineal. Esta hormona tiene actividad oncostática en animales de experimentación con tumores mamarios  y también en cultivos de células de mama humana.  La melatonina promueve la estabilidad genómica y también tiene actividad anti-invasiva y anti-metástasis.  Por ejemplo, en canceres de respuesta endocrina, la melatonina reduce la expresión y actividad de la aromatasa, la cual normalmente convierte testosterona  en estrógeno. La acción oncostática de la melatonina sobre tumores mamarios dependientes de hormona se basa principalmente en sus acciones anti-estrogénicas, tanto reduciendo la biosíntesis de estrógenos a partir de andrógenos como neutralizando los efectos celulares de los estrógenos. Ratas  expuestas a pequeñas cantidades de luz en la noche, tienen disrupción del perfil de melatonina  y tumores mamarios de crecimiento rápido que pueden ser revertidos  con suplementación de melatonina. En humanos, la reducción de los niveles  nocturnos de melatonina puede incrementar los efectos de los estrógenos y contribuir a un mayor riesgo de cáncer de mama. Otro potencial mecanismo que relaciona la exposición a la luz durante la noche  con el cáncer de mama es la regulación circadiana  de la expresión de micro-ARN (miARN). Varios miARN  involucrados en el riesgo de cáncer de mama muestran fluctuaciones durante el día. Por ejemplo, los niveles de MiR-150-5p y miR-133a-3p son dramáticamente alterados por la disrupción circadiana. Algunos de estos miARN están interconectados con la expresión  de proteínas que tienen roles conocidos en el cáncer de mama como NFκB y Stat3. La pérdida de la conducta rítmica por lesiones en el NSQ también puede incrementar el riesgo de formación de tumor y aumentar la progresión de tumores pre-existentes. Estos hallazgos sugieren  que la disrupción de los relojes circadianos por la exposición a la luz en la noche tiene un rol  adverso sobre la progresión del tumor. Esto aplica para aquellas mujeres con turnos de trabajo irregulares, aunque es aun tema de controversia si los episodios repetidos de jet lag o el extenso uso de luz eléctrica en la noche contribuyen al cáncer de mama.

En conclusión, los relojes circadianos de la mama son coordinados por el NSQ y son influenciados por factores fóticos, endocrinos, neurales y metabólicos.  En la mama, los relojes circadianos regulan la expresión rítmica  de numerosos genes. La disrupción de la expresión  de los genes circadianos  puede alterar la biología de la mama  y promover el cáncer. Los estudios en ratones han demostrado la importancia  de los genes reloj  en la renovación  de células progenitoras, la incidencia de tumores o la interacción con la ruta de los estrógenos. Esto indica que hay un rol oncostático  de algunos genes reloj. Los defectos en los genes reloj del epitelio mamario  pueden provocar disrupción del ciclo celular. Esta disrupción causa una división celular alterada, incremento de la susceptibilidad al cáncer de mama y tumores más agresivos. Los datos epidemiológicos relacionan un incremento en la incidencia  de cáncer de mama  en mujeres con turnos irregulares de trabajo. El estilo de vida nocturno perturba los patrones normales de la conducta circadiana, lo cual resulta en efectos perjudiciales sobre rutas fisiológicas y metabólicas controladas por relojes circadianos.  A la luz de estos datos, se ha propuesto que el cáncer de mama no debería ser visto como un desorden local  sino como resultado  de defectos sistémicos en el control tisular.

Fuente: Blakeman V et al (2016). Circadian clocks and breast cancer. Breast Cancer Research 18: 89.