Exosomas y homeostasis ósea

El hueso es un tejido compuesto, cuya matriz contiene  proteínas y minerales, que constantemente es modelado y remodelado a través de la coordinación de osteoclastos, osteoblastos y osteocitos. Los osteoclastos derivan de células del linaje mieloide hematopoyético mononuclear y son responsables de la resorción ósea. Los osteoblastos comprenden 4-6% del total de células residentes en el hueso y son responsables de la formación de hueso. Los osteocitos, las células más abundantes en el hueso, derivan de los osteoblastos y están embebidos en la matriz ósea mineralizada. Los osteocitos juegan un rol crítico como sensores de la carga mecánica y regulan las funciones de osteoclastos y osteoblastos. La interacción y coordinación de estas células son importantes para el mantenimiento de la homeostasis ósea. La formación de hueso usualmente comienza con la muerte de los osteocitos. Los osteocitos apoptósicos  liberan moléculas bioactivas, las cuales inducen a los osteocitos viables a secretar el ligando del receptor activador del factor nuclear κB (RANKL), el cual es importante para la diferenciación de los osteoclastos. Seguidamente, los precursores de los osteoclastos son reclutados por quimioquinas como la proteína quimioatrayente de monocitos (MCP) -1, -2 y -3. La unión del RANKL con el receptor activador del factor nuclear κB (RANK) en la superficie de los monocitos inicia la osteoclastogénesis. Los osteoblastos, por su parte,  producen moléculas bioactivas incluyendo al factor estimulante de colonias de macrófagos (M-CSF), MCP-1 y RANKL para el reclutamiento y diferenciación de los precursores de los osteoclastos. Mientras se resorbe el hueso dañado, los osteoclastos espontáneamente secretan “factores de acoplamiento”, como el factor de crecimiento similar a insulina (IGF) I y II y el factor de crecimiento transformante (TGF) β, los cuales son mediadores del relleno de la laguna de resorción por parte de los osteoblastos. La formación de hueso se completa cuando la nueva matriz ósea extracelular-mineralizada reemplaza completamente a la matriz ósea resorbida.

   Los exosomas, las microvesículas y los autofagosomas son tres vesículas extracelulares (VE) identificadas recientemente. La historia de los exosomas  comienza en 1877 cuando se detectaron por primera vez  partículas derivas del suero. En 1939 se demostró que la principal masa de esas partículas son los lípidos. La función de los componentes de las vesículas celulares permaneció desconocida hasta 1969 cuando el hallazgo de cristales en la matriz ósea sugirió la participación de vesículas de matriz derivadas de cartílago en la calcificación. Cinco años más tarde, en 1974, las microvesículas fueron detectadas en suero fetal  de carnero, última clase de VE  detectada antes que fueron definidos los exosomas.  En 1981, el término exosoma fue usado por primera vez para describir partículas entre 50 y 1000 nm. En 1983, se demostró que los exosomas derivados de  reticulocitos podían fusionarse con la membrana plasmática y liberar su contenido por exocitosis. En 1985, el uso de microscopía electrónica proporcionó evidencia de la externalización de los exosomas. En 1987 se describió la formación de exosomas y por primera vez se mencionan las vesículas intracelulares de endosomas multivesiculares (EMV). El análisis de las características de los exosomas se desarrolló rápidamente en la primera década posterior a la definición de exosoma. Sin embargo, la función de los exosomas permaneció desconocida por mucho tiempo.  Un avance notable en la investigación sobre los exosomas tuvo lugar en 1996 cuando  exosomas enriquecidos con péptidos del complejo mayor de histocompatibilidad (MCH) tipo II liberados por células B fueron detectados en células T. Este hallazgo describió por primera vez el rol del exosoma en la comunicación célula-célula. Sobre la base de este dato, fueron investigados sucesivamente  exosomas derivados de células dendríticas (CD) y exosomas derivados de tumor. Estos dos estudios demostraron las interacciones entre CD y células tumorales. Los exosomas derivados de CD pueden suprimir el crecimiento de los tumores y los exosomas derivados de tumor que contienen antígenos de rechazo de tumor pueden ser transportados por CD para la protección contra los tumores. En los últimos años, la investigación sobre exosomas se ha acelerado, especialmente en estudios sobre la función de los exosomas. Actualmente, los exosomas constituyen el grupo  de vesículas secretadas por membrana más claramente definido, característicamente contienen ácidos nucleicos y proteínas para señalización celular. Fisiológicamente, los exosomas son críticos para la función del sistema inmune relacionada con las respuestas estimuladora y tolerogénica. Los exosomas también están involucrados en la reparación y regeneración del tejido dañado. Más aún, también están involucrados en la regulación de mediadores inflamatorios. En conclusión, los exosomas son reguladores claves de varias funciones celulares y fisiológicas.

   Los exosomas derivados del hueso son considerados esenciales para la comunicación entre las células óseas. La transferencia de ácidos nucleicos y proteínas mediada por exosomas juega un rol vital en la regulación de la homeostasis ósea. La historia de los exosomas derivados del hueso es relativamente reciente. En 1975, partículas extracelulares de membrana fueron reportadas por primera vez en la médula ósea con una posible relación entre  vesículas extracelulares derivadas de mieloma múltiple y daño de tejido óseo. En 1979, VE derivadas del hueso normal fueron detectadas por microscopia. En 1980, los investigadores propusieron que las vesículas derivadas de osteoblastos servían como sitio inicial de calcificación.  En 2013, se demostró que los precursores de los osteoclastos liberan exosomas. Este hallazgo fue el inicio de las investigaciones sobre exosomas de otras células óseas. En 2016, fueron demostradas las características y actividades reguladoras de los exosomas derivados de osteoclastos. En 2017, fue reportada la  existencia de  exosomas derivados de osteocitos. Actualmente, los datos de las investigaciones sobre  exosomas derivados del hueso han proporcionado los detalles de las interacciones célula-célula en el hueso.

   La función y las características biológicas de los exosomas son determinadas por sus contenidos específicos. Entre los componentes de los exosomas, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos son las tres principales moléculas que determinan la especificidad de los exosomas que los distingue de las otras VE. Los lípidos son los principales componentes del esqueleto del exosoma y están involucrados en la biogénesis de exosomas. Varios lípidos de los exosomas han sido investigados en los últimos años. En un estudio de exosomas derivados de células cancerosas se identificaron más de 520 lípidos de 36 clases diferentes. Los lípidos generalmente son enriquecidos  en la membrana de los exosomas. Los principales lípidos no polares en la membrana plasmática son los esteroles, los cuales son enriquecidos en los cuerpos multivesiculares (CMV). Los esfingolípidos también son importantes para la construcción de la membrana de los exosomas, con la esfingomielina como el componente dominante. Entre los fosfolípidos de la membrana de los exosomas, la fosfatidilserina es muy importante por su papel de activadora de cargas negativas y reclutadora de proteínas de señalización. Los lípidos, además de contribuir a la composición de la bicapa de la membrana de los exosomas, tiene roles importantes en el tráfico de exosomas. Durante la formación de exosomas, el enriquecimiento con esfingomielina se lleva  a cabo en las balsas  lipídicas de la membrana. Como resultado del incremento de esfingomielina ocurre una regulación a la baja de ceramidas y diacilglicerol hasta alcanzar una proporción balanceada en el exosoma.  Aunque los lípidos no son los principales participantes de la comunicación entre las células óseas, sus roles en el mantenimiento de las características biológicas de los exosomas son de gran importancia.

   A través del análisis proteómico, proteínas componentes del citoesqueleto (tubulina, actina, cofilina, profilina), anexinas (anexina I, II, IV, V y VII), y los miembros de la familia de proteínas G, rab 7 y rab 11  han sido identificadas en los exosomas de mamíferos. Entre todas estas proteínas, las proteínas enriquecidas en el citoplasma como Alix, TSG 101, tetraspaninas como CD9 y CD63 son los marcadores que distinguen a los exosomas de otras partículas extracelulares. Los estudios recientes sugieren que las proteínas de shock térmico (Hsp) son altamente prevalentes en los exosomas. Entre ellas, la Hsp40 puede mejorar el ambiente para el plegamiento de proteínas y la Hsp70 regula al alza citoquinas pro-inflamatorias. Además de las proteínas ya mencionadas, hay otras que reflejan la especificidad del origen celular y las funciones de los exosomas. Por ejemplo, la proteína latente de membrana 1 (LAMP1) es altamente expresada por exosomas liberados por células epiteliales malignas derivadas de cáncer nasofaríngeo. Asimismo, un proteoglucano específico de la superficie celular, glipican-1 (GPC1), es expresado en exosomas derivados de cáncer pancreático.

   Los ácidos nucleicos también son enriquecidos en los exosomas. ARN codificantes y no codificantes, ADN de una banda y de doble banda se encuentran en los exosomas. En los exosomas derivados de células de mamíferos se han detectado más de 1600 mARN y 700 miARN. Los mARN presentes en los exosomas usualmente están relacionados con la citogénesis, la síntesis de proteínas y la modificación posttranscripcional del ARN. Los mARN de los exosomas también están involucrados en la resistencia a las drogas de los tumores. Otro reporte reciente sugiere que los mARN de los exosomas disparan la expresión de proteínas exógenas, esto puede ser un enfoque novedoso en el tratamiento de enfermedades relacionadas con deficiencia genética  de proteínas.   Los exosomas también contienen abundantes miARN. En el sistema inmune, los exosomas enriquecidos con miARN son liberados por linfocitos T, linfocitos B y CD, y están involucrados en la interacción entre linfocitos T y células presentadoras de antígenos. En varios tumores, los miARN de los exosomas participan en el crecimiento del tumor, las metástasis y la resistencia a las drogas. Por otra parte, la evidencia sugiere que los ADN de los exosomas protegen contra el envejecimiento celular y la muerte celular causada por daño en el ADN.  Las células pueden secretar exosomas y trasladar el ADN dañino a la matriz extracelular. 

   El tráfico de exosomas involucra tres mecanismos: salida de la carga, liberación del exosoma y captación  del exosoma. Durante la generación de exosomas, la maquinaria endosomal, el estadio inicial de los exosomas, es formada a través  de invaginaciones en la célula donadora. La incorporación  de proteínas, lípidos y ácidos nucleicos en el endosoma resulta en la formación de EMV. Seguidamente, los EMV se fusionan con la membrana celular provocando la secreción del exosoma. A continuación, la proteína unida a la superficie activa la captación del exosoma en la célula recipiente.  Finalmente, a medida que progresa la endocitosis, el exosoma libera su contenido que puede influir en los procesos reguladores o ser degradados por los lisosomas. La incorporación de proteínas en el exosoma involucra mecanismos que aseguran la especificidad del exosoma en la comunicación intracelular. Aquí, el sistema ESCRT, constituido por cuatro complejos (ESCRT 0, I, II y III) es el principal mecanismo para la formación de exosomas. ESCRT 0, I y II son responsables de reconocer y secuestrar proteínas de la membrana celular  en la membrana del endosoma y ESCRT III es responsable de la reparación de vesículas intraluminales. La incorporación de proteínas independiente de ESCRT es otra ruta importante para la formación de exosomas. Este proceso requiere la formación de una plataforma de membrana asociada a tetraspaninas donde las proteínas citoplasmáticas y transmembrana ejercen su capacidad para aceptar proteínas específicas. La incorporación de ácidos nucleicos sigue un mecanismo diferente. La carga de ARN en el exosoma  comienza con la formación de una región similar a la balsa lipídica. A continuación, los fosfolípidos aniónicos son enriquecidos en esa región del exosoma y reclutan esfingomielinasa 2 para producir moléculas de ceramida, un factor indispensable para la incorporación de ARN. Una vez unido a la región similar a la balsa lipídica, el ARN es encapsulado en una vesícula y liberado al espacio extracelular en esta vesícula.

   La mayor diferencia en la ruta de exocitosis entre exosomas y otras VE (autofagosomas y microvesículas) es que los exosomas dependen de los endosomas tardíos para su liberación, y la fusión de los CMV (endosomas tardíos) con la membrana plasmática es la última etapa antes de la secreción de exosomas a la matriz extracelular. Durante esta fase las proteínas SNARE y miembros de la familia sinaptotagmina son los principales mediadores. La exocitosis de exosomas requiere complejos SNARE que consisten de sintaxina 7, sinaptotagmina 7 y VAMP 7. El complejo SNARE es activado por la regulación al alza del calcio intercelular, el cual es dependiente de proteínas Rab. A continuación, las proteínas SNARE promueven la aposición de vesículas y membranas celulares. Después de este acoplamiento, la chaperona factor sensible a ATPasa N-etilmaleimida (NSF) y las proteínas de adhesión NSF solubles (SNAP) catalizan la desintegración de los complejos SNARE, provocando la liberación de exosomas. Otro factor clave para la liberación de exosomas involucra a las proteínas Rab, una familia de más de 60 miembros que participan en las interacciones del citoesqueleto. Las proteínas Rab 27A y  27B participan en la interacción de los CMV con la membrana plasmática. Estas proteínas participan en la eventual fusión de las membranas de los exosomas y el plasmalema de las células donadoras que resulta en la exocitosis de exosomas.

   La fusión de exosomas con la célula recipiente requiere la interacción de ligandos vesiculares con receptores celulares como tetraspanina, integrinas y moléculas de adhesión inetrcelular (ICAM), las cuales inducen la unión del exosoma a la superficie de la célula blanco. El reconocimiento de las proteínas de superficie es la primera etapa durante la internalización del exosoma. La evidencia acumulada sugiere que la captación de exosomas es altamente dependiente del estatus de señalización de la célula blanco y de las proteínas de la superficie del exosoma. Durante la internalización del exosoma, participan varias rutas incluyendo endocitosis, fagocitosis, micropinocitosis y fusión de membranas. Entre ellas,  la ruta  más común para la captación de exosomas es la endocitosis, un proceso rápido que ocurre en 15 minutos y depende de la participación de caveolina y clatrina. Los exosomas también  pueden fusionar directamente su membrana con la membrana plasmática de la célula recipiente. Esto depende de dos etapas intermedias: la hemifusión de estructuras  y la fusión de poros. El contacto inmediato de las hojuelas de la bicapa provoca la formación del tallo de hemifusión donde las hojuelas se fusionan. Finalmente, la fusión de poros se  abre en el diagrama de hemifusión dependiendo de la expansión del tallo donde la conexión entre las membranas provoca la liberación.

   Los estudios recientes sugieren que la transferencia de proteínas específicas, mARN y miARN es el principal mecanismo para el remodelado óseo mediado por exosomas. El remodelado óseo es un proceso complejo, el cual está asociado principalmente con dos etapas: osteogénesis y osteoclastogénesis. Los exosomas están involucrados en las dos etapas. Durante el proceso de formación de hueso, los exosomas están involucrados en la diferenciación osteogénica de stem cells mesenquimales (MSC). Los exosomas derivados de monocitos son estimuladores de la diferenciación de osteoblastos. La fusión de estos exosomas con las MSC puede disparar la regulación al alza de dos marcadores osteogénicos: RUNX2 y BMP-2. La osteogénesis también depende de la función de los exosomas. Los precursores de osteoblastos, antes de la diferenciación en osteoblastos, secretan exosomas para promover la osteogénesis. Durante la cicatrización de las fracturas ósea, los exosomas derivados de stem cells de la médula ósea expresan MCP-1, MCP-3, SDF-1, factores angiogénicos, mARN, miARN que cooperativamente contribuyen al remodelado óseo. Estos exosomas también aumentan la proliferación y diferenciación de osteoblastos regulando al alza proteínas relacionadas con la osteogénesis (RUNX2, ALP, OCN y OPN) así como también varios genes (miARN-196a, miARN-27a y miARN-206). Los exosomas derivados de osteoblastos y osteoclastos también están involucrados en la osteogenesis. Los osteoblastos pueden secretar exosomas ricos en Let-7 para aumentar la osteogénesis. Por el contrario, los exosomas derivados de osteoclastos actúan como inhibidores de la osteogénesis. La transferencia exosomal de miARN 214-3p de los osteoclastos a los osteoblastos dispara la reducción de masa ósea en ratones.   

   La osteoclastogénesis es la base para la resorción ósea.  Los estudios recientes sugieren un nuevo mecanismo para la osteoclastogénesis. Inicialmente, los osteoblastos secretan exosomas ricos en RANKL que tienen como blanco los monocitos. La unión RANKL-RANK en la superficie de los monocitos activa la osteoclastogénesis. Este proceso puede ser aumentado por exosomas derivados de MSC que regulan al alza la expresión de Nfatc1, Trap y Ctsk. Mientras se inicia la diferenciación de los osteoclastos, también se inicia el mecanismo que controla el número de osteoclastos. Esto puede ser mediado por exosomas derivados de los osteoclastos o de los osteoblastos. Los osteoclastos recién formados liberan exosomas ricos en RANK que puede unirse directamente con el RANKL de los osteoblastos o competitivamente con el RANKL en la matriz extracelular para regular la formación de osteoclastos. Adicionalmente, los osteoblastos pueden liberar exosomas que contienen miARN-503-3p para inhibir la osteoclastogénesis a través de la inactivación de la señal RANKL-RANK. Alternativamente, los monocitos pueden secretar exosomas para promover la diferenciación de los osteoclastos. El resultado final es que los osteoclastos son rápidamente reclutados durante esta fase aun cuando los exosomas que inhiben la osteoclastogénesis sean liberados constantemente. Durante la resorción ósea, la capacidad de los osteoclastos para resorber hueso puede ser afectada por los exosomas. Por ejemplo, (i) exosomas derivados de suero de pacientes osteoporóticos, osteopénicos o viejos aumentan la resorción ósea; (ii) cuando la resorción ósea está cerca de su finalización, los exosomas ricos en RANK derivados de osteoclastos impiden la osteoclastogénesis; (iii) los exosomas ricos en RANKL que son secretados por osteoblastos pueden inhibir la resorción a través de la inducción de la apoptosis de osteoclastos.

   Los osteocitos también tienen la capacidad para liberar exosomas, los cuales  están involucrados en la homeostasis ósea. Los exosomas derivados de los osteocitos pueden regular la diferenciación de osteoblastos a través del miARN-218 que actúa sobre la ruta de señalización Wnt/β-catenina. La ruta Wnt/β-catenina es orquestada por osteocitos y es de gran importancia en la homeostasis ósea tanto en la formación de hueso como en la resorción ósea. La esclerostina y la DKK1 inhiben la ruta Wnt/β-catenina uniéndose a los co-receptores de Wnt, LRP5/6 y por tanto contribuyen a la pérdida ósea. Los exosomas que contienen miARN-218 derivados de osteocitos también pueden inhibir la ruta Wnt/β-catenina. Estos exosomas son aceptados por los osteoblastos y provocan la regulación al alza de esclerostina, DKK1  y RANKL. Por otra parte, los osteocitos pueden liberar exosomas en respuesta a la carga mecánica. Inicialmente, la estimulación mecánica dispara la contracción inmediata de la red de actina, lo cual resulta en un incremento transitorio de Ca²⁺. Simultáneamente, la estimulación mecánica induce la secreción de exosomas por los osteocitos. Este proceso puede ser aumentado por la regulación al alza de Ca²⁺ intracelular. Finalmente, los exosomas liberados por osteocitos que contienen esclerostina, RANKL y osteoprotegerina actúan sobre los osteoblastos para activar la osteogénesis.

   En conclusión, los exosomas son un grupo heterogéneo de estructuras membranosas que median las interacciones entre las células. Los estudios recientes revelan una relación entre exosomas y homeostasis ósea. Las células óseas secretan exosomas que contienen  proteínas, lípidos y ácidos nucleicos y regulan la osteoclastogénesis y la osteogénesis. Los exosomas derivados del hueso tienen una función reguladora sobre cada tipo de célula ósea. Los exosomas derivados de osteoblastos aumentan la osteogénesis. Los precursores de osteoclastos conjuntamente con los exosomas derivados de osteoblastos promueven la osteoclastogénesis. Los exosomas derivados de MSC son una poderosa herramienta en el remodelado óseo a través del aumento de la proliferación celular y la protección contra la muerte celular.

Fuente: Gao M et al (2018). Exosomes-the enigmatic regulators of bone homeostasis. Bone Research 6: 36.

Acción oncostática de la melatonina

La melatonina, una molécula  derivada del triptófano, es una indolamina (N-acetil-5-metoxitriptamina) cuyo nombre se debe a su efecto en el blanqueamiento de los melanóforos (mela-) en anfibios y porque su precursor  es la serotonina (tonina).  La melatonina es producida principalmente por la glándula pineal y secretada durante la noche y, desde su descubrimiento en 1958, muchas funciones fisiológicas han sido atribuidas a esta indolamina que actúa como hormona en los mamíferos. Estas funciones incluyen: (1) el control de la reproducción estacional. (2) La capacidad para reducir el estrés oxidativo directamente por destoxificación, o indirectamente inhibiendo la actividad de enzimas pro-oxidativas y estimulando enzimas anti-oxidantes. (3) El efecto sobre el sistema inmune aumentando la inmunidad natural y adquirida.  (4) La función como molécula sincronizadora del ritmo circadiano del ciclo sueño-vigilia actuando como un regulador fisiológico del sueño. (5) La capacidad para prevenir el cáncer, un efecto inhibidor que involucra  mecanismos dependientes e independientes de receptor de membrana en el inicio, la promoción, el progreso y las fases de metástasis malignas.   El rol de la melatonina ha sido extensamente investigado en diferentes neoplasias y hay evidencia que la hormona de la glándula pineal está asociada con un menor riesgo de cáncer. La mayoría de los efectos anti-cáncer de la melatonina fueron descritos inicialmente en modelos de tumor mamario endocrino. Sin embargo, los estudios recientes demuestran un efecto anti-cáncer de la melatonina en otros tipos de cáncer. 

   El desarrollo de la mama ocurre durante la pubertad y en la madurez sexual es estimulado por el estradiol, la hormona fisiológicamente más activa en los tejidos mamarios. Sin embargo, los estrógenos contribuyen al inicio y progreso del tumor mamario. De acuerdo con la American Cancer Society, más del 70% de los casos diagnosticados de cáncer de mama son dependientes de hormonas en sus estadios  iniciales y los estrógenos tienen un rol crucial en la génesis y progresión del tumor.  En esta situación, el receptor α de los estrógenos (ERα)  usualmente es sobre expresado. En 1978 se propuso que una función disminuida de la glándula pineal puede promover un incremento en el riesgo de cáncer de mama, como consecuencia de un prolongado tiempo de exposición a los estrógenos circulantes. Esta hipótesis se basó en varias observaciones: (1) la incidencia de cáncer de mama es más baja en países en los cuales la calcificación de la glándula pineal muestra una baja incidencia. (2) Las pacientes que toman clorpromazina, una droga que aumenta los niveles de melatonina, tienen tasas más bajas de cáncer de mama. (3) Los resultados de estudios in vitro sugieren que la melatonina puede tener efectos directos sobre las células de cáncer de mama. (4) Los receptores de melatonina están presentes en células ováricas humanas, lo cual sugiere que la melatonina puede tener una influencia directa sobre la producción de estrógenos en el ovario. Los niveles plasmáticos de melatonina fueron determinados en mujeres con estados clínicos I y II de cáncer de mama. La amplitud del pico nocturno de melatonina disminuyó en las mujeres con cáncer de mama receptor de estrógeno-positivo en comparación con las pacientes receptor de estrógeno-negativas, lo cual sugiere que las bajas concentraciones de melatonina durante la noche pueden incrementar el riesgo de cáncer de mama dependiente de hormonas. En este contexto, en  1987, se propuso la hipótesis que las mujeres que son expuestas a la luz en la noche (LAN) tendrán mayores tasas de cáncer de mama. En 2001, se estableció una relación entre trabajo nocturno y riesgo de cáncer mamario en mujeres premenopáusicas, particularmente en mujeres con más de 20 años de trabajo nocturno. Otros estudios han evaluado la asociación entre la luz residencial durante el tiempo de sueño con cáncer de mama y próstata en personas que nunca trabajaron en la noche, concluyendo que ambos cánceres están asociados con una alta exposición a LAN. Estos resultados apoyan la hipótesis que, en mujeres premenopáusicas sanas, la exposición a LAN puede resultar en mayor riesgo de cáncer mamario a través de la disrupción de las acciones oncostáticas  de la melatonina.

   Las células CMF-7, la primera línea de células de cáncer de mama que responde a hormonas, han sido ampliamente usadas como modelo in vitro de tumores mamarios. Las acciones anti-proliferativas de la melatonina en concentración fisiológica nocturna (1 nM) sobre las células CMF-7 han sido estudiadas por más de 30 años. Hay abundante evidencia que sugiere que la acción inhibidora de la melatonina sobre líneas de células de cáncer mamario estrógeno positivo se basa en su capacidad para regular la síntesis de estrógenos o las rutas de señalización de los estrógenos. Con relación a las acciones antiestrogénicas de la melatonina, está claro que la hormona de la glándula pineal pertenece a los  moduladores selectivos del receptor de estrógenos (SERM), mientras otras moléculas antiestrogénicas usadas en clínica, como el tamoxifeno, funcionan como antagonistas selectivos del ERα. La melatonina no se une, al menos directamente, al ERα. Una dosis de melatonina equivalente a la concentración plasmática fisiológica nocturna   (1 nM) disminuye los niveles de ERα en experimentos in vitro con células CMF-7. Adicionalmente, la melatonina interfiere con la activación transcripcional mediada por estradiol de muchos genes  a través de la desestabilización del complejo estradiol-ER, previniendo su unión al ADN en los elementos de respuesta a estrógenos (ERE) y los promotores que contienen proteína activadora 1 (AP1).  Estas acciones de la melatonina son mediadas por la calmodulina, la cual se une al ERα y la melatonina es un antagonista de la calmodulina. La melatonina promueve cambios estructurales en el complejo calmodulina-ERα, alterando su unión a los promotores que responden a estrógenos. Debido a las acciones diferentes de la melatonina y el tamoxifeno sobre el ERα, ambas moléculas pueden cooperar. Por ejemplo, dosis fisiológicas de melatonina (2,32 pg/l-23,2 ng/l) aumentan la sensibilidad de las células CMF-7 al tamoxifeno. Las acciones SERM de la melatonina son posibles porque  las células de cáncer de mama expresan receptor de melatonina tipo 1 (MT-1) en la membrana; la unión de melatonina al MT-1 resulta en la inhibición de la adenil ciclasa y, por consiguiente en la disminución de los niveles intracelulares de cAMP. Por el contrario, el estradiol activa la adenil ciclasa, lo cual resulta en altos niveles citoplasmáticos de cAMP en un mecanismo independiente de transcripción de genes. Los altos niveles de cAMP cooperan con los efectos genómicos del estradiol, aumentando la activación transcripcional dependiente de ERα. Entonces, está claro  que las rutas de señalización de  estrógenos y  melatonina convergen en las células de cáncer de mama y tienen efectos opuestos sobre las concentraciones intracelulares de cAMP.   

   La acción oncostática de la melatonina sobre líneas de células de cáncer de mama también se debe a su capacidad para limitar la producción de estrógenos. La melatonina regula a la baja la transcripción y actividad de muchas enzimas involucradas en la síntesis de estrógenos como modulador selectivo de enzimas de estrógenos (SEEM). La melatonina regula los niveles transcripcionales de la esteroide sulfatasa (STS) y la 17β-hidroxiesteroide deshidrogenasa tipo 1 (17β-HSD1), enzimas necesarias para convertir precursores de estrógenos inactivos en estradiol fisiológicamente activo; la estrógeno sulfotransferasa (EST),  enzima que inactiva estrógenos a través de su conversión en estrógenos sulfatos inactivos; y la aromatasa, enzima responsable de la aromatización de andrógenos en estrógenos. La regulación de la melatonina toma en cuenta no solo a las células tumorales sino también a células endoteliales y fibroblastos localizados en tejidos adyacentes a las células  tumorales. Las citoquinas sintetizadas y liberadas por las células tumorales influyen  sobre los fibroblastos adyacentes, regulando su diferenciación y estimulando la expresión y actividad de la aromatasa en ellos; la melatonina en concentraciones  farmacológicas (1mM) contrarresta este efecto estimulador, inhibiendo la liberación de citoquinas por las células malignas y a través de la inhibición de la actividad de la aromatasa. El factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) liberado por las células de cáncer de mama que responden a estrógenos se une a su receptor en la membrana de las células endoteliales adyacentes. Como resultado, las células endoteliales proliferan, migran y se reorganizan en un proceso de angiogénesis. La melatonina (1mM) puede regular los mecanismos paracrinos responsables de las interrelaciones entre las células tumorales mamarias y las células endoteliales y fibroblastos adyacentes, regulando a la baja los niveles de VEGF e inhibiendo la producción de aromatasa en esas células.

   La melatonina es un adyuvante en la quimioterapia y radioterapia, o en combinación con otras moléculas con actividad anti-cáncer, en los protocoles de tratamiento del cáncer de mama. En humanos, las pacientes que reciben melatonina (una  dosis terapéutica de 20 mg/día administrada en la noche al menos por dos meses) durante la quimioterapia tienen menos efectos colaterales que los controles que solo reciben quimioterapia.  En experimentos in vitro, cuando una dosis fisiológica de melatonina (1 nM o 10 nM) se combina con ácido valproico, la expresión de receptores MT-1 es regulada al alza y el efecto antiproliferativo del ácido valproico es más efectivo. La radiación induce daño celular por mecanismos directos e indirectos que resultan en daño en el ADN y aberraciones en los cromosomas y la melatonina es un buen candidato a agente radioprotector debido a su capacidad para atrapar radicales hidroxilo. La melatonina en dosis fisiológicas (1 nM) disminuye la capacidad de las células tumorales para reparar las alteraciones de la estructura del ADN inducidas por radiación, lo cual lleva a las células del cáncer de mama a entrar en apoptosis.  

   La fisiología de la próstata está bajo el control  de los andrógenos (testosterona y dihidrotestosterona) y sus metabolitos y la terapia de privación de andrógenos (por inhibición de la síntesis de andrógenos o privación del receptor de andrógenos) ha sido extensamente usada en el tratamiento del cáncer de próstata  (CP). In vivo, la melatonina (en dosis farmacológica de 150 mg/100 g de peso corporal, administrada por cuatro semanas) induce una disminución significativa en el peso de la próstata en ratas castradas y ratas castradas tratadas con testosterona. Por el contrario, la pinealectomía estimula la producción de androstenediona y testosterona, lo que indica una acción inhibidora de la glándula pineal sobre la esteroidogénesis testicular en la rata. En pacientes con CP no metastásico, la melatonina no muestra ritmos circadianos significativos indicando que la modulación de los niveles plasmáticos de melatonina puede estar relacionada con la génesis y el crecimiento del CP. Debido al efecto antigonadotrópico de la melatonina,  la hipótesis que la hormona de la glándula pineal puede inhibir el CP fue examinada in vivo en ratas con adenocarcinoma prostático. La principal conclusión fue que la melatonina (50 μg/rata, inyectada diariamente una hora antes de la oscuridad) suprime el crecimiento de tumores de la próstata. En humanos, cuando el ritmo circadiano de melatonina fue analizado en pacientes con CP primario, se encontró una reducción de la función de la glándula pineal. La actividad oncostática directa de la melatonina (1nM) fue demostrada in vitro en las células de CP  DU145. Por otra parte, la melatonina (en concentraciones de 1nM a 100 nM) puede regular la actividad del receptor de andrógenos (AR). La melatonina, en una concentración 100 nM induce un aumento de cGMP intracelular, provocando un incremento en los niveles de calcio y la actividad de la PKC.  En células de CP dependiente de andrógeno, dosis farmacológicas de melatonina (50 nM a 1mM) incrementan los niveles de p21, disminuyen la activación de NF-κB y regulan a la baja  a Bcl2 y survivina. Por otra parte, en células de CP dependiente e independiente de andrógeno, la melatonina (1mM) ejerce un efecto antiangiogénico porque reduce los niveles del factor inducible por hipoxia (HIF-1) y la liberación de VEGF. La sirtuina 1 (Sirt1), una desacetilasa de histona dependiente de NAD sobre expresada en el CP, también es inhibida por la melatonina en correlación con un significativo efecto antiproliferativo. In vitro, en células de CP sensible e insensible a andrógeno, la melatonina (1mM) limita la glucólisis, el ciclo del ácido tricarbóxilico y la ruta de la pentosa fosfato, lo cual indica que la melatonina regula a la baja el metabolismo de la glucosa en ambas líneas  de células de CP.  

   Es ampliamente aceptado que la desincronización del reloj biológico después de alteraciones en los ritmos circadianos está implicada en el cáncer. En este contexto, la melatonina (100 μM a 2 mM) incrementa los niveles de las proteínas Per2 y Clock, mientras reduce los niveles de Bmal1 en células de CP. En combinación con agentes quimioterapéuticos, la melatonina (1mM)  aumenta la sensibilidad de las células de CP a la apoptosis inducida por citoquina. Los hombres que nunca han trabajo en turnos nocturnos tienen menor riesgo de CP en comparación con los trabajadores nocturnos. Por otra parte, los hombres que reportan problemas de sueño tienen bajos niveles urinarios matutinos de 6-sulfatoximelatonina asociados con mayor riesgo de CP. La variación genética en los ritmos de melatonina y circadiano está significativamente asociada con el riesgo de CP, lo cual sugiere un potencial rol de la melatonina y el ritmo circadiano en la carcinogénesis de la próstata.  

   Las hormonas sexuales (estrógenos, progesterona y testosterona) incrementan el riesgo de cáncer de ovario (CO). El uso de anticonceptivos orales tiene una fuerte asociación protectora con el riesgo de CO. La paridad también se correlaciona con menor riesgo, con una mayor reducción por cada embarazo adicional. Sin embargo, la menopausia incrementa el riesgo de CO. Algunos estudios con mujeres embarazadas indican que las altas concentraciones de testosterona y 17-hidroxi-progesterona incrementan el riesgo de tumores serosos; si la androstenediona está elevada, el riesgo de tumores mucinosos aumenta. Varios estudios han investigado los efectos de la melatonina sobre el CO. Como la melatonina es sintetizada por las células granulosas de los folículos preovulatorios se le ha atribuido un rol en la producción de las hormonas  esteroides sexuales esenciales para la ovulación. A partir de esta hipótesis, muchos estudios relacionan, al menos indirectamente, una producción deficiente de melatonina con bajos niveles de progesterona y altos niveles de estradiol. Después de la menopausia, la secreción de melatonina disminuye dramáticamente en correlación con los ciclos anovulatorios. Un estudio reciente, en el cual fue medida la melatonina circulante en mujeres con CO y controles sanos, reporta una significativa reducción en los niveles de melatonina en las pacientes con CO.   En vista que la melatonina es efectiva en reducir la proliferación en muchas líneas de células derivadas de diferentes tipos de cáncer, ha sido examinada in vitro en la línea de células BG-1 de adenocarcinoma de ovario dependiente de estrógenos. La melatonina en concentraciones fisiológicas (1 a 100 nM) causa reducción en el número de células BG-1, indicando una acción oncostática. El receptor MT-1 es expresado en líneas de células epiteliales de ovario normal y de CO. La unión de la melatonina al MT-1 en las líneas de células de CO, inhibe la adenil ciclasa y por tanto reduce los niveles de cAMP.

   El efecto protector de la melatonina en el ovario también ha sido observado in vivo. En ratones, dosis farmacológicas de melatonina (15-30 mg/kg peso corporal i,p, durante tres días) previene la pérdida de la reserva de folículos inducida por cisplatina a través de la inhibición de la activación de la ruta de señalización PTEN/AKT/FOXO3a. Este efecto citoprotector de la melatonina es mediado por el receptor de membrana MT-1. Adicionalmente, la melatonina (10 mM) estimula la apoptosis inducida por el tratamiento con laser en células de CO. Por otra parte, la melatonina puede modular las acciones de agentes quimioterapéuticos. En un ensayo in vitro de quimiosensibilidad, la melatonina (0,1 nM-10 nM) resultó ser más eficiente que la cisplatina para inhibir el crecimiento de células de CO.

   En conclusión, la melatonina es una hormona sintetizada y secretada principalmente por la glándula pineal. Los datos de los estudios clínicos y experimentales, in vivo e in vitro,  demuestran que en cáncer de mama, próstata y ovario, la melatonina ejerce una acción inhibidora sobre la esteroidogénesis de hormonas sexuales. Adicionalmente, la melatonina modula la actividad transcripcional de los receptores de estrógenos y andrógenos. Con relación a los estrógenos, hay abundante evidencia que la melatonina es una molécula capaz de regular la síntesis de estrógenos  (actúa como un SEEM) y la actividad del receptor ERα (actúa como un SERM). Por otra parte, la melatonina  regula enzimas involucradas en la síntesis de andrógenos así como también la actividad del receptor de andrógenos. La exposición a la luz en la noche (lo cual elimina el pico nocturno de melatonina) está asociada con un incremento en el riesgo de cáncer de mama y próstata. La melatonina ejerce acciones antiproliferativas en tumores de próstata, mama y ovario, por si misma o aumentando la sensibilidad a drogas quimioterapéuticas. La melatonina es una molécula pro-apoptosis y algunos de los blancos moleculares involucrados en la apoptosis eventualmente resultan ser los mismos en los tres tipos de cáncer. La hormona de la glándula pineal altera la transición epitelial-mesenquimal, inhibe la migración celular, la invasión y las metástasis, sola o en combinación con  la quimioterapia. La melatonina también inhibe la angiogénesis.

 Fuente: Menéndez-Menéndez J, Martínez-Campa C (2018). Melatonin: an anti-tumor agent in hormone-dependent cancers. International Journal of Endocrinology, Article ID 3271948. 

Irisina y homeostasis metabólica

La irisina ha sido descrita como una mioquina inducida por el ejercicio con una estructura peptídica de 112 aminoácidos. Es el producto del clivaje de una proteína de membrana tipo 1 codificada por  un gen que contiene un dominio de fibronectina tipo III (FNDC5). Específicamente, la estructura de la FDNC5 consiste en un péptido señal de 29 aminoácidos, un dominio de 94 aminoácidos y un C-terminal considerado como el sitio de lisis previo a la secreción en la circulación como irisina. La irisina es  secretada principalmente en músculo esquelético, especialmente en el perimisium, endomisium y partes nucleares. Adicionalmente, tejido adiposo, páncreas, glándulas sebáceas y músculo cardiaco han sido identificados como tejidos que secretan irisina. La inmunoreactividad de la irisina ha sido encontrada en glándulas salivales, ovarios, testículos, recto, arterias intracraniales, lengua, nervio óptico, estómago, neuronas y glándulas sudoríparas.

   Una de las funciones más importante de la irisina es la regulación de la termogénesis. La irisina cambia el tejido adiposo subcutáneo y visceral en tejido adiposo marrón y por lo tanto incrementa la termogénesis. La irisina actúa incrementando la expresión del receptor activado por peroxisoma γ y su coactivador-1α (PGC-1α) que a su vez estimula la manifestación de factores intracelulares con funciones específicas en la biogénesis mitocondrial como la proteína desacopladora 1 (UCP1). El tratamiento con irisina eleva la UCP1 a través del incremento de la fosforilación de la p38 proteína quinasa activada por mitógeno (p38 MAPK) y quinasas reguladoras. Sobre la base de estos resultados, la irisina ha sido propuesta como una hormona capaz de incrementar el gasto de energía, promover la pérdida de peso y disminuir la resistencia a la insulina producida por la dieta.

   La irisina es una mioquina que participa en los procesos beneficiosos atribuidos al ejercicio y la contracción muscular. Uno de los primeros estudios en humanos correlaciona la expresión de los genes FNDC5 y PGC-1α con el rendimiento aeróbico medido a través de la captación de oxigeno máxima (VO₂max) y el intercambio de gas (VE/VCO₂) en hombres adultos con insuficiencia cardiaca e intolerancia al ejercicio atribuida a los síntomas y desordenes de músculo esquelético característicos de la enfermedad. Este estudio reporta una significativa correlación positiva entre los genes FNDC5 y PGC-1α y la capacidad aeróbica. Otros autores proponen a la irisina como una hormona que previene la disminución de la función muscular asociada con la edad avanzada. El incremento en irisina en respuesta al ejercicio intenso ha sido documentado en un estudio que reporta una disminución de irisina 30 minutos después de finalizado el ejercicio atribuida al corto efecto de la irisina sobre la restauración de la homeostasis de ATP y, una vez activada, la irisina disminuye a las concentraciones basales.

   La expresión de irisina mejora la tolerancia a la glucosa y disminuye la insulina en ayunas en ratones. La mayoría de los estudios publicados demuestran una disminución de la concentración de irisina en pacientes con diabetes mellitus tipo 2 (T2DM) y una asociación significativamente inversa entre irisina y desarrollo de T2DM. En los pacientes con T2DM, la irisina es regulada por diferentes factores incluyendo glucosa y ácidos grasos. Los niveles de irisina disminuyen en los pacientes con T2DM e insuficiencia renal, complicaciones macrovasculares como enfermedad arterial coronaria y vascular periférica. Con relación a los diferentes tipos de DM, la irisina aumenta significativamente en las pacientes con diabetes gestacional (DG) con una asociación positiva  de insulina en ayuno con irisina en las mujeres con DG, la cual se atribuye a una posible compensación de la irisina para contrarrestar la resistencia a la insulina y limitar sus efectos metabólicos y vasculares así como una probable resistencia a la irisina. Sin embargo, hay evidencia que demuestra concentraciones de irisina significativamente más bajas en las mujeres con DG con relación a mujeres no obesas sin DG, lo cual ha sido atribuido al posible daño en la expresión de PGC-1α y la función muscular en las mujeres con DG. Por otra parte, varios estudios reportan niveles de irisina aumentados en niños y adolescentes con T1DM con relación a los controles sanos. Los niños y adolescentes con T1DM con infusión subcutánea continua de insulina expresan niveles elevados de irisina que predicen un mejor control metabólico y la posible asociación a través de la irisina de un mejor control de la glucemia.

   La irisina ha sido relacionada con diferentes parámetros antropométricos y la composición corporal y los hallazgos de los estudios muestran notables discrepancias. Uno de esos estudios reporta mayor concentración de irisina circulante en personas obesas en comparación con individuos de peso normal, reflejando una correlación positiva entre irisina y porcentaje de masa grasa y una correlación negativa con la masa de grasa libre. En este estudio, los diferentes tipos de tejido adiposo son propuestos como factores importantes en la secreción de irisina, especialmente en condiciones de obesidad. Sin embargo, otro estudio reporta una correlación negativa, aunque no estadísticamente significativa,  entre la cantidad de masa muscular y concentración de irisina en personas obesas. Con relación a la circunferencia de la cintura, un indicador de adiposidad visceral, los estudios reportan que la concentración de irisina disminuye en la medida que aumenta la circunferencia de la cintura   y/o la circunferencia de la cadera.

   La irisina es una hormona que tiene la capacidad para activar cambios beneficiosos en el tejido adiposo que mejoran la actividad muscular; por lo tanto, incrementos moderados en irisina producen mejoría de la resistencia a la insulina inducida por dieta. Sin embargo, los estudios demuestran que la irisina está asociada con biomarcadores metabólicos solamente en pacientes no diabéticos. Las investigaciones demuestran correlaciones negativas entre glucosa y metabolismo de irisina. En un estudio con adultos obesos, se encontró que la disminución en irisina está asociada con un incremento en el riesgo de presentar síndrome metabólico e hiperglucemia. Otras investigaciones reportan además de las asociaciones de la irisina con los componentes del síndrome metabólico, disminución en adiponectina. Las personas con síndrome metabólico tienen mayores concentraciones de irisina y menores concentraciones de adiponectina, asociando el incremento en irisina con una mayor cantidad de masa grasa durante la obesidad. Algunos autores consideran que la irisinemia se debe al deterioro de la sensibilidad a la insulina y el metabolismo de glucosa y lípidos, considerando un posible mecanismo de  retroalimentación entre irisina y adiponectina para incrementar el consumo de energía en los adipocitos. Por otra parte, la administración periférica de irisina en ratones reduce la presión arterial y los investigadores proponen a la irisina como el vínculo entre cerebro, músculo esquelético, tejido adiposo y sistema cardiovascular conectando uno con otro para modular el gasto de energía y las funciones cardiovasculares.

   Los hombres con obesidad sin enfermedades degenerativas crónicas tienen concentraciones de irisina circulante más bajas que las mujeres. Esto sugiere un posible mecanismo secretor relacionado con la distribución de grasa en el cuerpo de la mujer y posibles implicaciones de hormonas anabólicas como estradiol, lo cual favorece el incremento de masa muscular asociado positivamente con la irisina en mujeres de mediana edad.

   Hay estudios que relacionan las enfermedades cardiovasculares (ECV) con la irisina. En este contexto, la irisina es una hormona que predice eventos coronarios adversos en pacientes con enfermedades de arterias coronarias bajo tratamiento con intervenciones percutáneas. La irisina ha sido propuesta en la prevención y terapia de enfermedades vasculares. Diferentes estudios sugieren que la fosforilación de la ruta de señalización de la quinasa regulada por señal extracelular (ERK) es uno de los mecanismos moleculares de la acción de la irisina.  Los mecanismos por los cuales la función endotelial  se relaciona con la irisina han sido estudiados in vitro mediante la administración de diferentes concentraciones de irisina en células endoteliales de cordón umbilical humano (HUVEC). La administración de irisina 20 nM incrementa significativamente la proliferación de células endoteliales a través de la ruta ERK. En este estudio, se observó que con la misma dosis de irisina disminuyó la apoptosis inducida por altas concentraciones de glucosa. Otros estudios demostraron los efectos pro-angiogénesis de la irisina en dosis de 10 nM a 20nM, específicamente en el proceso de migración celular y estimulación de estructuras capilares en HUVEC asociados con un incremento en la expresión de metaloproteinasas (MMP), específicamente MMP-2 y MMP-9.   

   Diferentes estudios han investigado la relación entre irisina y  desarrollo de tumores malignos. Los resultados de tales estudios son controversiales. Un estudio in vitro reporta la ausencia de efectos sobre la proliferación celular y potencial maligno de líneas celulares de cáncer de tiroides,  endometrio y colon después del tratamiento con diferentes dosis de irisina. Por el contario, otro estudio revela la capacidad de la irisina para disminuir el número de células mamarias malignas a través de la inducción de apoptosis. La irisina, además de disminuir la viabilidad y migración de las células malignas, sensibiliza las células mamarias malignas para tratamientos quimioterapéuticos. En el cáncer de mama, niveles significativamente bajos de irisina han sido detectados en mujeres que sufren la enfermedad en comparación con mujeres sanas. El incremento de una unidad de irisina disminuye la probabilidad de cáncer de mama por 90%, por lo que ha sido propuesta como un posible biomarcador con un gran potencial para la detección de esta enfermedad.

   La irisina ha sido propuesta como una hormona con un probable efecto terapéutico para la ganancia de masa muscular en osteopenia atribuida a enfermedad muscular. Varios estudios reportan una correlación inversa entre irisina y fracturas vertebrales osteoporóticas en mujeres postmenopáusicas, atribuida a un probable efecto positivo de la irisina sobre la calidad de hueso más que sobre la masa ósea. Los estudios in vitro demuestran que la irisina promueve la diferenciación de osteoblastos. Por otra parte, en un estudio in vivo, la administración de bajas dosis de irisina en ratones machos jóvenes provocó acciones anabólicas en la masa ósea y la densidad mineral del hueso cortical y una disminución en osteoclastos. Las rutas de señalización por medio de las cuales la irisina ejerce sus efectos osteoblásticos son la  p38-MAPK y la ERK. En modelos animales, la administración de irisina previene y restaura la pérdida ósea y la atrofia muscular.

   Hay evidencia que la irisina puede tener algunas funciones en el sistema nervioso central. Irisina y FNDC5 son expresadas por diferentes tipos de células, incluyendo las  células de Purkinje en el cerebelo. La irisina también se encuentra en el líquido cerebroespinal de humanos y su expresión ha sido detectada en neuronas del núcleo paraventricular del hipotálamo, donde también es expresado el neuropéptido Y (NPY) que está  relacionado con la regulación del apetito, lo cual sugiere que la irisina tiene funciones metabólicas centrales además de las funciones metabólicas periféricas. La irisina es responsable de la neuroprotección en enfermedades como la isquemia cerebral a través de la activación de las rutas ERK1/2 y Akt en el tejido cerebral. La irisina, en dosis farmacológicas, incrementa la neurogénesis a través de la ruta de señalización STAT3 sin asociación con las rutas AMPK y ERK. Por otra parte, el incremento en  FNDC5 induce la expresión del factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), el cual tiene funciones en la transcripción y transporte de mARN a lo largo de las dendritas y crecimiento, diferenciación y supervivencia de neuronas.

   En conclusión, la irisina es una molécula inducida por el ejercicio producida por el músculo esquelético. La principal función beneficiosa atribuida a la irisina es el cambio de tejido adiposo subcutáneo y visceral en tejido adiposo marrón con el consecuente incremento de la termogénesis. La irisina también ha sido descrita como una hormona que puede tener un rol clave en la homeostasis de la glucosa. En años recientes, se han descrito las posibles rutas de señalización, p38MAPK y ERK, a través de las cuales la irisina interactúa con órganos como cerebro y hueso.

Fuente: Martínez Munoz IY et al (2018). Irisin a novel metabolic biomarker: present knowledge and future directions. International Journal of Endocrinology, Article ID 7816806.

Acciones paracrinas y endocrinas de las proteínas óseas

El esqueleto es uno de los sistemas más grandes del cuerpo humano (aproximadamente 15% del peso corporal total). Tradicionalmente, considerado como un órgano estructural, el esqueleto proporciona soporte mecánico para la estatura y la locomoción, además de brindar protección a los órganos vitales. Para facilitar estas funciones y para mantener la integridad del esqueleto, constantemente ocurre la remodelación de la arquitectura y la composición de los huesos. El remodelado óseo involucra dos procesos distintos: la remoción del hueso viejo o dañado por los osteoclastos y su reemplazo por hueso nuevo por los osteoblastos. Los osteoblastos se originan a partir de “stem cell” mesenquimales (MSC), comprenden 5% de todas las células óseas y son responsables de la síntesis de colágeno tipo I y la formación de la matriz mineralizada para facilitar la formación de hueso. Los osteoblastos dan origen a los osteocitos, las células óseas más abundantes (90% del total de células óseas),  embebidos en la matriz ósea. Los osteocitos regulan la composición del hueso a través de la transducción de estímulos mecánicos  en señales bioquímicas. Los osteoclastos se originan a partir de stem cells hematopoyéticas (HSC) y pueden expresar ATPasas vacuolares en el borde fruncido de la membrana en la superficie del hueso, donde bombean protones en la laguna de resorción para disolver la hidroxiapatita. El bajo pH en la laguna de resorción, inducido por las bombas de protones, activa metaloproteinasas de la matriz (MMP) y cisteína proteinasas para degradar el colágeno de la matriz ósea. Adicionalmente, los vasos sanguíneos en el hueso pueden influir en la formación de hueso  y proporcionar un nicho para las HSC que residen en la médula ósea.

   En el microambiente óseo, osteoblastos, osteocitos y osteoclastos sintetizan y secretan moléculas de señalización, incluyendo factores de crecimiento, citoquinas y quimioquinas para mantener el remodelado y la arquitectura del esqueleto.  Las moléculas secretadas por osteoblastos y osteocitos que afectan la osteoclastogénesis  incluyen al factor estimulante de colonias  de monocitos/macrófagos (M-CSF), el ligando del receptor de activación de NF-κB (RANKL), factores anti-osteoclastogénesis como osteoprotegerina (OPG), un receptor señuelo de RANKL,  semaforina 3A (SEMA3A), Wnt5A y Wnt16A. Los osteocitos secretan esclerostina (SOST) que inhibe la diferenciación de osteoblastos y la formación de hueso de una manera paracrina. Los factores derivados de los osteoclastos, incluyendo a la proteína morfogenética del hueso 6 (BMP6), colágeno triple hélice 1 (CTHRC1), efrina B2 (EFNB2), esfingosina 1-fosfato (S1P), Wnt10B, semaforina 4D (SEMA4D) y cardiotrofina-1 (CT-1), afectan la diferenciación y función de osteoblastos y osteocitos.

   Las acciones paracrinas de los factores secretados por osteoblastos, osteocitos y osteoclastos permiten el balance de la formación de hueso con la resorción ósea, procesos que también están acoplados con la angiogénesis. El factor de crecimiento endotelial vascular A  (VEGFA), derivado de pre-osteoblastos y condrocitos, es un factor pro-angiogénesis  que promueve la proliferación, supervivencia y migración de células endoteliales (CE), una población de células que expresan el receptor de VEGF 2 (VEGFR2). El factor de crecimiento derivado de plaquetas BB (PDGFBB), factor pro-angiogénesis secretado por pre-osteoclastos, puede inducir la formación de vasos tipo H y estimular la formación de hueso. Estos factores paracrinos producidos por las células óseas son liberados en el ambiente extracelular y actúan sobre células cercanas para mantener  la homeostasis ósea.

   El esqueleto, además de su rol estructural, es reconocido como un órgano endocrino para la modulación hormonal de la homeostasis energética.  Los factores derivados del hueso constituyen un importante sistema endocrino que está finamente organizado con otros órganos para asegurar el balance homeostático y la salud. En este contexto, el factor de crecimiento fibroblástico 23 (FGF23) es secretado principalmente por ostoblastos y osteocitos y juega un rol importante en la modulación de la homeostasis de fosfato  a través de la inhibición de la reabsorción de fosfato y la producción de 1,25 dihidroxivitamina D3 [1,25(OH)₂D₃] en el riñón, y la supresión de la síntesis de hormona paratiroidea (PTH) en las glándulas paratiroides, lo cual reduce los niveles circulantes de fosfato. El FGF23 suprime la producción de 1,25(OH)₂D₃ a través de la inhibición de la 1α-hidroxilasa y regula la reabsorción de fosfato a través de la unión con un complejo formado por el FGFR1 y el co-receptor kloto, el cual es esencial para la función endógena del FGF23. La proteína kloto aumenta significativamente la capacidad del FGF23 para inducir la fosforilación de sustratos del FGFGR1 y la activación de la señal FGF. El FGF23 también suprime la síntesis y secreción de PTH de una manera dependiente de kloto. Sin embargo, el FGF23 actúa sinérgicamente  con la PTH para aumentar la excreción renal de fosfato reduciendo la reabsorción de sodio-fosfato en el túbulo proximal. La síntesis y secreción de FGF23 por los osteocitos son reguladas positivamente  por la 1,25(OH)₂D₃ y el fósforo circulante. A su vez, el FGF23 inhibe la síntesis de 1,25(OH)₂D₃ y regula negativamente la secreción de PTH por las glándulas  paratiroides. La secreción de 1,25(OH)₂D₃ es regulada al alza por la PTH y a la baja por el incremento en los niveles circulantes de fosfato y FGF23. La 1,25(OH)₂D₃ actúa a través de dímeros VDR/RXR para estimular la síntesis y secreción de FGF23 por los osteocitos. La PTH, a través de la unión con su receptor PTHR, incrementa la actividad de los osteoblastos, inhibe la reabsorción renal de fosfato y estimula la síntesis de 1,25(OH)₂D₃.

   La osteocalcina (OCN), también conocida como BGLAP, es la más abundante proteína no colágena derivada de los osteoblastos. La OCN  regula los procesos biológicos de múltiples órganos incluyendo hueso, tejido adiposo, hígado, músculo esquelético, páncreas, testículo y cerebro. La OCN es sintetizada como una pro-hormona (proOCN) previamente a su clivaje por una convertasa intracelular llamada furina en los osteoblastos. Antes de la secreción, la OCN es C-carboxilada en sus residuos glutamato en el retículo endoplásmico por la c-glutamil carboxilasa con vitamina k como co-factor. Estas modificaciones post-translacionales incrementan la afinidad de la OCN por Ca²⁺ y cristales de hidroxiapatita, el principal componente mineral de la matriz extracelular (MEC) ósea, lo que facilita el atrapamiento de la mayoría de la osteocalcina c-carboxilada (GlaOCN) secretada en la MEC. El ambiente ácido generado por los osteoclastos durante el proceso de resorción ósea promueve la descarboxilación de la GlaOCN para formar osteocalcina pobremente carboxilada (GluOCN) disminuyendo su afinidad por la matriz ósea y por lo tanto promover su liberación en la circulación. El pH ácido (4,5) es el único mecanismo conocido que activa la descarboxilación de proteínas. Aunque tanto la GlaOCN como la GluOCN son detectables en la circulación, solamente la GluOCN funciona como hormona en la regulación del metabolismo energético. En el tejido adiposo, la OCN regula al alza la expresión de adiponectina, una hormona que mejora la captación de glucosa y la sensibilidad a la insulina y suprime la secreción de citoquinas pro-inflamatorias. Sin embargo, la OCN apoya la función muscular durante el ejercicio en parte a través de la liberación de IL-6 y aumenta la captación de glucosa y ácidos grasos en las miofibrillas. El incremento en los niveles de IL-6 promueve la producción de OCN bioactiva  a través de la regulación de la expresión de RANKL en los osteoblastos. Los efectos de la OCN sobre la obesidad y la resistencia a la insulina resultan en parte de su capacidad para promover la sensibilidad a la insulina en hígado y tejido adiposo, el gasto de energía en músculo esquelético y la producción de insulina en el páncreas. Por otra parte, la OCN derivada de los osteoblastos promueve la síntesis de testosterona en las células de Leydig del testículo. Adicionalmente, la OCN tiene una significativa influencia en la síntesis de neurotransmisores, el desarrollo del hipocampo y las funciones cognitivas en el cerebro. El mediador de la actividad de la GluOCN en la mayoría de tejidos es un receptor acoplado a proteína G (GPRC6A), generalmente descrito como receptor sensor de cationes y aminoácidos. El receptor de OCN en cerebro, hígado y tejido adiposo aún no ha sido identificado.

   La lipocalina-2 (LCN2), también conocida como lipocalina asociada a la gelatinasa de neutrófilos (NGAL), es una proteína  pequeña derivada de los osteoblastos que inhibe la ingesta de alimentos uniéndose al receptor melanocortina 4 (MC4R) en el hipotálamo y también regula la tolerancia a la glucosa, la sensibilidad a la insulina y la secreción de insulina para mantener la homeostasis de la glucosa. La LCN2 actúa directamente sobre la proliferación de células β y la secreción de insulina en el páncreas. La LCN2 cruza la barrera hemato-encefálica y activa directamente la señal AMPc en el hipotálamo. En el hipotálamo, la LCN2 se une a neuronas de los núcleos paraventricular y ventromedial que expresan MC4R para activar la señal anorexigénica. Los estudios sobre la LCN identifican un novedoso modo de regulación endocrina de la homeostasis energética por el hueso, lo cual ocurre a través del control del apetito.

   El M-CSF, definido originalmente como un factor de crecimiento de células hematopoyéticas que promueve macrófagos a partir de progenitores de la médula ósea para formar colonias, es producido constitutivamente por una variedad de células incluyendo macrófagos, CE, fibroblastos, osteoblastos, etc. El M-CSF no solo es indispensable para la proliferación y diferenciación de los progenitores de osteoclastos sino que también es requerido para la supervivencia y motilidad de los osteoclastos.  Los osteoblastos y las células del estroma de la médula ósea son las principales fuentes de M-CSF, tanto de la forma soluble como de la forma unida a la membrana, en el microambiente óseo. Entonces, el M-CSF derivado de osteoblastos es crítico para la formación de osteoclastos.

   El RANKL, también conocido como TNFSF11, TRANCE, OPGL y ODF, es  expresado en hueso, tejido linfoide, células del estroma y linfocitos T activados. El RANKL inicialmente fue identificado como una citoquina producida por las células  T con un rol esencial en la regulación de la respuesta inmune dependiente de células T y de la interacción entre células T y células dendríticas. Los estudios recientes demuestran que el RANKL es indispensable para la formación, fusión,  activación y supervivencia de los osteoclastos uniéndose al receptor activador del NFκB (RANK) en los osteoclastos y sus precursores. Los ratones con alteración del gen Opgl que codifica al RANKL exhiben severa osteopetrosis y carecen de osteoclastos. Por el contrario, los ratones con excesiva producción de RANKL exhiben un fenotipo osteoporótico.

   La OPG (también conocida como factor inhibidor de la osteoclastogénesis),  es un miembro de la familia  del receptor de TNF y una glucoproteína sintetizada por varias clases de células incluyendo osteoblastos, linfocitos B y condrocitos articulares. La OPG inhibe la diferenciación de osteoclastos a partir de sus precursores y actúa como un receptor señuelo soluble de RANKL y su principal función es antagonizar los efectos del RANKL e interrumpir la  interacción entre osteoblastos y osteoclastos.

   La SEMA3A también conocida como C-collapsina-1,  es la primera semaforina vertebral identificada y caracterizada originalmente como un quimiorepelente axonal difusible que previene el crecimiento y las ramificaciones de axones en áreas inapropiadas. La SEMA3 ha sido extensamente estudiada en el sistema nervioso y ahora también es conocido que interviene en el remodelado óseo. Adicionalmente, la SEMA3 regula la diferenciación de osteoclastos a través de la unión a neuropilina 1 (NRP1).

   La señal Wnt juega un rol crucial en la regulación de la homeostasis ósea. Los ligandos Wnt intervienen en eventos críticos para la actividad de las células óseas y al  unirse a receptores de Wnt inducen diferentes cascadas de señalización. El Wnt5 secretado por los osteoblastos aumenta la osteoclastogénesis a través del receptor orfan similar a tirosina quinasa 2 (Ror2) que es expresado por los precursores de osteoclastos. La señal Wnt5-Ror2 estimula la expresión de RANK en los precursores de osteoclastos mediante la promoción de  la fosforilación de JNK y el  reclutamiento de c-Jun hacia el promotor del gen Rank, aumentando de esta manera la osteoclastogenesis inducida por RANKL. Por el contrario, el Wnt16 derivado de osteoblastos inhibe la formación de osteoclastos interfiriendo directamente con la diferenciación de osteoclastos vía señal RANK e indirectamente incrementando la expresión de OPG en los osteoblastos.

   La SOST es altamente expresada en los osteocitos e inhibe significativamente la actividad de los osteoblastos y la formación de hueso. La SOST inhibe la diferenciación de osteoblastos a través del antagonismo con la ruta Wnt canónica. El ligando Wnt se une a su complejo receptor de membrana, el cual comprende la proteína frizzled y la proteína relacionada con el receptor de lipoproteína de baja densidad 5/6 (LRP5/6) para activar la señal canónica dependiente de β-catenina. La SOST se une al dominio extracelular de LRP5/6 de los osteoblastos y altera la activación inducida por Wnt de genes relacionados con la formación de hueso.  Los osteocitos también expresan Dikkopf-1 (DKK1), otro antagonista de LRP5/6, pero no tan selectivo como la SOST, La SOST también estimula la osteoclastogénesis de una manera dependiente de RANKL e induce la liberación de mineral óseo a través de la mediación de la acidificación de la matriz extracelular mediante la regulación al alza la expresión de anhidrasa carbónica 2 (CA2), catepsina K (CTSK) y fosfatasa ácida resistente a tartrato (TRAP) en los osteoclastos.

   El VEGFA juega un rol mayor en la angiogénesis y es secretado por condrocitos hipertróficos y pre-osteoblastos en el hueso. En los osteoblastos, la sobre expresión de VEGFA puede aumentar la angiogénesis ósea y la osteogénesis a través de la activación de la señal Wnt/β-catenina. El VEGFA puede unirse al VEGFR2 en las CE y estimular la proliferación y migración de CE. Hay varios reguladores de la angiogénesis que funcionan a través del VEGFA. Por ejemplo, el factor inducible por hipoxia 1α (HIF1α) puede regular la expresión de VEGFA en condrocitos hipertróficos y pre-osteoblastos y por consiguiente promover la angiogénesis ósea. La remodelación de la MEC mediada por MMP es esencial para la angiogénesis y la osteogénesis. La MMP9 juega un rol importante en la liberación de VEGF en la MEC.

   Las BMP juegan roles importantes en la promoción del reclutamiento, la proliferación y la diferenciación de osteoblastos en los sitios de resorción ósea. Las BMP 2,4, 6 y 7 son expresadas en osteoclastos. La BMP6 recluta osteoprogenitores a los sitios de remodelación ósea y estimula la formación de hueso.

   La CTHRC1, originalmente aislada de arterias dañadas, es altamente expresada en osteoclastos activos como un regulador positivo de la formación de hueso por los osteoblastos. Las investigaciones recientes demuestran que  la CTHRC1es un factor de acoplamiento secretado por los osteoclastos que regula el remodelado óseo.

   La EFNB2, codificada por un gen blanco del factor nuclear de células T citoplasmáticas activadas 1 (NAFTc1), es expresada en osteoclastos, mientras su receptor EphB4 es expresado en osteoblastos. La señal EFNB2-EphB4 está relacionada con la supresión de la diferenciación de osteoclastos y la estimulación de la formación de hueso, lo cual puede regular la transición de un patrón de resorción ósea a un patrón de formación de hueso.

   La S1P es una esfingosina fosforilada catalizada por la esfingosina quinasa 1 (SPHK1), una enzima expresada en osteoclastos. El incremento de la expresión de SPHK1 y de la producción y secreción de S1P ha sido observado en modelos de macrófagos derivados de la médula ósea sometidos a estimulación con RANKL. SPHK1 y S1P juegan roles importantes en la regulación de la osteoclastogénesis y en la comunicación entre osteoclastos y osteoblastos como factores de acoplamiento derivados de los osteoclastos.

   El Wnt10 ha sido identificado como un factor de acoplamiento derivado de los osteoclastos a través del cual los osteoclastos reclutan progenitores de osteoblastos al sitio del remodelado óseo. El hecho que el TGFβ1 incremente la producción de Wnt10, pero no la de BPM6 y S1P, en los osteoclastos para promover la mineralización de células osteoblásticas  sugiere que el Wnt10 contribuye a aumentar el acoplamiento entre osteoclastos y osteoblastos.

   La SEMA4D, una molécula perteneciente a la familia semaforina, es expresada exclusivamente por los osteoclastos. La SEMA4D inhibe la formación de hueso modulando la motilidad de osteoblastos y suprimiendo la señal del factor de crecimiento similar a insulina 1   (IGF-1)  a través de la unión a su receptor plexin-B1en los osteoblastos y la activación de la GTPasa RhoA.

   La CT-1 es un miembro de la familia de la interleuquina 6 (IL-6) y actúa a través de los receptores GP130 y LIF (LIFR). La CT-1 es expresada por los osteoclastos y es esencial para la resorción ósea normal. La CT-1 secretada por los osteoclastos tiene un rol paracrino y como factor de acoplamiento actúa sobre osteocitos, osteoblastos y sus precursores para estimular la formación de hueso durante el remodelado óseo. La CT-1 incrementa la expresión de C/EBP, la cual actúa sinérgicamente con Runx2 para activar la transcripción de OCN.

   El factor de crecimiento derivado de plaquetas BB (PDGF-BB) induce la migración de CE progenitoras y por consiguiente la angiogénesis. Más aún, el PDGF-BB secretado por los osteoclastos estimula la migración y diferenciación de MSC. El PDGF-BB también puede inducir  la formación de capilares tipo H acoplando la osteogénesis durante el modelado y el remodelado óseos. En el hueso, hay dos subtipos de capilares según la expresión del marcador y las características funcionales: H y L. Los capilares tipo H expresan altos niveles de endomucina (EMCN) y CD31 y están localizados en la metafísis y el endosteum rodeados por células osteoprogenitoras. Los capilares tipo L están presentes principalmente en la región medular con bajos niveles de EMCN y CD31. Los capilares tipo H pueden acoplar la angiogénesis con la osteogénesis durante el desarrollo óseo.

   En conclusión, las proteínas secretadas por las células óseas ejercen regulación sobre la osteoblastogénesis, la osteoclastogénesis y la angiogénesis de una manera paracrina. Los osteoblastos secretan diferentes moléculas incluyendo RANKL/OPG, M-CSF, SEMA3A, Wnt5A y Wnt16 que regulan la osteoclastogénesis. Los osteoblastos también producen VEGFA que estimula la osteoblastogénesis y la angiogénesis. Los osteocitos producen SOST que inhibe la diferenciación de osteoblastos y promueve la diferenciación de osteoclastos. Los osteoclastos secretan factores que incluyen BMP6, CTHRC1, EFNB2, S1P, Wnt10B, SEMA4D y CT-1 que actúan sobre osteoblastos y osteocitos y, por tanto, influyen en la osteogénesis. Los precursores de osteoclastos producen el factor angiogénico PDGF-BB que promueve la formación de vasos tipo H, lo cual estimula la osteoblastogénesis. Al menos tres hormonas u “osteoquinas” de las células óseas tienen funciones endocrinas.  El FGF23 producido por osteoblastos y osteocitos y puede regular la homeostasis de fosfato. La OCN secretada por osteoblastos regula la glucosa sistémica, el metabolismo energético, la reproducción y la cognición. La LCN2 es secretada por osteoblastos y puede influir en el metabolismo energético suprimiendo el apetito.

Fuente: Han Y et al (2018). Paracrine and endocrine actions of bone- the functions of  secretory proteins from osteoblasts, osteocytes, and osteoclasts. Bone Research 6:16.

Péptidos intestinales, metabolismo de la glucosa e ingesta de alimentos

El sistema nervioso entérico (SNE), referido como el “segundo cerebro”, está compuesto por más de 600 millones de neuronas y células gliales en el humano. El SNE corre a lo largo del tracto gastrointestinal (TGI) y está organizado en dos plexos principales. El plexo submucoso (o plexo de Meissner) situado en la submucosa de la pared intestinal y el plexo mientérico (o plexo de Auerbach) entre las capas longitudinal y circular de la musculatura externa. Los haces de fibras nerviosas conecta los ganglios con un plexo y entre los diferentes plexos. A pesar de algunas diferencias en la organización estructural en el TGI, el SNE controla las principales funciones del TGI como secreción, función de barrera y movimiento de líquidos a través del epitelio. El SNE también es un regulador clave del flujo sanguíneo local, la interacción con los sistemas inmune y endocrino del intestino y la motilidad intestinal.

   Los reflejos de motilidad, regulado principalmente por neuronas mientéricas, son necesarios para la fisiología de la digestión y para modular el vaciamiento gástrico, el tiempo del  tránsito gastrointestinal  (propulsión por ondas peristálticas, inducido por el complejo motor migrante y mezcla del quimo por segmentación, en estado alimentado, a lo largo del TGI) y la absorción de nutrientes. Después de la ingesta de alimento, la distorsión mecánica y la modificación de la química luminal inducida por el quimo activan las redes de neuronas sensoriales intrínsecas interconectadas (IPAN)  y neuronas entéricas mecanosensibles (NEM). Los potenciales de acción generados son conducidos a interneuronas y motoneuronas excitadoras/inhibidoras que inervan el músculo liso.  Cada tipo funcional de neuronas entéricas es definido por un código neuroquímico. El SNE está compuesto principalmente por neuronas acetilcolina transferasa y sintetasa de óxido nítrico neuronal (nNOS) que, respectivamente, estimulan e inhiben células de músculo liso intestinal. El SNE está conectado con el sistema nervioso central (SNC) a través de neuronas sensoriales que envían fibras aferentes que conducen el mensaje nervioso. Después de la integración hipotalámica, las rutas eferentes simpáticas y parasimpáticas pueden modular las funciones del SNE como motilidad, secreción y circulación.

   Los nutrientes absorbidos o producidos por actividad metabólica son capaces de activar neuronas mientéricas y/o submucosales, codificar estímulos sensoriales y por lo tanto, modular las funciones del SNE. En efecto, las neuronas entéricas expresan transportadores y receptores involucrados en “sensar” nutrientes como SGLT-1 (transportador Na⁺-glucosa) para glucosa, receptor acoplado a proteína G (GPR) 41 y 43 para ácidos grasos de cadena corta, Pept 2 (transportador de dipéptidos) y receptores activados por glutamato, glicina o GABA para proteínas/péptidos. Las alteraciones de nutrientes u hormonas en el intestino están asociadas con una respuesta hipotalámica aberrante que podría provocar estados patológicos, incluyendo diabetes mellitus tipo 2 (DT2). Por ejemplo, los sujetos obesos exhiben una disminución de la expresión de nNOS en el TGI en correlación con una alteración de la actividad del SNE asociada con hipercontractilidad intestinal. La ingesta de una dieta rica en grasas induce daños y cambios plásticos en las neuronas mientéricas que alteran los circuitos neurales causando síntomas de dismotilidad y se correlaciona con neuropatía en el plexo mientérico con síntomas de DT2 del duodeno al colon.

   Los péptidos bioactivos de diferentes orígenes son capaces de modular la actividad del SNE. Ellos están presentes en la luz intestinal y alcanzan el plexo mientérico para modular la actividad de las neuronas del SNE. Entre los tipos de células especializadas localizados  en el epitelio intestinal, las células enteroendocrinas (CEE) intervienen en la homeostasis intestinal y la absorción de nutrientes a través de la secreción de péptidos que actúan de manera autocrina, paracrina o endocrina. Los diferentes subtipos de CEE expresan distintas familias de péptidos. En este contexto, los péptidos derivados del proglucagón, particularmente péptido similar a glucagón-1 (GLP-1) y GLP-2, son secretados en respuesta a la ingesta de comida principalmente por CEE-L localizadas a lo largo del TGI. Estos péptidos exhiben acciones que controlan la motilidad intestinal, la ingesta de alimentos y la homeostasis de la glucosa reduciendo la glucemia postprandial. El GLP-1 ejerce efectos inhibidores sobre la motilidad gastrointestinal y participa en la absorción de la glucosa a través de aferentes vagales y mecanismos nerviosos centrales. El GLP-1 actúa en las neuronas entéricas  para disminuir la neurotransmisión colinérgica excitadora a través de GLP-1R presinápticos que modulan la liberación de NO. A través de este mecanismo, el GLP-1 es capaz de reducir la motilidad gástrica. En ratas adultas, el tratamiento con GLP-2 mejora la supervivencia de las neuronas mientéricas e incrementa la población de neuronas entéricas que expresan péptido intestinal vasoactivo (VIP).

   La coleccistoquinina (CCK) es secretada por células I, localizadas principalmente en duodeno, yeyuno proximal y SNC, en respuesta a la ingesta de alimentos. Los receptores CCK (CCK-1 y CCK-2) son expresados en neuronas entéricas y están involucrados en la regulación de la segmentación inducida por nutrientes, con la participación de neuronas serotoninérgicas activan neuronas aferentes primarias intrínsecas y extrínsecas para iniciar reflejos peristálticos y secretores y para trasmitir información al SNC. La CCK es co-expresada con oxitocina en las neuronas del plexo mientérico en el duodeno y participa en la inhibición de la contracción espontanea de músculo liso.

   La ghrelina es producida en células endocrinas gástricas y ejerce sus efectos interactuando con receptores (receptor de secretagogo de hormona de crecimiento 1a o GHSR1a) expresados en los plexos entéricos del TGI. La ghrelina (endógena o administrada periféricamente) promueve la motilidad gástrica e intestinal, particular la actividad motora en el ayuno, a través de neuronas colinérgicas intrínsecas en modelos animales y humanos. 

   La apelina es un péptido bioactivo involucrado en el control del metabolismo de glucosa mejorando la sensibilidad a la insulina. La apelina es secretada por enterocitos y es liberada en la parte luminal del intestino para favorecer la absorción de glucosa.

   El neuropéptido Y (NPY)  y el péptido YY (PYY), estructuralmente relacionados, median acciones inhibidoras sobre la motilidad y la secreción del TGI. La inyección intraperitoneal de NPY y PYY inhibe las contracciones colónicas de alta amplitud y la función motora propulsiva del colon estimulada por acetilcolina. Por otra parte, el polipéptido pancreático (PP)  estimula la actividad motora gástrica a través de la activación de neuronas  excitadoras que liberan acetilcolina (Ach) y taquikininas.

   La galanina es un neuropéptido grandemente expresado en las neuronas del SNE y el cerebro. En el intestino, la mayoría de los efectos de la galanina son mediados por Gal-R1 predominantemente expresado en el SNE y en particular en las neuronas que expresan Ach, nNOS o VIP. La galanina es conocida como un neuropéptido que ejerce una acción inhibidora sobre neuronas mientéricas colinérgicas y aumenta la actividad de neuronas que liberan NO.

   Los microorganismos son capaces de sintetizar un gran número de metabolitos con propiedades beneficiosas y perjudiciales para la salud humana. La interacción entre la microbiota intestinal y el SNE está bien documentada. En efecto, la microbiota intestinal produce moléculas bioactivas que actúan sobre neuronas entéricas para influir en la motilidad del TGI y modificar el eje intestino-cerebro con su impacto sobre las IPAN. La microbiota intestinal influye en la biosíntesis y liberación de neurotransmisores entéricos como serotonina, una monoamina que participa en el control de la motilidad del TGI. Los péptidos de las bacterias son formilados y los péptidos N-formil son detectados por receptores acoplados a proteína G que actúan como receptores quimiosensibles. Hasta el presente no se ha descrito ninguna relación directa entre los péptidos N-formil y el SNE.

   ¿Cómo impacta el control de la contracción intestinal al metabolismo de la glucosa? Primero,  el estado alimentado se caracteriza por la presencia de ondas en los segmentos de la parte proximal del intestino que favorecen la absorción de glucosa. En efecto, existe una correlación positiva entre contracción intestinal y absorción de glucosa. Segundo, la contracción duodenal puede ser detectada por el hipotálamo a través de una señal nerviosa aferente. En consecuencia, el incremento de la contracción duodenal  provoca una drástica disminución de la liberación de NO por el hipotálamo y por lo tanto disminución de la entrada de glucosa en el tejido muscular. Este dato sugiere que péptidos intestinales como la apelina podrían modular el acoplamiento SNE-músculo liso y favorecer la absorción de glucosa en el inicio de la ingesta de alimento. Por el contrario, un alto nivel de apelina puede disminuir la contracción duodenal y entonces incrementar la liberación hipotalámica de NO y favorecer la entrada de glucosa en el músculo. En altas dosis, la apelina puede estimular la actividad de las neuronas nNOs duodenales y (1) disminuir la absorción de glucosa por una acción local y (2) restaurar el eje intestino-cerebro y la sensibilidad a la insulina. Este resultado supone que los péptidos intestinales tienen efectos opuestos al final de la ingesta de alimento y/o digestión para limitar el nivel de glucosa plasmática en el organismo.  Los pacientes diabéticos y obesos presentan alteración de las neuronas del SNE que repercute sobre las contracciones colónicas y duodenales. La hipercontractilidad duodenal está asociada con un significativo incremento de la absorción de glucosa y con una disfunción del eje intestino-cerebro que favorece el estado de resistencia a la insulina. Por el contrario, la galanina oral es capaz de incrementar la liberación de NO en el duodeno para restaurar el eje intestino-cerebro. La mejora del metabolismo de la glucosa está asociada con un incremento significativo de la entrada de glucosa en músculo, hígado y tejido adiposo.

   Los péptidos intestinales son capaces de controlar la ingesta de alimento. Estos péptidos pueden ejercer efectos anorexigénicos (GLP-1, PYY y CCK) u orexigénicos (ghrelina) actuando directamente en el cerebro o a través de una ruta vagal aferente. La producción de glucosa por las células epiteliales del intestino puede constituir un mecanismo mayor por el cual los nutrientes regulan la ingesta de alimento. Varios estudios demuestran que la gluconeogénesis intestinal (GNI) es un proceso clave en la promoción de la disminución del hambre y para mejorar la sensibilidad a la insulina. La GNI es un proceso activado por la degradación de las proteínas de la dieta en aminoácidos. Adicionalmente, la GNI es inducida después de cirugía metabólica y representa alrededor de 20% de la producción endógena de glucosa en el estado postabsortivo. La cirugía metabólica (por ejemplo, RYGB) está asociada con un cambio dramático en la ruta de los nutrientes y, por tanto, puede afectar directamente la composición de la microbiota intestinal. El “bypass” gástrico también se caracteriza por un masivo incremento de péptidos intestinales involucrados en la ingesta de alimentos y el metabolismo de la glucosa como GLP-1 y PYY. Este fenómeno puede ser atribuido, al menos en parte, al contacto directo entre nutrientes (glucosa, lípidos y aminoácidos) y las CEE  y también a la fermentación de componentes no digeribles de los alimentos y nutrientes por la microbiota intestinal. Un ejemplo de esto es la fermentación de fibras y la secreción de GLP-1. Los mecanismos por los cuales las fibras dietéticas como los probióticos (inulina, oligofructosa) reducen la glucemia, la ingesta de alimentos y mejora la sensibilidad a la insulina, están directamente relacionados con la producción intestinal del péptido GLP-1. Los metabolitos producidos por las bacterias intestinales, butirato y propionato, contribuyen a la modulación  de la producción de GLP-1 y PYY en estas condiciones. Los mecanismos antes mencionados (GNI, fermentación bacteriana o la producción de péptidos) están conectados con el SNE. Por ejemplo, en el caso de la   fermentación de fibras, el propionato generado se une al GPR41 expresado en las terminaciones nerviosas de la pared de la vena porta. El propionato producido por la microbiota intestinal también controla la GNI y eventualmente la ingesta de alimentos. Por otra parte, un estudio reciente sugiere que la liberación local de VIP por las neuronas entéricas  puede ser un mecanismo clave por el cual los nutrientes, los péptidos y los metabolitos microbianos están involucrados en la activación de la GNI y por consiguiente en el control del metabolismo de la glucosa y la ingesta de alimentos.  

   En conclusión, el intestino es una fuente de péptidos bioactivos en el cuerpo. Los péptidos intestinales, además de sus acciones directas en el cerebro y/o tejidos periféricos, tienen un impacto sobre las neuronas del SNE. Debido a los diversos orígenes de los péptidos intestinales (nutrientes, pared intestinal, microbiota intestinal) y la heterogeneidad de la población de neuronas entéricas, los mecanismos de control de los  parámetros fisiológicos son múltiples. El SNE es un blanco de los péptidos intestinales en el control del metabolismo de la glucosa y la ingesta de alimentos.

Fuente: Abot A et al (2018). Impact of intestinal peptides on the enteric nervous system: novel approaches to control glucose metabolism and food intake. Frontiers in Endocrinology 9: 328.