Hormonas tiroideas y marronización de tejido adiposo

Las hormonas tiroideas (HT) son importantes moduladores fisiológicos  del metabolismo. La glándula tiroides toma el yodo de la dieta y lo incorpora en la tiroglobulina para producir las hormonas tiroxina (T4) y triyodotironina (T3). Aunque ambas hormonas son biológicamente activas, la T3 es considerada la forma funcionalmente dominante y se une a dos receptores nucleares (TRα y TRβ). Las HT tienen acceso a los tejidos blancos por acción de las proteínas de membrana: transportador monocarboxilato 8 (MCT8) y transportador de aniones orgánicos (OATP). El aporte local de HT es regulado a través de las desyodasas D1, D2 y D3. Las HT controlan varios aspectos del metabolismo de lípidos en los adipocitos blancos de ratones y humanos, desde la lipogénesis hasta la señal lipoproteína. En los adipocitos marones, las HT juegan un rol esencial en la termogénesis facultativa  a través de la proteína desacopladora 1 (UCP1) mitocondrial. Esto es activado a nivel de la región aumentadora del gen Ucp1, donde los TR forman un complejo heterodímero con el receptor de ácido retinoico  y se asocian con el coactivador gamma del receptor activado por proliferador de peroxisoma 1α (PGC-1α). Adicionalmente, los TR interactúan con la proteína de unión a los elementos de respuesta cíclica (CREB) y de una manera sinérgica regulan a la baja  la señal noradrenalina para incrementar la expresión de UCP1.  

   Los adipocitos son un tipo de célula altamente heterogéneo  con distintas características estructurales y funcionales. Los adipocitos blancos son uniloculares  y se especializan en almacenar  energía como triglicéridos. Por el contrario, los adipocitos marrones son multiloculares, con un alto contenido de mitocondrias y altos niveles de UCP1, lo cual los hace eficientes para disipar energía química en forma de calor. El tejido adiposo marrón (TAM) es ricamente inervado por nervios simpáticos y posee muchos vasos sanguíneos. Esto permite al TAM responder a los estímulos (el frío, por ejemplo), reclutar nervios simpáticos y generar calor localmente para distribuirlo a través de la circulación en otras partes del cuerpo. La disminución de TAM provoca intolerancia al frío, confirmando su rol en el mantenimiento de la temperatura corporal. Por el contrario, la expansión de TAM contrarresta el desarrollo de la obesidad por dieta rica en grasas. Por lo tanto, el TAM juega un rol esencial en la regulación de la temperatura corporal y el balance energético.

   En respuesta a la exposición crónica al frío, ocurre la marronización en varios depósitos de tejido adiposo blanco (TAB), lo cual provoca la formación de adipocitos beige. Estas células, como los adipocitos marrones, son multiloculares con moderado contenido mitocondrial y expresión inducible de UCP1. La capacidad termogénica del tejido adiposo beige (TABe) es alterada cuando el TAM se vuelve disfuncional. La disminución de TABe aumenta la susceptibilidad a la obesidad mientras la expansión de TABe protege contra la ganancia de peso. Por lo tanto, el TABe ejerce una fuerte influencia sobre el balance energético del cuerpo. Los adipocitos beige y marrones poseen diferentes perfiles de expresión de genes con el grupo de diferenciación 137 (CD137), la proteína transmembrana 26 (TMEM26) y el factor de transcripción  T-box 1 (TBX1) como marcadores específicos de los adipocitos beige  y el factor prematuro de célula B 3 (EBF3), el antígeno similar a epitelial V 1 (EVA1) y la proteína solamente F-box 31 (FBO319) como marcadores específicos de los adipocitos marrones.

   La acción local de las HT en el TAM durante la termogénesis  inducida por el frío fue descrita por primera vez en ratas. En este caso la función de los nervios simpáticos incrementa la actividad de la D2. Por otra parte, en los adipocitos marrones, la T3 generada a partir de la T4 circulante restaura los niveles de UCP1 en el hipotiroidismo sin afectar los niveles plasmáticos  de HT, lo cual corrobora la idea que las HT interactúan directamente con el TAM en el control de la termogénesis inducida por el frio.  Más aún, los ratones con disrupción de la señal TRβ presentan termogénesis adaptativa defectuosa y reducida expresión de UCP1 en el TAM. El rol de la acción central de las HT sobre la función del TAM se estableció a partir de los hallazgos en estudios con animales. Inicialmente se encontró en ratones que la D2 glial genera localmente T3 en el hipotálamo medial basal y tiene un rol importante en la hiperfagia inducida por el ayuno. Posteriormente, estudios en ratas revelaron que la administración intracerebroventricular (icv) de HT  incrementa la actividad de los nervios simpáticos y la expresión de UCP1 asociadas con la pérdida de peso. Más aún, los animales hipertiroideos con señal TR defectuosa en el hipotálamo ventromedial (HVM)  pierden menos peso que los animales con señal TR normal en el HVM. Estos hallazgos sugieren que las HT circulantes activan TR en el HVM para regular la función  del TAM  a través del sistema nervioso simpático.

   Las HT también regulan la marronización del TAB. Una investigación en ratas reveló el ácido triyodoacético (TRIAC), metabolito de la T3, en dosis bajas induce la expresión ectópica de  UCP1 en el TAB abdominal. El TRIAC tiene mayor afinidad por el TRβ1 que la T3 en varios tipos de células incluyendo adipocitos marrones. En este contexto, la administración crónica de GC-1, un agonista selectivo de TRβ, a ratones obesos induce una marcada marronización del TAB subcutáneo e incrementa la temperatura corporal  y el gasto de energía. En ratones ob/ob, la administración de GC-1 está asociada con una disminución en la función termogénica del TAB. Por lo tanto, los efectos metabólicos de GC-1 son completamente mediados por la marronización del TAB y no por el incremento de la función del TAB. En apoyo de esto, la desnervación del TAB no afecta la reducción, mediada por GC-1, en la adiposidad o el incremento en la temperatura corporal. Un efecto directo del GC-1 en la marronización del TAB es sugerido por la inducción de UCP1 en cultivos de adipocitos blancos.

   Las HT regulan la marronización del TAB a través de un mecanismo central. La infusión icv  de T3 incrementa el consumo de oxígeno y la temperatura corporal al tiempo que previene la ganancia de peso corporal en roedores. Esto está asociado con un incremento en la expresión de UCP1 en el TAB y marronización del TAM. Los efectos de la administración icv de T3 sobre el gasto de energía, la termogénesis y el peso corporal están ausentes en ratones con deficiencia de UCP1. Los estudios en ratones carentes  de  receptor hepático X (LXR)α  y  LXRβ proporcionaron información sobre la ruta central por la cual las HT causan la marronización del TAB. Está claro que LXRα y LXRβ en las neuronas TRH del núcleo periventricular (NPV) del hipotálamo tienen un rol inhibidor en la marronización del TAB. Los ratones con deficiencia de LXRα/LXRβ exhiben un incremento en la expresión de UCP1 en tejido adiposo subcutáneo asociado con un aumento de la expresión de TRH en el NPV, incremento de células TSH en la hipófisis anterior, hipertrofia de tirocitos e incremento en los niveles circulantes de T3.

   En humanos, hay datos conflictivos con relación al reclutamiento de TAB  durante el hipertiroidismo. Un estudio en una cohorte de pacientes con hipertiroidismo, la mayoría con enfermedad de Graves, reveló un incremento en la captación de glucosa por el TAM, en comparación con sujetos eutiroideos, asociado con un aumento en el gasto de energía, lo cual sugiere un incremento en la función del TAM. Otro estudio  con pacientes hipotiroideos por carcinoma tiroideo reporta un relativo incremento  en la captación de glucosa radioactiva en el TAM cuando los pacientes reciben  tratamiento supresor de HT y presentan hipotiroidismo leve. Por lo tanto, el hipertiroidismo subclínico/clínico puede ser asociado con un leve incremento en la actividad del TAM con relación al hipotiroidismo/eutiroidismo.  Datos recientes en humanos demuestran que la expresión de UCP1 en TAB se correlaciona con los niveles circulantes de T4 y los estudios en cultivos de células sugieren que las TH causan marronización.

   En conclusión, un blanco importante de las HT es la termogénesis del TAM, la cual puede ser estimulada directamente a través  de los TR expresados en los adipocitos marrones  e indirectamente a través  de TR expresados en neuronas hipotalámicas. El TAB adopta características del TAM en un proceso referido como marronización. Las HT inducen la marronización del TAB a través de mecanismos periféricos  y centrales. Los estudios en animales y humanos indican que las alteraciones  de HT están asociadas con cambios  en la termogénesis  del TAM y la marronización del TAB y por consiguiente influyen en la regulación de la temperatura del cuerpo y el peso corporal.

Fuente: Weiner J et al. (2017) Thyroid hormones and browning of adipose tissue. Molecular and Celular Endocrinology 458: 296-299.

Mecanismo de acción de kloto soluble

El gen kloto codifica una glucoproteína transmembrana tipo 1 llamada α-kloto (130 kDa) que contiene un dominio intracelular corto de 10 aminoácidos y un dominio extracelular (EC) que contiene dos regiones internas repetidas (KL1 y KL2), ambas de aproximadamente 450 aminoácidos y con secuencia homóloga a la familia 1 de las β-glucosidasas. La proteína α-kloto difiere de la familia 1 de glucosidasas en la ausencia de dos residuos de ácido glutámico en sus regiones KL1 y KL2 que son importantes para la actividad catalítica  de esta familia de enzimas. La α-kloto exhibe actividades sialidasa y β-glucoronidasa. Hasta ahora, se han identificado tres isoformas de la proteína α-kloto: (1) la forma transmembrana  de longitud completa (mKl), (2) una forma soluble [kloto soluble (sKl)], (3) una forma truncada secretada que es producida por “splicing” alternativo de mARN de kloto y consiste solamente de KL1. En el espacio extracelular, la forma truncada secretada  es mucho menos abundante que la sKl. La mKl está asociada con receptores de factor de crecimiento de fibroblastos (FGFR) para formar correceptores  de FGF23, una hormona fosfatúrica derivada del hueso. La sKl es producida cuando el dominio mKl cerca de la región transmembrana  es clivado proteolíticamente por las metaloproteinasas ADAM10 y ADAM17. Una vez liberada de la membrana celular, la sKl circulante ejerce sus efectos biológicos sobre órganos o tejidos distantes. En roedores y humanos, la proteína α-kloto es expresada abundantemente  en el riñón y el plexo coroideo del cerebro, y en menor extensión en glándula paratiroides, páncreas, órganos sexuales y glándula tiroides. La familia del gen kloto, además de α-kloto, incluye  dos miembros adicionales: β-kloto y γ-kloto. La proteína β-kloto  es expresada principalmente en hígado, tejido adiposo y páncreas, mientras γ-kloto  es expresada en riñón y piel. Las hormonas FGF19 y FGF23 requieren β-kloto como correceptor para unirse a su FGFR y activar rutas de señalización  que regulan la síntesis de ácidos biliares y el metabolismo energético.

   La unión del FGF23 a mKl-FGFR juega roles críticos en el metabolismo de vitamina D, calcio y fosfato. La restricción  de vitamina D o fosfato provoca retardo en el crecimiento  y muerte prematura  en ratones kloto^-/-, validando que la función de mKl como correceptor de FGF23 es crítica para el metabolismo  mineral, el metabolismo de vitamina D, el crecimiento y la supervivencia. Por el contrario, la función y el mecanismo  de acción de la sKl son menos claros. La α-kloto es expresada predominantemente en el riñón y el cerebro. Sin embargo, los ratones kloto^-/- exhiben defectos funcionales  en células que no expresan α-kloto, lo cual sugiere que la sKl circulante puede funcionar como una hormona que actúa a distancia. La sobre expresión del gen kloto extiende la duración de la  vida  en el ratón. Los efectos de la α-kloto han sido atribuidos a la inhibición de una señal similar a insulina, lo cual es un mecanismo conservado en la evolución para suprimir el envejecimiento. Los estudios in vitro  han demostrado que la sKl suprime la autofosforilación  de los receptores para insulina/IGF-1 y regula a la baja eventos de señalización que incluyen la fosforilación de tirosinas en las proteínas sustratos del receptor de insulina (IRS) y la asociación  de fosfoinositido 3-kinasa (PI3K) p85 con las proteínas IRS. La inhibición de la señal insulina/IGF-1/PI3K mediada por la sKl puede suprimir el envejecimiento a través de la inducción de resistencia al estrés oxidativo. La ruta insulina/FGF-1/PI3K está relacionada con el estrés oxidativo a través de los factores de transcripción FOXO que son blanco de la señal similar a insulina que regula el envejecimiento. La inhibición de la señal similar a insulina  resulta en la activación de FOXO y la regulación al alza de genes que codifican enzimas antioxidantes como la manganeso superóxido dismutasa  (MnSOD) mitocondrial, la cual es importante para remover especies reactivas de oxígeno (ROS) y reducir el estrés oxidativo. El FOXO nuclear se une al gen promotor de MnSOD e incrementa los niveles de la proteína MnSOD. La fosforilación/inactivación de FOXO inducida por la insulina está aumentada en los ratones kloto^-/-.

   La sKl, además de la ruta insulina/IGF-1, confiere efectos citoprotectores a través de otras rutas antioxidantes. El estrés oxidativo contribuye a la progresión de calcificaciones vasculares  a través de la inducción de apoptosis y senescencia en las células endoteliales vasculares. La sKl actúa como una hormona en los vasos sanguíneos donde continuamente es expuesta a las células endoteliales vasculares. Los efectos anti-apoptosis y anti-senescencia de la sKl  en células endoteliales pueden ser mediados por la ruta proteína quinasa activada por mitogenos (MAPK)/quinasa regulada por señal extracelular (ERK). La sKl también ejerce efectos antioxidantes induciendo la expresión de MnSOD  a través de la activación de la ruta cAMP/proteína quinasa A (PKA). Adicionalmente, el gen kloto atenúa la producción de superóxido inducida por angiotensina II, el daño oxidativo y la apoptosis en células de músculo liso vascular estimulando la supresión de la expresión de la proteína Nox2-NADH oxidasa mediada por cAMP/PKA. Estudios recientes indican que la α-kloto actúa como antioxidante en el hígado y el cerebro modulando la apoptosis sensible a ROS.

   Los niveles plasmáticos elevados de sKl están asociados con una disminución de la probabilidad de enfermedad cardiovascular (ECV) en humanos. La sKl puede ser un factor de riesgo para ECV de acuerdo con estudios que demuestran que la disfunción endotelial  se correlaciona inversamente con la expresión de α-kloto. La disfunción endotelial juega un rol en el desarrollo de ateroesclerosis  y se caracteriza por una disminución de la biodisponibilidad de óxido nítrico (NO), alteración de la vasorelajación dependiente de endotelio e incrementos en la permeabilidad endotelial, el estrés oxidativo y la expresión de moléculas de adhesión, pro-inflamatorias y factores trombóticos. La sKl puede ejercer efectos vasoprotectores en el endotelio y reducir la disfunción endotelial regulando la disponibilidad de NO. La producción de NO es regulada al alza por la sKl a través de la ruta cAMP/PKA, la cual contribuye a la activación de la sintetasa de óxido nítrico endotelial (eNOS). La sKl también previene la disfunción endotelial  manteniendo la integridad endotelial y protegiendo contra la permeabilidad celular. En las células endoteliales, el calcio regula numerosas funciones incluyendo proliferación, migración y apoptosis. Varios estudios reportan que la sKl se une al receptor transitorio potencial canónico 1 (TRPC1), canal permeable al calcio, y al receptor del factor de crecimiento endotelial vascular-2 (VEGFR2) para causar su co-internalización, lo cual regula el nivel de expresión de TRPC1 en la membrana plasmática.  Esto permite a la sKl regular la entrada de calcio estimulada por VEGF y la hiperactividad de proteasas dependientes de calcio en las células endoteliales, lo cual mantiene la integridad endotelial. Adicionalmente, la sKl puede mantener la integridad endotelial regulando la expresión de mediadores inflamatorios como moléculas de adhesión y NF-κB en las células endoteliales.

   Los genes supresores de tumor  regulan la proliferación celular e inhiben el desarrollo de tumor. Kloto puede ser supresor de tumor en múltiples procesos malignos incluyendo los cánceres de mama, cuello uterino, páncreas, estómago, colon, hígado, riñón, ovario y melanoma. En todos estos cánceres, la expresión de kloto es reducida en el tejido tumoral en comparación con el tejido normal. Las modificaciones epigenéticas como metilación de ADN y modificaciones de histona, a menudo juegan un rol importante en la regulación de la expresión de genes supresores de tumor. La metilación del promotor y la desacetilación de histonas son mecanismos epigenéticos silenciadores de la expresión de kloto en múltiples tipos de cánceres. Por otra parte, los microARN juegan un rol en la progresión del cáncer regulando la expresión de kloto. La reducción de la expresión de kloto en el tejido maligno sugiere que la α-kloto tiene efectos anti-cáncer. Los estudios en células cancerosas revelan que la sKl actúa como supresora de tumor inhibiendo múltiples rutas  de señalización incluyendo insulina/IGF-1, FGF, Wnt y factor de crecimiento transformante β1 (TGF-β1).

   La ruta de señalización insulina /IGF-1 juega un rol importante en la proliferación celular, la apoptosis y el cáncer. La insulina y el IGF-1 se unen a sus receptores y activan proteínas IRS, las cuales a su vez activan las rutas de señalización PI3K/Akt  o MAPK/ERK1/2 que juegan un rol en el desarrollo normal y el mantenimiento de los tejidos. La desrregulación de estas rutas puede provocar el desarrollo y progresión de un tumor. La α-kloto actúa como supresora de tumor inhibiendo la señal insulina/IGF-1 en cáncer de mama, pulmón, páncreas, estómago, hígado, colon y ovario. La sobre expresión de α-kloto  o el tratamiento con sKl inhiben los efectores IRS-1, Akt1 y ERK1/2 en células cancerosas. La actividad supresora de tumor de la α-kloto ha sido atribuida al dominio KL1. Los defectos en la regulación  de la ruta de señalización Wnt también causan cáncer. La señal Wnt se inicia cuando los ligando Wnt secretados activan receptores transmembrana  que promueven la translocación de β-catenina al núcleo donde induce la actividad de factores de transcripción como TGF y LEF. La activación de la transcripción de genes por la β-catenina provoca la síntesis de genes c-myc y ciclina D1 que causan crecimiento de células tumorales e invasividad tumoral. La sKl es un antagonista  de Wnt que se une a múltiples ligandos Wnt e inhibe la activación de la señal Wnt. La inhibición de la ruta de señalización Wnt por la sKl  reduce la proliferación, invasividad y viabilidad  de las células cancerosas.  La proteína α-kloto también actúa como supresora de tumor modulando la ruta de señalización FGF. La sobre expresión de α-kloto aumenta la fosforilación de ERK1/2 mediada por FGF básico y la activación de la ruta FGF en las células  cancerosas.

   El mecanismo de acción de la hormona sKl  es pobremente entendido en parte debido a que aún no se ha identificado su receptor de membrana. Estudios recientes han identificado los monosialogangliósidos  GM1 y GM3 presentes en las balsas lipídicas como receptores para sKl. La sKl altera la organización de lípidos en las balsas lipídicas. La sKl también regula a la baja la ruta de señalización PI3K/Akt disparada por factores de crecimiento  y la función del canal TRPC6 en las balsas lipídicas. La idea que la sKl se une específicamente a las balsas lipídicas ha sido apoyada por estudios que demuestran que la sKl interactúa selectivamente con el GM1 asociado a las balsas lípidicas.  Por otra parte, la unión  de FGF23 al FGFR y el co-receptor mKl inhibe la síntesis  de 1,25 (OH)₂-vitamina D (calcitriol). Adicionalmente, la sKl juega un rol importante en la homeostasis del calcio regulando al canal de calcio receptor transitorio potencial vanilloid tipo 5 (TRPV5) localizado en la superficie apical del túbulo contorneado distal que es responsable  de la reabsorción de calcio en el nefrón distal. La sKl incrementa directamente la reabsorción de calcio aumentando la abundancia de TRPV5 en la superficie  celular a través de una modificación de las cadenas N-glucán del TRPV5. En este caso, la sKl actúa como una sialidasa y remueve específicamente α2,6-ácidos siálicos terminales de las cadenas N-glucán del TRPV5. La remoción de los α2,6-ácidos siálicos terminales de las cadenas N-glucán expone residuos LacNac los cuales se unen a galectina-1 presente en la superficie celular. La unión de galectina-1 a TRPV5 previene la endocitosis  y provoca la acumulación del canal en la membrana celular. En general, la afinidad por la unión de galectina-1 es aumentada por la estructura polimérica de LacNac en las cadenas N-glucán. El canal TRPV5 funcional tiene una estoiquiometría tetramérica que incrementa el número de N-glucán,  LacNac poliméricas y la afinidad de TRPV5 por galectina-1. La sKl también regula otros canales y transportadores iónicos en el riñón modificando sus cadenas N-glucán. Por ejemplo, la sKl incrementa la abundancia en la membrana celular del canal de potasio de la médula externa renal 1 (ROMK1) a través de la remoción  de α2,6-ácido siálico de las cadenas N-glucán del canal.

   La hipertrofia cardiaca en pacientes con enfermedad renal crónica (ERC) está asociada con un incremento en el riesgo de mortalidad. Los niveles de sKl disminuyen durante la ERC, lo cual sugiere que es un biomarcador  para diagnóstico de ERC. Los estudios han demostrado que la deficiencia de sKl puede ser un importante factor de riesgo para la hipertrofia cardiaca asociada a ERC independientemente de los efectos de la hiperfosfatemia y el FGF23. Una ruta reguladora en el desarrollo de la hipertrofia cardiaca involucra la activación mediada por calcio de la calcineurina, la cual desfosforila al factor nuclear  de células T activadas (NFAT) y causa su translocación al núcleo donde activa genes involucrados en el crecimiento cardiaco hipertrófico. La entrada de calcio a través de canales TRPC está involucrada en la señal calcineurina y la hipertrofia cardiaca. El TRPC6 contiene elementos de respuesta NFAT en su promotor, lo cual ayuda a amplificar la expresión de los genes involucrados en la hipertrofia cardiaca.  La sKl regula a la baja al TRPC6 en el corazón.

   En conclusión, la sKl está presente en sangre, orina y líquido cerebroespinal donde lleva a cabo múltiples funciones incluyendo la regulación de canales y transportadores iónicos, y la señal de factores de crecimiento. En el cuerpo, los riñones son una fuente importante de sKl y sus niveles disminuyen en la ERC. La deficiencia de sKl hace al corazón susceptible al crecimiento hipertrófico.

Fuente: Dalton GD et al. (2017) New insights into the mechanism of  action of soluble klotho. Frontiers in Endocrinology  8: 323.

Acciones cardiacas de los metabolitos de hormonas tiroideas

Las hormonas tiroideas (HT) tienen un rol bien establecido en la regulación de la función del corazón. Clásicamente, las HT actúan a través de receptores nucleares (TR) específicos, los cuales interactúan con los elementos de respuesta de HT (TRE) en las regiones reguladoras de varios genes para modular la transcripción de genes. Sin embargo, algunas acciones de las HT no pueden ser explicadas con un mecanismo genómico. Adicionalmente, los metabolitos de HT (MHT), principalmente 3,5-diyodotironina (3,5-T2) y 3-yodotironamina (T1AM), emergen como mensajeros químicos independientes con efectos propios. En los cardiomiocitos, las HT son sometidas a un metabolismo específico, con desyodación y posiblemente descarboxilación y desaminación. Como sustrato de las desyodasas, la tiroxina (T4) puede ser convertida en 3,5,3´-triyodotironina (T3) o T3 reversa (3,3´,5´-triyodotironina o rT3) cuya desyodación forma diyotironinas como 3,5-diyotironina (3,5-T2), 3,3´-diyotironina y 3´5´-diyotironina. Alternativamente, las HT pueden ser desaminadas y descarboxiladas, produciendo las moléculas biológicamente activas, ácidos tiroacéticos y tironaminas, respectivamente, En particular, el T1AM induce efectos funcionales a través de un mecanismo no genómico. El T1AM es un sustrato de las desyodasas, produciendo tironamina (T0AM) y de las amina oxidasas para producir ácido 3-yodotiroacético (TA1).

   En el corazón, las HT producen un efecto inotrópico y cronotrópico positivo. Clásicamente, esto ha sido atribuido a la modulación de la expresión de genes por la T3. El miocardio expresa diferentes formas de TR, principalmente  TRα1, seguido por TRβ1 y TRβ2. Los TR muestran mayor afinidad (aproximadamente 100 veces) por la T3 que por la T4. Bajo el control de las HT ocurre un cambio de la cadena α  a la cadena β  de la cadena pesada de miosina. Esto regula al alza a la Ca²⁺-ATPasa del retículo sarcoplásmico (SERCA), el receptor adrenérgico β1, las subunidades α2 y β1 de la Na⁺/K⁺ ATPasa  y las dos isoformas de canales de K⁺ dependientes de voltaje (Kv4.2 y Kv4.3), lo cual aumenta la función diastólica y sistólica y la frecuencia cardiaca. La función cardiaca también es afectada indirectamente por los efectos vasculares de las HT. Las HT reducen la resistencia vascular como consecuencia del incremento en la tasa metabólica y a través de efectos directos sobre las rutas de señalización  que regulan el tono del músculo liso vascular. En particular, las HT regulan a la baja la expresión del receptor vascular tipo I de la angiotensina II (Ang II) y reducen la respuesta contráctil a la Ang II al tiempo que incrementan la producción de óxido nítrico (NO). Las HT, a través de acciones no genómicas, modulan transportadores y canales iónicos, afectando las corrientes de Ca²⁺, Na⁺ y K⁺. La producción de NO también puede ser estimulada de manera no genómica  a través de la activación de la NO sintetasa endotelial (eNOS) mediada por  la ruta PI3K/Akt. Estos efectos no genómicos involucran receptores de membrana, como la integrina αVβ3, o TR citoplasmáticos que pueden estar acoplados a los sistemas de señalización Akt y/o MAPK.

   En combinación con el crecimiento cardiaco, las HT promueven la angiogénesis  y por lo tanto incrementan la densidad de pequeñas arteriolas en la periferia y en la circulación coronaria. La integrina αVβ3 ha sido identificada como blanco de HT para inducir la angiogénesis y una potencial ruta de señalización puede incluir a la cascada MAPK, la proteína quinasa D (PDK) y la histona desacetilasa 5 (HDACS) con su regulación a la baja del gen del factor de crecimiento pro-angiogénesis, factor de crecimiento de fibroblastos básico. Con relación a la 3,5-T2, sus acciones específicas sobre el corazón no son conocidas con claridad, aunque su administración crónica causa agrandamiento cardiaco. No está claro si la 3,5-T2 endógena se origina a partir de la desyodación de HT o si deriva de la tiroglobulina  durante la biosíntesis de HT. Los sitios de unión de la 3,5-T2 no han sido claramente identificados, aunque se conoce que tiene baja afinidad por el TRβ, lo cual podría explicar sus efectos tiromiméticos en dosis altas. Otro blanco importante de las HT es la matriz extracelular. El hipotiroidismo está asociado con fibrosis intersticial y un incremento en el contenido extracelular de agua, provocando un estado conocido como mixedema. El evento molecular básico es el aumento en la producción de glucosaminoglucanos, particularmente ácido hialurónico, con la consiguiente retención de agua. La fibrosis provoca rigidez tisular que contribuye a la alteración de la relajación del miocardio e incrementa la resistencia vascular.

   El primer reporte sobre las propiedades biológicas de la TOAM se publicó hace 50 años y se refiere a un estudio in vitro que demuestra actividad espasmolítica, anti-histamina, anti-serotonina y anti-oxitocina  de la TOAM en el músculo liso y un incremento en la contractilidad cardiaca sin cambios en la frecuencia cardiaca y la presión arterial en el animal intacto. Una década después, otro estudio describe un efecto inotrópico y cronotrópico positivo inducido por la TOAM en el perro. Este efecto hemodinámico es disminuido por el bloqueo adrenérgico, lo cual sugiere que las acciones de TOAM dependen de la liberación de catecolaminas.  Sin embargo,  más recientemente, un estudio en preparaciones de corazón de rata reporta que la TOAM disminuye el gasto cardiaco, pero solo tiene efectos menores sobre la frecuencia cardiaca. Por otra parte, el tratamiento con T1AM  reduce el gasto cardiaco, la presión aortica, el flujo coronario y la frecuencia cardiaca en ratas. Las  respuestas inotrópica y cronotrópica negativas de las tironaminas involucran efectores no genómicos.

    El receptor identificado originalmente como blanco  de T1AM es el receptor asociado con amina-1 (TAAR1). Sin embargo, no está claro si el T1AM produce sus efectos cardiacos  a través del TAAR1, pues al menos cinco diversos subtipos de TAAR son expresados en el corazón de la rata. El T1AM también puede actuar sobre blancos intracelulares. La ruta de transducción iniciada por T1AM puede involucrar la activación de fosfotirosinas fosfatasas con la consiguiente desfosforilación de residuos tirosina. El efecto cardioprotector de T1AM parece depender  de diferentes rutas de señalización. El T1AM modula la susceptibilidad a la isquemia-reperfusión a través de mecanismos involucrados en el pre-condicionamiento isquémico como PKC y canales de K⁺ dependientes de ATP. Un efector clave de las rutas de isquemia-perfusión es la permeabilidad mitocondrial, la cual eventualmente puede ser antagonizada por T1AM. En mitocondrias de hígado de rata, el T1AM opera como bloqueador parcial de la cadena de electrones, afectando por tanto la tasa de consumo de oxígeno y la liberación de especies reactivas de oxígeno (ROS). Dado que estos efectos son abolidos en presencia de antimicina A, es probable que el T1AM reduzca la actividad del complejo III de la cadena de electrones.

   A mediados de la década de 1950 surgió el  interés por los compuestos tiromiméticos con actividad reductora de lípidos, pero sin efectos cardiovasculares. Análogos de HT con alteración en el grupo lateral  del anillo fenólico interno, incluyendo al ácido 3,5,3´, 5-tetrayodotiroacético (tetrac) y al ácido 3,5, 3´-triyodotiroacético (triac), fallaron en estimular la corriente INa en miocitos de rata neonatal y la SERCA de músculo estriado en una concentración 10 nM aunque demostraron ser más potentes que la T4 en la supresión de la liberación de TSH en hipófisis aislada. También se encontró que el tetrac inhibe la angiogénesis mediada por HT a través de la ruta de señalización αvβ3/PKD/HDAC5 que provoca la síntesis de factor de crecimiento de fibroblastos básico. Posteriormente se demostró que tetrac y triac son compuestos endógenos que derivan de la descarboxilación y desaminación de T4 y T3. El triac es transportado a través de la membrana plasmática de los cardiomiocitos para alcanzar los TR nucleares. Es conveniente señalar que el triac se une preferencialmente a la isoforma β de los TR, mientras la isoforma predominante en el miocardio es la TRα1. Clínicamente, esto puede traer beneficios  siempre que la ayuda terapéutica  esté representada por los efectos de TRβ (por ejemplo, efectos metabólicos) con estimulación limitada del corazón. Otro ácido tiroacético relevante es el TA1, el cual ha sido detectado en el cerebro como un compuesto endógeno y es el mayor catabolito producido en la mayoría de tipos de células  después de la administración  de T1AM exógeno, por acción de monoamina oxidasas o amina oxidasas sensibles a semicarbazida. En particular, el TA1  aparentemente  es el producto final  detectado en los cardiomiocitos y corazones de rata perfundidos con T1AM exógeno. Mientras la administración  de TA1 exógeno produce significativos efectos neurológicos y metabólicos en ratones, la administración intraperitoneal de una dosis única (50 mg/kg) o repetida (5 mg/kg por 7 días) no tiene  ninguna acción cardiovascular, a pesar de ser dosis en el rango farmacológico. Por lo tanto, en el corazón, el TA1 puede ser considerado como un producto de inactivación, el cual actúa como un freno con respecto a las HT y sus metabolitos.

   En conclusión, los metabolitos de HT representan una nueva rama  de la señal HT con significativos efectos funcionales. Con relación a las acciones cardiacas, T2, tetrac y triac son capaces de provocar efectos tiromiméticos débiles, mientras el TA1 parece ser inefectivo. Por otra parte, el T1AM exógeno produce efectos inotrópico y cronotrópico negativos y es capaz de incrementar la resistencia a la injuria isquemia-reperfusión. Sin embargo, aún no está claro si los metabolitos de hormonas tiroideas son producidos en los cardiomiocitos o son obtenidos  a partir de la circulación sanguínea.

Fuente: Rutigliano G y Zucchi R (2017). Cardiac actions of thyroid hormone metabolites. Molecular and Cellular Endocrinology 458: 76-81.

Rol de la TSH en la fisiología del esqueleto

El hueso secreta una variedad de hormonas: osteocalcina, osteoprotegerina, factor inhibidor de la osteoclastogénesis, esclerostina y factor de crecimiento fibroblástico 23 (FGF23). Adicionalmente, recientemente se ha descubierto que el microambiente  de la médula ósea actúa como un circuito endocrino con los macrófagos residentes capaces de producir  una variante de la subunidad β de la hormona estimulante de la tiroides (TSH-βv), la cual puede modular la fisiología del esqueleto. El balance durante el remodelado óseo entre la formación de hueso inducida por los osteoblastos y la resorción ósea inducida por los osteoclastos es crucial para la maduración y preservación  de la integridad ósea. Sin embargo, el esqueleto puede ser alterado estructuralmente y funcionalmente por enfermedades, drogas, hormonas extra-óseas, factores de crecimiento y citoquinas. En este contexto, la glándula tiroides hiperactiva está asociada una significativa pérdida ósea y la osteoporosis puede acompañar al estado hipertiroideo. En modelos animales se ha observado que el recambio óseo aumenta y la masa ósea disminuye cuando los niveles de hormonas tiroideas son altos y los niveles de TSH son bajos. En estas condiciones, los niveles circulantes de TSH caen a niveles insignificantes pero los niveles de hormonas tiroideas (T3 y T4) pueden ser altos o normales, lo cual sugiere un rol de la TSH en la prevención de la pérdida ósea.

   La hormona liberadora de tirotropina  (TRH), también conocida como tiroliberina, es sintetizada en el núcleo paraventricular del hipotálamo y regula la síntesis y liberación  de TSH por la hipófisis anterior.  La producción de la subunidad β  en la hipófisis es regulada por factores de transcripción que se unen a CREB  y el factor de transcripción especifico de la hipófisis-1, mientras los niveles  de hormonas tiroideas ejercen retroalimentación negativa. La TSH a su vez actúa a través del  receptor TSHR para inducir la síntesis  y liberación por la glándula tiroides de T4 y una pequeña cantidad de T3. La mayor parte de T3 deriva de la desyodación periférica de la T4. Las hormonas tiroideas ejercen acciones  a través de receptores TR para inhibir la síntesis y secreción de TRH y TSH. Por lo tanto, cuando los niveles de hormonas tiroideas son altos, los niveles de TSH son bajos.  

    La TSH es una proteína heterodimérica  con una cadena α y una cadena β. En el ratón y el humano, la subunidad β  de la TSH exhibe una significativa  homología. En estas especies, la TSH-β contiene 138 aminoácidos,  de los cuales 20 representan al péptido señal y los otros 118 corresponden a la proteína madura. La subunidad α contiene 92 aminoácidos. El gen de la subunidad α tiene un patrón de expresión general mientras la expresión del gen de la subunidad β está restringida a la hipófisis anterior.  Aunque las subunidades TSH-α y TSH-β son transcriptas por genes diferentes, es entendido que la interacción molecular  de las dos subunidades confiere especificidad  a la molécula. La TSH interactúa  con el TSHR acoplado a proteína G en el control de la función tiroidea y también tiene actividad extratiroidea a través de la expresión  de TSHR en una variedad de sitios.

   Los estudios en ratones, demuestran claramente una actividad osteoprotectora asociada con el TSHR, aun cuando la TSH hipofisaria  sea suprimida por el exceso de hormonas tiroidea. Estos datos indican que la actividad intrínseca, constitutiva del TSHR  es capaz de proporcionar  la protección ósea  en ausencia de TSH hipofisaria. Esta posibilidad sugiere otra (s) isoforma (s)  de la molécula TSH en el hueso. En efecto, es conocido desde hace mucho tiempo la existencia de fuentes extra-hipofisarias de TSH. En paralelo con el circuito endocrino hipófisis-tiroides, hay circuitos adicionales relacionados con la TSH que involucran al sistema inmune.  Las células inmunes son capaces de producir TSH  y la variante TSH-βv  es producida por células de la médula ósea, principalmente  macrófagos. En el humano, el gen TSH contiene tres secuencias exónicas, pero el exón-2 desaparece en la TSH-βv. Los estudios moleculares y experimentales sugieren que TSH-β  y TSH-βv son capaces de unirse al TSHR y la afinidad de unión de la TSH-βv es comparable con la de la subunidad TSH-β. En el humano, la TSH-βv es expresada en hipófisis, médula ósea y macrófagos de sangre periférica. Estos datos apoyan el concepto de una molécula similar a TSH en tejidos extra-hipofisarios, la cual puede unirse al TSHR en osteoblastos y osteoclastos para iniciar la proliferación y diferenciación de estas células.

   El gen TSHR humano, clonado en 1989,  se localiza en el cromosoma 14q-3 y codifica a un receptor transmembrana acoplado a proteína G. El TSHR es el más grande de los receptores glucoproteicos y es descrito como un receptor acoplado a proteína G con G_αs y G_αq como efectores primarios y con actividad constitutiva, la cual es aumentada por la TSH. El promotor 5´es necesario para conferir expresión especifica en la glándula  tiroides y autorregulación por cAMP. Es bien conocido que además de la cascada de señalización G_αscAMP/proteína quinasa A/ERK, la TSH activa redes de señalización G_αq AKT/proteína quinasa C/Ca²⁺ principalmente en altas concentraciones. Aunque el TSHR es importante para el crecimiento y la función  de la glándula tiroides, tiene un perfil de expresión que incluye linfocitos, macrófagos, corazón, tejido adiposo, fibroblastos y hueso.

   Los osteoblastos llevan a cabo varias funciones incluyendo formación de hueso, soporte para la adherencia de músculos y reservorio  para minerales como fósforo y calcio. Los osteoblastos contribuyen al nicho de la médula ósea y también están involucrados en la acción de la insulina. Adicionalmente, los osteocitos derivados de los osteoblastos producen FGF23. La formación de osteoblastos  requiere una serie de etapas secuenciales  a partir de los precursores. Una vez formado el hueso, los osteoblastos se diferencian en osteocitos.  La TSH induce genes involucrados en la regulación y diferenciación  de stem cells mesenquimales en la médula ósea.  La inhibición del mRNA de la proteína relacionada con el receptor de lipoproteína de baja densidad 5 por la TSH  sugiere un rol de la TSH en la osteoblastogénesis. La TSH  activa la señal Wnt-5a en la diferenciación de osteoblastos. La TSH también estimula la proliferación y diferenciación de osteoblastos. Recientemente, se ha demostrado que la TSH estimula a la  arrestina I, lo cual provoca la activación  de moléculas de señalización intracelular como ERK, p38, MAPK y AKT.

   Los osteoclastos se diferencian a través de colonias de stem cells hematopoyéticas. El factor estimulante de colonias (CSF) también estimula la expresión del receptor activado por NF-κB (RANK). El ligando de RANK (RANKL) es esencial para la formación, función y supervivencia de los osteoclastos. Más aún, la señal RANKL/RANK induce al factor nuclear κB (NF-κB) y al factor nuclear de células T activadas 1, los cuales provocan  la diferenciación de osteoclastos. Los osteoclastos reabsorben matriz ósea y mineral. Ellos se adhieren al hueso a través de integrinas αVβ3 e interactúan con proteínas de la matriz ósea. Estas interacciones  forman extensiones citoplasmáticas con procesos similares a dedos conocidos como bordes fruncidos, los cuales incrementan el área de superficie cuando contacta con el hueso y a través de ellos, los osteoclastos secretan HCl a partir de vacuolas acídicas. El HCl disuelve el mineral óseo y también activa  hidrolasas ácidas como la catepsina K para degradar la matriz ósea. Estudios recientes indican que la TSH reduce la osteoclastogénesis. Estudios en animales reportan que los ratones que carecen  de TSHR exhiben osteoporosis  debido a un incremento en la formación de osteoclastos. Por otra parte, el RANKL estimula la expresión endógena de factor de necrosis tumoral α (TNFα) que incrementa la formación de osteoclastos. La TSH regula a la baja la transcripción  de TNFα inducida por RANKL.

   Los osteocitos representan 90-95% de las células óseas y se permanecen embebidos en la matriz ósea por décadas. En la matriz mineralizada, los osteocitos residen en lagunas y extienden sus procesos dendríticos  a través de canalículos para formar una red que conecta con células en la superficie ósea y vasos sanguíneos. Sin embargo, es pobremente entendido cómo los osteoblastos quedan embebidos en la matriz ósea  y comienzan a convertirse en osteocitos. Los osteocitos son reconocidos como el mayor orquestador  de la actividad ósea, particularmente porque secretan una glucoproteína  de 190 aminoácidos que disminuye la formación de hueso  a través de la inhibición de la diferenciación terminal  de osteoblastos al tiempo que promueve la apoptosis. Los osteocitos también regulan la fisiología de los osteoblastos controlando la actividad de osteoblastos y osteoclastos durante el remodelado óseo. El estrés mecánico  y el microdaño estimulan a los osteocitos para que liberen citoquinas, señales quimiotácticas o para inducir su apoptosis. Un incremento en el estrés mecánico estimula la formación de hueso a través de la actividad  de los osteoblastos, mientras el microdaño resulta en resorción ósea inducida por actividad de osteoclastos. Esta capacidad mecano-sensora  de los osteocitos les permite controlar el remodelado óseo a través de la regulación de osteoblastos y osteoclastos vía ruta RANKL/RANK y modulación de la señal Wnt. Los efectos de la TSH sobre los osteocitos son pobremente conocidos.

   En estudios con humanos, los bajos niveles de TSH se correlacionan con baja densidad mineral ósea, especialmente en mujeres postmenopausicas, y con un incremento en el riesgo de fractura de cadera en mujeres eutiroideas. Estos estudios también demuestran que la duración de la supresión de TSH es un predictor de fracturas osteoporóticas. Por otra parte, la TSH se correlaciona inversamente con marcadores de recambio óseo.

   En conclusión, las subunidades TSH-β y TSH-βv son producidas a través de circuitos neurales centrales en las células tirotropas  de la hipófisis y son reguladas negativamente por la T3 producida por la glándula tiroides. Sin embargo, en el sistema inmune periférico, solamente es producida la TSH-βv por macrófagos de la médula ósea y aparentemente es regulada positivamente por la T3, y en presencia de sobre actividad tiroidea se acentúa la regulación. La TSH intacta ejerce efectos anabólicos y osteoprotectores sobre el hueso a través de la estimulación de la diferenciación de osteoblastos  y la inhibición de la formación de osteoclastos. Dado que el TSHR es ampliamente distribuido en las células óseas, la producción de TSH-βv por los macrófagos sugiere la existencia de un circuito TSH-TSHR local  que regula la fisiología ósea.

Fuente: Baliram R et al (2017). Expanding the role of thyroid-stimulating hormone in skeletal physiology. Frontiers in Endocrinology 6:252.

Efecto antidiabético del BDNF

El factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF) es un miembro de la familia neurotrofina (NT)  que juega un importante rol  en el desarrollo del  sistema nervioso central (SNC). El BDNF regula la maduración, la conexión sináptica, la reparación neuronal y la plasticidad en muchos grupos de neuronas del SNC y el sistema nervioso periférico. Adicionalmente, el BDNF también influye en la patología y el tratamiento de enfermedades neurológicas. Por otra parte, varios estudios reportan una asociación entre BDNF plasmático y condiciones inflamatorias sistémicas o periféricas, como síndrome coronario agudo y diabetes mellitus tipo 2 (T2DM). Recientemente, el BDNF ha recibido mucha atención, con relación a un posible rol  en la protección  contra la progresión  de la T2DM. Algunos estudios  sugieren que el BDNF puede ser un futuro blanco para el desarrollo  de nuevas terapias antidiabéticas.

   Los receptores de superficie celular del BDNF como el p75NT (p75^NTR), miembro de la familia del receptor del factor de necrosis tumoral, y el receptor tirosina quinasa B (TrKB), miembro de la familia de quinasas relacionadas con la tropomiosina, median funciones opuestas en las neuronas. El pro-BDNF tiene una alta afinidad por el p75^NTR y estimula la apoptosis neuronal. Por el contrario, el BDNF maduro, considerado la forma biológicamente activa,  tiene una gran afinidad por el  receptor TrKB. El BDNF promueve el desarrollo y la diferenciación  de neuronas, la supervivencia celular y la plasticidad sináptica. Hay dos isoformas del receptor TrKB abundantemente expresadas en el cerebro: el TrKB de  longitud completa (o simplemente TrKB)  y el trKB truncado. El BDNF activa cascadas de señalización intracelulares a través del TrKB para  inducir proliferación y supervivencia neuronal. El TrKB truncado regula la concentración extracelular de BDNF y activa rutas de señalización intracelulares. El TrKB truncado induce el crecimiento  de neuritas a través de mecanismos independientes de BDNF. Aunque el mecanismo no está claro, es mutuamente inhibitorio con el crecimiento mediado por  el TrKB. Además del sistema nervioso, el TrKB está presente en numerosas células/tejidos como el miocardio y las células α del páncreas. En los mamíferos, BDNF y TrKB,  producidos y liberados en varios núcleos de hipotálamo e hipocampo, están involucrados en la homeostasis energética y de la glucosa. Es conocido que la estimulación  del receptor melanocortina-4 (MC₄R) disminuye la ingesta de alimentos e incrementa el gasto de energía. Más aún, varios estudios reportan que el BDNF es un importante mediador de la activación de la ruta de señalización melanocortinérgica, la cual es ampliamente expresada  en el hipotálamo ventromedial donde su expresión es regulada por la señal MC₄R.  Aunque el BDNF está presente principalmente en el sistema nervioso, también se encuentra en células endoteliales, músculo esquelético, hígado, tejido adiposo y células del sistema inmune. Adicionalmente, el BDNF es almacenado en grandes cantidades en plaquetas. Sin embargo, la regulación del BDNF en sangre periférica es pobremente entendida.

   El BDNF es una proteína clave en la regulación de la ingesta de alimentos y el control del peso corporal. En 1992, se demostró por primera vez que la infusión intracerebroventricular (icv) crónica de BDNF atenúa la ganancia de peso  en ratas. Estudios posteriores confirmaron la reducción de la ingesta de alimentos inducida por BDNF. Además del rol clave en la regulación de la ingesta de alimentos, el BDNF  está relacionado con la regulación de los niveles de glucosa. La administración intermitente de BDNF durante tres semanas reduce significativamente las concentraciones sanguíneas de glucosa y hemoglobina glucosilada (HbA1c) en ratones db/db que se caracterizan por tener receptores no funcionales de leptina. Asimismo, en estos ratones, la administración icv  de BDNF disminuye la glucosa sanguínea a niveles normoglucémicos  e incrementa la secreción pancreática de insulina. En islotes de Langerhans de ratón, el BDNF regula a la baja la secreción de glucagón a través de receptores TrKB. Los estudios en humanos también demuestran el rol clave del BDNF en la homeostasis energética. Estos datos sugieren que el BDNF puede aumentar el gasto de energía y mejorar el balance sistémico de glucosa y la sensibilidad a la insulina. Por lo tanto, el BDNF puede ser usado en la prevención y el manejo  de la T2DM.

   Los experimentos en animales y las investigaciones clínicas han demostrado que el BDNF juega un rol importante en la T2DM. Un estudio en 233 pacientes con T2DM reporta disminución de los niveles plasmáticos de BDNF  en comparación con sujetos no diabéticos. Más aún, los niveles de BDNF se correlacionaron negativamente  con los niveles de glucosa en ayunas  y el marcador HOMA-IR (una medida indirecta de resistencia a la insulina). Es posible que los niveles circulantes de BDNF  sean regulados negativamente en respuesta a los niveles plasmáticos de glucosa. Otro estudio reporta una relación inversa entre los niveles de BDNF y la duración de la enfermedad. Un dato interesante de este estudio es que los niveles de BDNF  de pacientes femeninas fueron significativamente mayores  que los correspondientes a pacientes masculinos. Muchos estudios reportan que los estrógenos modulan la expresión de BDNF. Ratones hembras ovariectomizadas tratadas con estradiol por 10 días incrementaron la expresión de BDNF en comparación con ovariectomizadas que recibieron inyección con vehículo. Es bien conocido que las hormonas sexuales juegan un rol clave en el metabolismo de la glucosa y tienen un impacto significativo  en el desarrollo de resistencia a la insulina y T2DM. Estos hallazgos sobre las hormonas sexuales pueden explicar la diferencia de género  de los niveles de BDNF en pacientes con T2DM.

   La inflamación juega un rol clave  en la resistencia a la insulina y la T2DM. La inflamación de grado bajo ha sido descrita como un factor de riesgo del futuro desarrollo  de T2DM. Muchos estudios han demostrado una asociación de niveles de BDNF y condiciones inflamatorias. El nivel plasmático de BDNF  se correlaciona positivamente con citoquinas inflamatorias como la proteína C reactiva de alta sensibilidad (hs-CRP) y el interferón gamma (IFN-γ) en los pacientes con hemodiálisis. Esta observación puede sugerir que el BDNF plasmático  refleja la condición inflamatoria urémica en los pacientes con hemodiálisis. Otro estudio reporta una correlación positiva entre los niveles plasmáticos  de BDNF y leucocitos en pacientes diabéticos. Adicionalmente, se describe una correlación significativa entre disminución de la concentración de BDNF y CRP en pacientes con T2DM independiente de obesidad. El BDNF periférico es almacenado en grandes cantidades en las plaquetas y la concentración plasmática de BDNF puede ser atribuida a su liberación  por las plaquetas  a través de la activación o el proceso de coagulación. La T2DM es un estado de hipercoagulación  y está asociado con hiperreactividad de las plaquetas. La etiología de la alta reactividad de las plaquetas es compleja y está relacionada con disturbios metabólicos, hiperglucemia e inflamación coexistente. En particular, la reactividad plaquetaria aumenta y los marcadores de inflamación y coagulación tienen concentraciones mayores  en los pacientes con T2DM en comparación con sujetos sanos. Un estudio reciente demuestra que los productos finales de la glicación  avanzada (AGE), los cuales son expresados en plaquetas humanas y se encuentran elevados en pacientes con T2DM, tiene efectos adversos  sobre las funciones cardiovasculares. La liberación de BDNF inducida por AGE es un sistema de defensa biológica en la fase temprana  de la diabetes  y la elevación crónica de AGE puede inducir la depleción  de BDNF en las plaquetas durante la progresión  de la T2DM.

   El incremento en el riesgo  de T2DM en la obesidad puede ser parcialmente descrito por la función alterada del tejido adiposo, el cual es un órgano endocrino que secreta adipocitoquinas activas como leptina, resistina y adiponectina. Estas adipocitoquinas son importantes en la regulación de la homeostasis, el metabolismo de lípidos y carbohidratos y la inflamación. La leptina es una hormona peptídica  y actúa en el hipotálamo provocando disminución del apetito e incremento del gasto energético, modulando por tanto el metabolismo y el peso corporal. La expresión de BDNF en el hipotálamo es regulada por la leptina, la insulina y la glucosa. La baja expresión de BDNF de BDNF en el núcleo ventromedial del hipotálamo está asociada con un incremento en la secreción de leptina y la masa grasa visceral  en ratas con T2DM.  La administración de BDNF disminuye significativamente los niveles plasmáticos de peptina concomitantemente con la supresión del apetito en ratas con T2DM e hiperleptinemia. Otro estudio reporta que la administración repetida de BDNF disminuye significativamente la concentración plasmática de leptina en ratones con obesidad inducida por dieta. Por otra parte, los estudios en humanos demuestran una correlación inversa entre BDNF y adiponectina y una correlación positiva entre BDNF  y leptina. Estos hallazgos indican que el BDNF y la leptina pueden jugar roles importantes  en la regulación central  del metabolismo energético  y que la desregulación  de la señal BDNF  resulta en obesidad.

   En conclusión, el BDNF puede aumentar el gasto de energía, mejorar el balance sistémico de glucosa y la sensibilidad a la insulina. El BDNF también puede ser útil en la prevención  y el manejo de la T2DM. Diversos estudios reportan los efectos antidiabéticos y antilipidémicos  del BDNF. Las plaquetas son la fuente principal del BDNF periférico. El estado inflamatorio crónico,  el incremento en la actividad del sistema inmune y la alteración de citoquinas inflamatorias circulantes en T2DM están asociados con la expresión de BDNF.

Fuente: Eyileten C et al. (2017) Antidiabetic effect of brain-derived neurotrophic factor and its association with inflammation in type 2 diabetes mellitus. Journal of Diabetes Research, Article ID 2823671.

Ritmos circadianos y estrés

En los mamíferos, el reloj circadiano (RC) está basado en un oscilador molecular presente virtualmente en todas las células del cuerpo. El RC está construido a partir asas de retroalimentación transcripcional-translacional (ATT) que generan oscilaciones autosostenidas a nivel celular. El “core” de la ATT está compuesto  por los genes Bmal1 (brain and muscle  arnt-like 1), Clock (circadian locomotor output cycles kaput), Cry (cryptochrome)1/2 y Per (period) 1-3. Las proteínas BMAL1 y CLOCK forman el brazo positivo  del “core” de la ATT. Ellas pertenecen a la familia  de factores de transcripción hélice-asa-hélice y actúan como heterodímeros que se unen a los elementos reguladores E-box en los promotores de los genes Cry y Per, activando la transcripción de Per y Cry. Las proteínas PER y CRY constituyen el brazo de retroalimentación negativa del “core” de la ATT. En el curso del día ellas se acumulan en el citoplasma y forman complejos que se trasladan al núcleo en donde inhiben la transcripción mediada por BMAL1/CLOCK. Antes del próximo ciclo pueda comenzar, el heterodímero BMAL1/CLOCK tiene que ser reactivado. Esto es activado por la degradación proteasomal del complejo represor PER y CRY. PER1 y PER2 son sometidos a fosforilación mediada por las proteínas caseína quinasas 1 delta y épsilon. Esta fosforilación permite la ubiquitinización y la posterior degradación por el sistema ubiquitina proteasoma. Similarmente, la proteína quinasa activada por adenosina monofosfato (AMPK) y la glucógeno sintetasa quinasa 3 beta (GSK3β) fosforilan a CRY1 y CRY2, respectivamente, antes de la ubiquitinización y degradación. La disminución de los niveles de CRY y PER termina la represión  de la activación transcripcional  mediada por BMAL1/CLOCK, lo cual permite que el reloj pueda moverse  hacia el próximo ciclo.

   Además del asa central hay asas de retroalimentación accesorias y niveles adicionales de regulación para estabilizar las oscilaciones moleculares. La ATT accesoria más prominente  consiste de eritroblastoma reversa (Rev-Erbα/β) y el receptor orfan relacionado con el receptor  de ácido retinoico (RORα-γ) que también contienen E-box en sus regiones promotoras. El heterodímero BMAL1/CLOCK  se une a estos E-boxes y activa la transcripción de Rev-Erb y ROR. A su vez, las proteínas REV-ERB ejercen retroalimentación negativa, inhibiendo la transcripción de BMAL1. Por el contrario, las proteínas ROR son reguladores positivos y compiten con REV-ERB por los sitios de unión en los elementos de respuesta del receptor retinoide orfan (RORE) en el promotor Bmal1. Las proteínas REV-ERBα y β son funcionalmente redundante y son considerados esenciales para oscilación de Bmal1. Las proteínas ROR tienen una función moderadora, pero no son indispensables para la transcripción rítmica de Bmal1.

   La maquinaria del reloj molecular está presente en todas las células del organismo que tienen núcleo. Para sincronizar los osciladores de las células unos con otros, el sistema circadiano está organizado de una manera jerárquica. Un reloj master reside en el núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo. El NSQ recibe, a través del tracto retino-hipotalámico, información de la luz ambiental que llega a las células que expresan melanopsina en la retina. La información del tiempo es transmitida luego a los tejidos periféricos subordinados a través de señales humorales y neuronales. De esta manera todas todos los relojes periféricos son coordinados por el reloj master. 

   En los osciladores periféricos, las glándulas suprarrenales  tienen un rol especial pues el reloj circadiano adrenal puede influir en los ritmos de otros tejidos periféricos  a través de la liberación rítmica  de hormonas con propiedades moduladoras del reloj circadiano. La glándula adrenal está compuesta de una corteza externa y una médula interna. La médula libera catecolaminas (adrenalina y noradrenalina), mientras la corteza secreta mineralocorticoides en la zona glomerulosa, glucocorticoides (GC) en la zona fasciculada y esteroides sexuales en la zona reticular. El cortisol es el principal GC en los humanos y exhibe una oscilación circadiana con un pico en los niveles sanguíneos antes del inicio de la fase activa (temprano en la mañana). Al ritmo circadiano de los GC  se superpone a una fuerte pulsatilidad ultradiana con períodos de alrededor de una hora y una amplitud que varía considerablemente durante el día. La secreción de GC es estimulada por la hormona adrenocorticoptropa (ACTH), la cual se une a receptores melanocortina-2 en la glándula adrenal. La ACTH, a su vez, es secretada por la hipófisis anterior  por acción de la hormona liberadora de corticotropina (CRH), producida en el núcleo paraventricular (NPV) del hipotálamo. Estos tejidos  y factores constituyen el eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA). Las oscilaciones circadianas son detectables en todos los componentes (CRH, ACTH y GC). Sin embargo, no está claro si la actividad rítmica del eje HHA  es necesaria para el ritmo circadiano de secreción de GC. Por una parte, el ritmo adrenal persiste  después de la hipofisectomía, cuando ninguna ACTH está presente. Por otra parte, la ACTH es capaz de “resetear” el ritmo de GC dependiente de fase. Adicionalmente, el eje HHA recibe impulsos directos  del NSQ a través del NPV del hipotálamo y el NSQ controla el ritmo de GC. El patrón circadiano de la secreción de GC puede ser abolido por disruptores específicos del reloj circadiano en la glándula adrenal, lo cual sugiere  que el reloj de este tejido periférico gobierna el patrón de secreción de GC.

   Los GC actúan  a través de los receptores mineralocorticoide (MR) y glucocorticoides (GR), receptores nucleares tipo 1 con amplia expresión en el cuerpo, con excepción del NSQ. La señal GR puede mediar el “reseteo” de relojes periféricos, resaltando el rol especial del ritmo GC en la coordinación de la red circadiana del organismo. Por ejemplo, el análisis de hígado de ratón revela 100 genes rítmicos cuya oscilación depende directamente de la señal adrenal y la ritmicidad de estos genes se pierde con la adrenalectomía. Por otra parte, en ratones, en un modelo de jet lag causado por un abrupto cambio de fase de las condiciones de luz, el ritmo GC puede modificar la cinética de entrenamiento en la nueva zona del tiempo. Las GC pueden también estabilizar ritmos periféricos contra perturbaciones externas. La restricción del tiempo de alimentación puede inducir cambios de fase en los tejidos periféricos y los relojes periféricos se desacoplan  del reloj master en el NSQ. El sistema circadiano es más robusto contra esas perturbaciones cuando los niveles de GC son altos.

   Los GC, además de su rol en la coordinación circadiana, son importantes vectores del sistema estrés. El término estrés se refiere a una alteración externa o interna que requiere una adecuada reacción del organismo para la supervivencia, o en casos menos drásticos, para evitar el dolor o disconfort. Un elaborado sistema de respuesta se activa cuando el organismo es expuesto al estrés. Este sistema involucra una respuesta inmediata a través de la activación  del sistema nervioso autónomo (SNA) y la liberación de GC mediada por el eje HHA. Los sistemas sensoriales pueden colectar información  acerca de eventos estresantes (por ejemplo, una disminución del volumen sanguíneo o cambios en la composición de la sangre) y enviarla al tallo cerebral. A partir de aquí, se regula la activación del SNA o el eje HHA. En el caso del eje HHA, la activación mediada por estrés dispara la producción  y liberación de GC en la glándula adrenal. Las señales del hipocampo, la corteza prefrontal o la amígdala  son transferidas al NPV para estimular la secreción de CRH e iniciar la activación del eje HHA. El hecho que los GC necesiten ser sintetizados nuevamente  después de cada descarga  provoca cierto retardo en la respuesta efectora final. Por lo tanto, la dinámica es más lenta (en el rango de minutos) en comparación con la activación del SNA que ocurre segundos después de iniciado el estrés.

   La exposición a un estresor  resulta en un incremento inmediato de catecolaminas a través de la activación  de neuronas preganglionares simpáticas  en la medula espinal. La señal es luego transferida a las neuronas postganglionares que se proyectan a los órganos efectores periféricos que responden con la clásica respuesta de lucha-o-huida (por ejemplo, incremento de la frecuencia cardiaca y la presión arterial, vasoconstricción, estimulación de glándulas sudoríparas, etc.) o a nervios preganglionares continuos como los nervios esplácnicos en los órganos efectores periféricos. Los nervios esplácnicos constituyen un  sitio cercano a la médula adrenal, órgano en donde se inicia la liberación de catecolaminas. La respuesta aguda al estrés termina con la activación de reflejos parasimpáticos y la retroalimentación negativa de los GC que detiene la liberación  de CRH y ACTH por el hipotálamo y la hipófisis anterior, respectivamente. Aunque el SNA y el eje HHA son dos diferentes ramas del sistema estrés y sus dinámicas son bastante diferentes, ambos actúan conjuntamente para coordinar una apropiada respuesta al estrés. Por ejemplo, para responder  a ciertos estresores, la activación del eje HHA es apoyada por proyecciones adrenérgicas y noradrenérgicas del cerebro anterior al NPV. El ritmo circadiano  y los aspectos mediados por el estrés juegan un rol importante en la regulación de la actividad del eje HHA y los niveles de GC. La secreción de GC puede ser afectada por la inervación simpática adrenal y la ACTH  del eje HHA puede estimular la secreción de noradrenalina. De esta manera, el SNA y el eje HHA están interconectados por aspectos circadianos.

   El estrés afecta al cuerpo a través de una compleja red  de cascadas de señalización  que regulan la vulnerabilidad al –y la severidad  del- estrés. En principio, hay que distinguir entre la respuesta aguda que prepara al cuerpo para una acción rápida y el estrés repetido  que induce alteraciones y adaptaciones más amplias, las cuales están asociadas  con cambios en el metabolismo energético y un elevado riesgo de trastornos psiquiátricos. Es conocido que la respuesta del eje HHA  es modulada por el tiempo del día. Las disrupciones del reloj circadiano  están asociadas con alteraciones de la actividad del eje HHA y las concentraciones de GC así como también con alteraciones metabólicas y depresión. Por otra parte, BMAL1 y CRY  no solo tienen funciones opuestas en la ATT, también interactúan con el eje HHA  en diferentes niveles  y pueden afectar distintos aspectos  de la respuesta al estrés a lo largo del día. En roedores, la sensibilidad adrenal a  la ACTH es elevada durante la fase activa. En el tiempo del día cuando el eje HHA es más sensible a la estimulación, la exposición a estresores físicos  como hemorragia, hipoglucemia o estrés oxidativo provoca un mayor incremento en GC circulantes que en otros periodos  del día. Sin embargo, durante la fase inactiva, cuando el eje HHA debe responder menos, el estrés  resulta en un fuerte incremento en la liberación de GC y ACTH. En contraste con el estrés agudo, la exposición crónica o repetida a un estresor provoca adaptaciones de mayor duración en el cuerpo (por ejemplo, en el metabolismo energético) y puede favorecer el desarrollo de trastornos metabólicos o psiquiátricos en humanos y roedores. En la moderna sociedad humana, el estrés se origina predominantemente a partir de interacciones sociales  y usualmente involucra poca acción psicológica.

   La disrupción circadiana inducida por factores ambientales (por ejemplo, la exposición constante a la luz) puede ser considerada como estresor pues altera la liberación de catecolaminas y GC. Considerando que las disrupciones del ritmo circadiano son más frecuentes con los cambios de turno de trabajo, es importante reconocer que también afectan la actividad del eje HHA y pueden contribuir a una variedad de trastornos relacionados con el estrés. El más potente estresor circadiano es la luz. Un corto pulso de luz administrado a roedores durante la noche subjetiva puede provocar un incremento en los niveles plasmáticos de corticosterona 60 minutos después del inicio de la estimulación. Los cambios repetidos en el inicio de la luz del día (paradigma de jet lag) o exposición constante a la luz están asociados con hipercortisolismo. Otro potencial estresor circadiano es la ingesta de alimentos. En ratones, la ingesta de alimentos  en una fase circadiana no natural altera el ritmo de liberación de GC. Las disrupciones circadianas  y la exposición repetida a un estresor tienen consecuencias patológicas comparables, las cuales incluyen en otras, respuestas inmunes comprometidas, trastornos cognitivos, disrupción metabólica, crecimiento tumoral acelerado y envejecimiento acelerado. Sin embargo, aún no está claro si la desregulación de GC proporciona el enlace causal entre la disrupción circadiana y esas patologías.

   Los efectores del sistema estrés también afectan la regulación circadiana. Los GC y la adrenalina  pueden actuar como sincronizadores  de los relojes circadianos tisulares, pero hay numerosas maneras adicionales  cómo el estrés afecta al sistema circadiano. Los efectores de la respuesta al estrés  actúan a través de receptores específicos. En el caso de los GC, esto ocurre principalmente  a través de receptores GR expresados en casi todos los órganos y tejidos con excepción del NSQ. En consecuencia, el NSQ no está sometido a sincronización por retroalimentación directa  de los GC. Para la señal GR, hay varias rutas clásicas que influyen en la expresión de genes,  rutas no clásicas  y rutas no genómicas. Entre las rutas de señalización clásicas, los dímeros GR pueden interactuar  con elementos de respuesta de glucocorticoides localizados en regiones reguladoras  de los genes blancos de GC. El GR activa la transcripción de estos genes. El GR puede interactuar con otros factores de transcripción como el factor nuclear-κB (NF-κB), la proteína activaora-1 (AP-1) o STAT5. Esto también activa la transcripción de genes. Demás de la transcripción, es también posible la transrepresión  de genes regulados negativamente mediada por la unión del GR a elementos de repuesta negativa.  Una tercera opción es la interacción del GR con el ADN. La ruta  de señalización no clásica del GR  actúa independientemente de la transcripción y la expresión de genes. La ruta no genómica de la señal GR actúa alterando la actividad de  varias quinasas, incluyendo PI3K, Akt y MAPK. En situaciones de estrés agudo, las rutas de señalización no genómicas son más pronunciadas porque las respuestas tienen que ser rápidas. Por el contrario, las rutas de señalización genómicas median las respuestas del estrés crónico y las adaptaciones a largo plazo para incrementar las concentraciones de GC. No se conoce  si las rutas no genómicas de la señal GR  inciden sobre la función del reloj circadiano, pero proteínas como la MAPK afectan la función del reloj circadiano en varios contextos.

   En conclusión, en los mamíferos, un marcapaso localizado en el NSQ del hipotálamo recibe información de la luz ambiental y sincroniza los relojes de los tejidos periféricos  al tiempo geofísico. El reloj circadiano influye fisiológicamente y conductualmente en diferentes niveles promoviendo  numerosas enfermedades en condiciones asincrónicas. En roedores, la conexión entre  el sistema circadiano  y la respuesta al estrés está bien caracterizada. Los sistemas del estrés como el eje HHA y el SNA reciben impulsos circadianos y son importantes para la regulación de las respuestas al estrés. Los estudios recientes sugieren que la respuesta al estrés  varía en el curso del día y que el estrés es capaz de afectar la regulación del reloj circadiano.

Fuente: Koch CE et al. (2017). Interaction between circadian rhythms and stress. Neurobiology of Stress 6: 57-67.