Modelos de secreción pulsátil de insulina

La secreción de insulina en roedores, perros y humanos es pulsátil con un período promedio de aproximadamente cinco minutos. Esta pulsatilidad, según algunos estudios,  aumenta la acción de la insulina en el hígado. La pulsatilidad en la secreción de insulina refleja oscilaciones  en la concentración intracelular de las células β del páncreas, lo cual a su vez refleja la actividad eléctrica de la célula. En los islotes intactos comúnmente se observan varios tipos de oscilaciones. Las oscilaciones lentas tienen períodos entre 4 y 6 minutos. Las oscilaciones rápidas se observan con períodos de menos de 1 minuto. Las oscilaciones rápidas pueden formar “oscilaciones compuestas”  en episodios repetidos con el mismo rango de las oscilaciones lentas puras. Las oscilaciones de Ca²⁺ reflejan un tipo de actividad eléctrica llamado “estallido compuesto”. Tanto las oscilaciones lentas como las oscilaciones compuestas de Ca²⁺  tienen períodos consistentes con las mediciones de insulina plasmática en ratones. En las células β humanas, la mayoría de oscilaciones eléctricas reportadas son de tipo rápidas, pero también se observan oscilaciones lentas en la concentración de Ca²⁺ y con periodicidad similar a la secreción pulsátil de insulina. Los islotes humanos tienden a tener potenciales de acción más grandes que los roedores debido a las prominentes corrientes de Na⁺ pero la similitud de los períodos de oscilaciones lentas sugiere que los mecanismos subyacentes son similares en roedores y humanos. En la investigación de los mecanismos biofísicos  de las oscilaciones en la actividad de las células β han surgido varias clases de modelos (cualitativos y matemáticos). Por ejemplo, el modelo oscilador integrado (MOI) combina características de modelos previos y satisface todas las pruebas experimentales.

   En 1983, Chay y Keizer publicaron un modelo de secreción de insulina a partir del cual surgieron otros modelos. El aspecto central de ese modelo es la retroalimentación negativa lenta, un mecanismo para oscilaciones en el cual una elevación del Ca²⁺ libre intracelular activa canales de K⁺ dependientes de Ca²⁺  (canales K_Ca). De acuerdo con este modelo, el aumento intracelular de Ca²⁺ durante el “estallido” (burst) de la fase activa y su disminución durante la fase silente manejan el burst a través de su acción sobre los canales K_Ca. Este modelo fue exitoso en reproducir el patrón de burst rápido (período de 15 seg) así como la respuesta de la célula a los cambios en la glucosa. Esto es, con bajos niveles de glucosa la célula β es silente y a niveles altos en los burst produce un tren continuo de impulsos. En el régimen de burst, los incrementos en el nivel de glucosa aumentan la duración de la fase activa con relación  a la duración de la fase silente, conocida como “fracción plateau”.  Después de la publicación de este modelo, se reportaron los canales de K sensibles a ATP (canales K_ATP) en las células β e inmediatamente se reconoció su importancia en la secreción de insulina. La existencia  de estos canales aumentó la posibilidad que las oscilaciones en el metabolismo podrían ser un mecanismo subyacente en la actividad eléctrica de la célula, el nivel de Ca²⁺ y la secreción de insulina.  

   Las dos principales clases de modelos para las  oscilaciones  de las células β pueden ser dividas en aquellos modelos en los cuales las oscilaciones de Ca²⁺  conducen las oscilaciones en el metabolismo (oscilaciones manejadas por Ca²⁺) y los modelos en los cuales las oscilaciones en el metabolismo conducen las oscilaciones  de Ca²⁺ (oscilaciones manejadas por metabolismo). Los modelos que constituyen la primera clase difieren en los componentes biofísicos específicos más importantes para la actividad eléctrica y las oscilaciones de Ca²⁺. En todos los casos, sin embargo, la actividad eléctrica del burst refleja la retroalimentación lenta negativa  a través de uno o más procesos lentos (variable s). Durante la fase activa, s aumenta lentamente y termina en espiga mientras durante la fase silente disminuye lentamente y eventualmente se vuelve lo suficientemente  pequeña para permitir que la actividad eléctrica comience nuevamente. En algunos modelos, las oscilaciones metabólicas ocurren como resultado de la producción de ATP dependiente de Ca²⁺ o el consumo de ATP dependiente de Ca²⁺ por las bombas de Ca²⁺. En otras variantes, la retroalimentación negativa lenta que maneja el burst no es proporcionada directamente por el Ca²⁺ sino por la inactivación de canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje o por la acumulación de  Na⁺ posiblemente mediada por el intercambiador Na⁺/Ca⁺, lo cual a su vez activa las bombas Na⁺/K⁺ o una combinación de estos mecanismos iónicos. En todos estos casos, las oscilaciones metabólicas son debidas a oscilaciones de Ca²⁺.

   La idea alternativa que las oscilaciones metabólicas manejen las oscilaciones de Ca²⁺ en las células β está basada en la observación  que las oscilaciones en la glucolisis pueden ser medidas en extractos de músculo y se deben a la isoforma muscular (PFK-M) de la enzima  fosfofructoquinasa (PFK). En esta etapa, la fructosa 6-fosfato (F6P) es convertida en fructosa 1,6-bisfosfato (FBP) un activador alostérico  de la actividad de la PFK-M. Esta misma isoforma está presente en las células β y es la isoforma más activa de la PFK. La hipótesis es que las oscilaciones glucolíticas ocurren en células β estimuladas por glucosa y provocan oscilaciones en la producción de ATP, lo cual modula canales K_ATP, manejando el burst eléctrico y las oscilaciones de Ca²⁺.

   El modelo del oscilador dual (MOD) combina elementos  de las dos principales  clases de modelos  y postula que las oscilaciones de Ca²⁺ manejan el burst eléctrico rápido en las células β, mientras las oscilaciones glucolíticas, cuando están activas, manejan el burst lento. El burst rápido es un episodio manejado por la retroalimentación  de Ca²⁺ en los canales K_Ca, mientras el conjunto de episodios es controlado por las oscilaciones glucolíticas y la acción ATP/ADP  sobre los canales K_ATP. El modelo ha sido modificado recientemente para agregar la retroalimentación negativa de Ca²⁺ sobre la ruta metabólica. El modelo oscilador integrado (MOI) se basa en el MOD pero agrega una retroalimentación de Ca²⁺ en la glucolisis. El metabolismo de la glucosa  involucra varias deshidrogenasas activadas por Ca²⁺ en la producción de NADH y FADH₂. En particular, la piruvato deshidrogenasa (PDH) que convierte piravato en acetil–CoA es fuertemente activada por Ca²⁺.

   En el MOD, las oscilaciones glucolíticas son manejadas por la retroalimentación del producto FBP sobre su enzima sintética, PFK-M. Esta retroalimentación positiva resulta en la producción regenerativa  de FBP hasta que su precursor P6P es sustancialmente depletado. Esta depleción reduce grandemente la producción de FBP hasta que el sustrato  es nuevamente producido. Este proceso de crecimiento, declinación y renovación resulta en oscilaciones con períodos de 5 minutos aproximadamente. La glucosa es el impulso primario del sistema, si es baja, la tasa de producción de FBP también será baja para producir oscilaciones glucolíticas. Si el nivel de glucosa es alto, la P6P no será depletada y la producción de PBP será alta y monoosciladora. Solamente con valores intermedios de glucosa ocurrirán oscilaciones lentas. El piruvato es metabolizado en las mitocondrias para formar ATP, lo cual inhibe a la PFL-M y disminuye la tasa de glucolisis. El ATP también cierra los canales K_ATP y su concentración es reducida por Ca²⁺.

   En el MOI, el Ca²⁺  regula el flujo glucolítico a través de la estimulación  de PDH. Cuando el Ca²⁺ en el citosol es bajo, el flujo glucolítico será reducido, causando acumulación de FBP. Cuando el Ca²⁺ es alto, el flujo glucolítico será alto, causando disminución de FBP. Cuando el Ca2+ oscila, el flujo de FBP es bajo durante la fase baja de la oscilación y durante la fase alta de la oscilación, el flujo de FBP es alto. La producción de ATP es inherente con  este curso de tiempo, aumenta cuando el Ca²⁺ es bajo y disminuye cuando el Ca²⁺ es alto. Aunque el MOI  genera oscilaciones de ATP cuando el Ca²⁺  libre  oscila, los pulsos de FBP y ATP  se pueden predecir cuando el Ca²⁺ no oscila libremente. Por ejemplo, con niveles bajos de glucosa, la actividad eléctrica es mínima y el Ca²⁺ es bajo y posiblemente con pequeñas fluctuaciones. Generalmente, las oscilaciones glucolíticas no ocurren cuando la glucosa es baja y no hay burst de actividad eléctrica, pero en algunos casos pueden  resultan pulsos de FBP y ATP. Otros modelos en los cuales las oscilaciones metabólicas son manejadas por oscilaciones de Ca²⁺ también tienen oscilaciones de ATP.

   En conclusión, la secreción de insulina por las células β del páncreas  ocurre de manera pulsátil, con períodos de 5 minutos aproximadamente. Hay varios mecanismos para las oscilaciones de Ca²⁺ que guardan relación con las oscilaciones de insulina de 5 minutos aproximadamente. El MOI integra características de múltiples modelos. En este modelo,  el Ca²⁺  intracelular actúa sobre la ruta glucolítica en la generación de oscilaciones. El MOI sugiere que las oscilaciones metabólicas se deben a oscilaciones glucolíticas intrínsecas manejadas por la enzima alostérica PFK-M. El MOI también sugiere que un mecanismo no glucolítico también puede ser responsable de las oscilaciones lentas de Ca²⁺.  

Fuente: Bertram R et al (2018). Closing in on the mechanisms of pulsatile insulin secretion. Diabetes 67:351-359.