Células KNDy

En 1980, Ernst Knobil identificó la presencia de un pulso generador que regula la liberación episódica de hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH) por el hipotálamo. Los cambios en frecuencia y amplitud de los pulsos de GnRH y la liberación pulsátil de las gonadotropinas, hormona luteinizante (LH) y hormona estimulante del folículo (FSH), por la hipófisis anterior son esenciales para el apropiado control de la fertilidad a través de la producción de hormonas esteroides y el desarrollo de gametos en las gónadas. En un asa de retroalimentación, las hormonas esteroides actúan a través de una red neuronal aferente para proporcionar información crítica a las neuronas GnRH, regulando su patrón de actividad. Las rutas aferentes kisspeptina-positivas  hacia las neuronas GnRH son críticas para el mantenimiento de la liberación de GnRH necesaria para la fertilidad. Los estudios que han examinado el rol de las kisspeptinas (Kp) en modelos animales han confirmado que estos péptidos a través del receptor acoplado a proteína G, GPR54 (también conocido como kiss1R) estimulan la liberación de LH (y por lo tanto de GnRH). La ausencia específica de GPR54 en las neuronas GnRH resulta en infertilidad.

   Las neuronas  del área periventricular rostral del tercer ventrículo (RP3V) de roedores o el área preóptica (POA) de otros mamíferos y el núcleo arqueado (ARC) del hipotálamo son sitios de alta densidad de expresión de Kp en el cerebro de los mamíferos. La mayoría de estas neuronas expresan receptores críticos para la retroalimentación ejercida por las hormonas esteroides: estrógenos, progesterona y testosterona (receptor de estrógeno α (Erα), receptor de progesterona y receptor de andrógeno, respectivamente). Por otra parte, en 2007, estudios con inmunofluorescencia en ovejas detectaron que casi todas las neuronas kisspeptina en el ARC coexpresan la taquikinina neuroquinina B (NKB) y el péptido opioide endógeno dinorfina (Dy). Estos tres neuropéptidos están fuertemente implicados en el control de la liberación de GnRH. Debido al alto grado de colocalización de los tres péptidos, y por simplicidad, esta población de neuronas es conocida como células KNDy (kisspeptina/neuroquininaB/dinorfina). La colocalización de péptidos KNDy fue demostrada posteriormente en ratón, rata, vaca, cabra y primates no humanos. En humanos, si bien persisten algunas preguntas, la colocalización en el núcleo infundibular del hipotálamo de los tres péptidos KNDy, implicados en el control de la fertilidad y la liberación episódica de GnRH, proporciona evidencia de la localización del pulso generador de GnRH en la región mediobasal hipotalámica/ARC.   Aunque la población KNDy es conservada a través de la mayoría de especies de los mamíferos, el grado de coexpresión varía entre especies, sexo y estatus de hormonas esteroides.

   La hipótesis que las neuronas KNDy forman un componente crítico del pulso generador de GnRH está sustentada en la colocalización de los tres neuropéptidos con efectos opuestos sobre la liberación de GnRH/LH,  con Kp y NKB como estimuladoras y la dinorfina como inhibidora. La llamada “hipótesis KNDy” establece que la NKB es la señal responsable del inicio del pulso disparando la activación entre las neuronas KNDy, la Kp sirve como señal de salida, manejando la secreción de GnRH y la dinorfina es la señal para terminar cada pulso. Esta hipótesis es apoyada por la evidencia que (1) los axones que contienen péptidos KNDy están en contacto directo con la mayoría de cuerpos celulares KNDy, formando una población celular interconectada capaz de producir descargas sincronizadas para coordinar la liberación pulsátil de GnRH; (2) los receptores para Kp y NKB están anatómicamente segregados en las neuronas GnRH y KNDy; (3) la manipulación farmacológica de los receptores postsinápticos para Kp, NKB y dinorfina, GPR54, TAC3R (NK3R) y receptor κ-opioide (KOR), respectivamente, alteran la liberación pulsátil de GnRH de manera consistente.

   La presencia de conexiones reciprocas entre las neuronas KNDy sugiere que la población es capaz de producir descargas sincronizadas para generar y coordinar la liberación pulsátil de GnRH. En concordancia con  esta hipótesis, las neuronas KNDy  expresan los receptores postsinápticos para los péptidos KNDy. Sin embargo, la carencia de una evidencia robusta para la expresión de GPR54 en las neuronas KNDy sugiere que la Kp no actúa a través de conexiones reciprocas para controlar la generación del pulso de GnRH. La Kp actúa estimulando directamente la actividad de las neuronas GnRH. En el ratón, aproximadamente 80%de las neuronas GnRH expresan GPR54. En un estudio reciente, la inhibición de la actividad de las neuronas kisspeptina en el ARC reduce la frecuencia y amplitud de los pulsos de LH. El NK3R no es expresado en el cuerpo celular de las neuronas GnRH de roedores. El soma de las neuronas GnRH  de ratón no responde a la KNB, apoyando la noción que la Kp, pero no la NKB, actúa estimulando las neuronas GnRH, a través de la señal GPR54, para la liberación de LH. Por otra parte, es posible que la dinorfina actúe tanto a través de la red KNDy como directamente en las neuronas GnRH para inhibir la actividad neurosecretora y terminar efectivamente un pulso de GnRH.  La liberación de dinorfina por las neuronas KNDy comienza inmediatamente después del inicio del pulso de GnRH y se mantiene durante  todo el pulso. Por el contrario, la internalización del KOR en las neuronas GnRH se observa cerca del final del pulso de LH, pero no en el comienzo indicando que la dinorfina actúa en las neuronas KNDy y GnRH para terminar cada pulso. Además de la regulación sináptica, los axones terminales de las neuronas KNDy han sido identificados en las zonas interna y externa de la eminencia media y por tanto pueden regular la liberación pulsátil de GnRH a través de la transmisión a los terminales nerviosos de las neuronas GnRH.

   Aunque está claro que las neuronas KNDy juegan un rol vital en la generación de la liberación pulsátil de LH, es posible que solamente constituyan un componente del generador del pulso. No está claro cuantas neuronas KNDy son requeridas para manejar la liberación de LH. Algunos estudios sugieren una potencial heterogeneidad funcional entre las subpoblaciones KNDy, con solamente un subgrupo regulando directamente la liberación de GnRH, aunque es posible que un gran porcentaje de neuronas KNDy sea reclutado vía conexiones reciprocas. En apoyo de esta noción, la estimulación optogenética de neuronas KNDy unilateralmente en el ARC produce la activación sincronizada de las células KNDy contralaterales, lo cual sugiere el reclutamiento de conexiones bilaterales para provocar una robusta  activación sincronizada de la población KNDy.

   A partir de estudios farmacológicos han sido implicados otros neurotransmisores y neuropéptidos en la regulación de los pulsos de GnRH. Algunos de estos sistemas  de neurotransmisores/neuropéptidos pueden actuar a través de acciones directas sobre las neuronas GnRH mientras otros pueden actuar a través de las neuronas KNDy y otros circuitos en el ARC. Dado que aparentemente las neuronas KNDy no expresan el receptor GPR54, algunos estudios sugieren que las Kp pueden actuar sobre neuronas no KNDy en el ARC para estimular la liberación pulsátil de GnRH. Esta activación de células no KNDy puede  reforzar la estimulación inicial de las neuronas KNDy por la NKB para manejar el pulso de GnRH.  El GPR54 es expresado por células POMC en el ARC y neuronas dopaminérgicas tuberoinfundibulares. Por lo tanto, es posible que la Kp medie la liberación de LH a través de impulsos locales en estas células. Por ejemplo,  en roedores, la liberación de β-endorfina por las neuronas POMC inducida por Kp puede proporcionar redundancia en la finalización de los pulsos de GnRH inducida por EOP.

   En los machos, y  durante la mayor parte del ciclo femenino, la secreción episódica de GnRH es reducida por la retroalimentación negativa de las hormonas esteroides gonadales a través de rutas aferentes. Un indicador clave que las neuronas KNDy median la retroalimentación de las hormonas esteroides es la correlación de la expresión de los péptidos KNDy con los cambios en los niveles circulantes de hormonas esteroides. En roedores, la remoción de hormonas esteroides por gonadectomía incrementa la expresión de Kp y NKB, mientras la reintroducción de estrógenos reduce esta expresión, lo cual sugiere una reducción de péptidos excitadores que es consistente con retroalimentación negativa.  El incremento de Kp y NKB también ocurre en el núcleo infundibular de mujeres postmenopáusicas, un estado asociado con reducción de estradiol. Por el contrario, en algunas especies, las hormonas esteroides tienen un efecto opuesto sobre la dinorfina en el ARC, proporcionando un incremento en el tono inhibidor sobre las neuronas GnRH. La dinorfina está disminuida en las mujeres postmenopáusicas, lo cual incrementa la liberación de LH sugiriendo un mecanismo donde la disminución del tono inhibidor eleva la liberación de LH a pesar de la insuficiencia ovárica. Por otra parte, la progesterona incrementa la expresión de dinorfina en POA, área hipotalámica anterior y ARC y la microimplantación de un antagonista de KOR o del receptor de progesterona en el ARC incrementa la frecuencia de pulsos de LH. Esto es consistente con los resultados de trabajos en múltiples especies, incluyendo humanos, que reconocen a los opioides endógenos como mediadores de la retroalimentación negativa de la progesterona e identifican a las neuronas dinorfina del ARC como un sitio clave de la retroalimentación negativa de la progesterona.

   El ERα es crítico para la retroalimentación negativa de los estrógenos y por consiguiente para la fertilidad y la deficiencia de ERα, específicamente en el ARC de ratones adultos provoca infertilidad y alteración de la retroalimentación negativa del estradiol. Las neuronas kisspeptina que contienen ERα son altamente sensibles a bajos niveles de estradiol antes  de la pubertad, lo cual resulta en baja expresión de Kp en el ARC y disminución de la liberación de GnRH y LH. Sin embargo, después de la pubertad, es posible que las neuronas KNDy adquieran resistencia a la retroalimentación negativa de los estrógenos por lo que otros circuitos neurales que expresan ERα son requeridos para el control completo de la liberación de GnRH. Adicionalmente, otros receptores de estrógenos pueden estar involucrados en el mecanismo de  retroalimentación negativa. Por lo tanto, los múltiples receptores expresados en las neuronas KNDy son requeridos para la expresión completa de la retroalimentación negativa del estradiol.

   En la fase folicular media del ciclo menstrual, los elevados niveles de estrógenos manejan el cambio de retroalimentación negativa a positiva, provocando un pico en la liberación de GnRH y LH que es necesario para que ocurra la ovulación. En roedores, hay evidencia que apoya un rol de las neuronas kisspeptina del RP3V en la retroalimentación positiva del estradiol. Sin embargo, también hay evidencia que las neuronas KNDy juegan un rol en la regulación del pico de secreción de LH en especies no roedores. Aun no se ha determinado si los efectos de retroalimentación negativa y positiva del estradiol son mediados a través de las mismas neuronas KNDy o por distintos subgrupos de la población KNDy.

   Las células KNDy, además de los roles en la generación del pulso de GnRH y la retroalimentación negativa de esteroides gonadales,  están involucradas en otros aspectos de la reproducción y en las  funciones fisiológicas de otros sistemas. Esto incluye el rol de las células KNDy como nodo central clave de las señales externas e internas que regulan la pubertad, los efectos del estrés sobre el eje reproductivo, la interacción entre factores metabólicos y reproducción, el control de la termorregulación, la influencia de los esteroides gonadales sobre la secreción de prolactina y de la prolactina sobre la reproducción. Las investigaciones sobre los roles de las células KNDy en la generación del pulso de GnRH y la retroalimentación de los esteroides gonadales han abierto un nuevo espacio para el trabajo translacional, aplicando los descubrimientos básicos en el desarrollo de nuevos tratamientos para enfermedades reproductivas y no reproductivas. Por ejemplo, el descubrimiento del rol de las células KNDy y la NKB en la termorregulación ha dado lugar al uso de antagonistas del receptor NK3R en el tratamiento de las oleadas de calor de las mujeres postmenopáusicas.

   En conclusión, la evidencia acumulada en los últimos años indica que las neuronas KNDy son necesarias y suficientes para manejar la secreción pulsátil de GnRH, proporcionando soporte a la hipótesis que las neuronas KnDy representan el “generador del pulso de GnRH”. Los hallazgos recientes indican  roles específicos para cada uno de los péptidos KNDy y sus receptores postsinápticos en la generación de pulsos individuales.  Aunque las células KNDy son requeridas para la retroalimentación negativa de los esteroides gonadales en el control de la secreción de GnRH, los datos más recientes no excluyen la participación de circuitos neuronales adicionales en paralelo con las neuronas KNDy.

Fuente: Moore AM et al (2018). KNDy cells revisited. Endocrinology 159: 3219-3234.