Relojes circadianos y resistencia a la insulina

La resistencia a la insulina en hígado, músculo y tejido adiposo es un proceso fisiopatológico central en el desarrollo de la diabetes mellitus tipo 2 (DMT2). Las principales complicaciones de la DMT2 son retinopatía, enfermedad renal crónica, neuropatía, enfermedad vascular periférica e infarto de miocardio. El aspecto central en la prevención y tratamiento de la resistencia a la insulina es la modificación del estilo de vida. La segunda etapa es la medicación con drogas, como la metformina, que disminuyen la glucosa sanguínea. Si es necesario, el control glucémico puede incluir medicación adicional, como sulfonilureas, inhibidores del co-transportador sodio-glucosa 2 (SGLT2), agonistas del receptor del péptido similar a glucagón (GLP-1) o insulina inyectable. Los factores circadianos incluyendo el tiempo de exposición a la luz, actividad física, ingesta de alimentos y el ciclo sueño-vigilia, también son importantes para la prevención y tratamiento de la resistencia a la insulina. El sistema del tiempo circadiano de los mamíferos comprende un reloj central en el núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo y relojes periféricos en otras regiones cerebrales y tejidos a través del cuerpo, incluyendo músculo esquelético, tejido adiposo e hígado. El NSQ recibe una proyección directa de la retina, vía por la cual la luz ambiental sincroniza el ritmo del NSQ de aproximadamente 24 horas con el ritmo exacto de 24 horas del ambiente. La señal entrenada del NSQ es enviada vía señales neurales y hormonales a los relojes periféricos.

   El mecanismo molecular del reloj central y los relojes periféricos se basa en asas de retroalimentación transcripción-translación (TTFL), las cuales están presentes en casi todas las células del cuerpo humano. La  TTFL involucra a los genes período (PER1, PER2 y PER3), criptocromo (CRY1 y CRY2), ARNTL (también conocido como BMAL1), CLOCK (o su ortólogo NPAS2) y los genes que codifican los receptores nucleares REV-ERB (NR1D1 y NR1D) y ROR (RORA, RORB y RORC). La señal rítmica producida por este reloj molecular tiene un período de aproximadamente 24 horas, el cual es un período circadiano. El período del sistema circadiano endógeno no es exactamente de 24 horas como el ritmo del mundo exterior, por lo que debe ser “reseteado” cada día. La luz ambiental es el más importante dador de tiempo (“zeitgeber”) para resetear el marcapaso central, alcanzando el NSQ mediante de una conexión directa de las células ganglionares de la retina, intrínsecamente fotosensibles, a través del tracto retinohipotalámico. Los restantes relojes en el sistema circadiano dependen principalmente del NSQ para el entrenamiento con el ciclo luz-oscuridad del mundo exterior. El NSQ envía su señal del tiempo a los relojes de los tejidos periféricos a través del sistema nervioso autónomo, señales hormonales (incluyendo melatonina y cortisol), modulación de la temperatura corporal y señales conductuales como actividad física e ingesta de alimentos. Como los relojes periféricos reciben información luminosa directa, son también sensibles a otros “zeitgebers”. Este escenario es especialmente cierto para relojes periféricos en tejido metabólicos como hígado, tejido adiposo blanco (TAB), tejido adiposo marrón (TAM), páncreas y músculo, los cuales usan las señales metabólicas que resultan de la ingesta de alimentos para su entrenamiento.

   En humanos sanos, la tolerancia a la glucosa depende del momento del día de la ingesta de glucosa, con mayor tolerancia en la mañana que en la tarde. Este ritmo diurno de la tolerancia a la glucosa es parcialmente mediado por el ritmo diurno de la sensibilidad a la insulina. Más aún, la tolerancia a la glucosa dependiente del tiempo en individuos sanos es mediada fuertemente por el ritmo de la sensibilidad a la glucosa de las células β del páncreas (esto es, secreción de insulina inducida por glucosa). Un estudio reciente demuestra que el ritmo diurno en la tolerancia a la glucosa es regulado fuertemente por el sistema circadiano, separado de las influencias de los cambios conductuales y ambientales. Consistente con estos datos, la influencia circadiana endógena sobre la tolerancia a la glucosa resulta de una respuesta de la célula β más fuerte en la mañana. 

   El reloj central en el NSQ no solo sincroniza los relojes periféricos, también afecta múltiples procesos que influyen en el ritmo diurno del metabolismo de la glucosa, incluyendo los ritmos fisiológicos ciclo-vigilia, ingesta de alimentos, secreción de hormonas, sensibilidad a la insulina y gasto de energía. El NSQ controla el ritmo diario del ciclo sueño-vigilia a través de sus conexiones con áreas hipotalámicas como la zona subparaventricular, el área preóptica ventrolateral y el hipotálamo dorsomedial. El NSQ  presumiblemente también tiene un rol directo en el control de la ingesta de alimentos, el cual aumenta a través de la regulación del ciclo sueño-vigilia pues la ingesta de alimentos requiere un estado de vigilia. El control circadiano de la ingesta de alimentos puede ser mediado a través de conexiones neuroanatómicas directas entre el NSQ y el núcleo arcuato del hipotálamo, el cual está involucrado en la ingesta de alimentos, y conexiones indirectas entre el NSQ y áreas involucradas en aspectos  del  sistema  recompensa de alimentos. Adicionalmente, el NSQ controla los ritmos diarios de liberación de varias hormonas que afectan la tolerancia a la glucosa. En primer lugar, el eje HHA es regulado vía conexiones del NSQ al núcleo paraventricular (NPV), lo cual resulta en el ritmo diario de secreción del glucocorticoide  cortisol, con un pico antes del inicio del período de actividad. El cortisol afecta la señal insulina y reduce la secreción de insulina. En segundo lugar, el ritmo circadiano de  melatonina, la cual afecta la secreción de insulina, orquestado a través de conexiones del NSQ vía NPV y columna intermedio lateral con la glándula pineal. En tercera lugar, el ritmo diurno de hormona de crecimiento, la cual antagoniza la acción de la insulina en hígado y músculo, parcialmente regulado por el NSQ a través del control del ciclo sueño-vigilia. Más aún, los estudios de lesiones del NSQ en roedores demuestran  que el NSQ controla el ritmo diurno de la sensibilidad a la insulina en todo el cuerpo humano. El reloj central es responsable de la regulación circadiana de múltiples componentes del gasto de energía como el ciclo sueño-vigilia, la termogénesis inducida por dieta, el gasto de energía en reposo y, al menos en roedores, la actividad del TAM.

   La glucosa entra al cuerpo a través del tracto gastrointestinal (TGI). Las células intestinales del TGI contienen un reloj molecular que es sincronizado por señales que resultan de la ingesta de alimentos. El reloj intestinal regula la motilidad intestinal y la absorción de nutrientes. El ARNTL regula la expresión de transportadores de glucosa en la membrana y así asimila la captación de monosacáridos con el período habitual de ingesta de alimentos. Las disacaridasas del borde en cepillo, incluyendo la sucrasa, exhiben un ritmo circadiano en su actividad, pero el mecanismo de regulación de esta actividad circadiana aún no está claro.

   El músculo esquelético humano tiene un reloj molecular autónomo. Los datos de roedores demuestran que el NSQ sincroniza el reloj del músculo esquelético, pero las señales que resultan del ejercicio físico y la ingesta de alimentos también están involucradas en la sincronización. Los genes CLOCK y ARNTL regulan la sensibilidad a la insulina en el músculo a través de cambios en los niveles de proteínas y la translocación a la membrana del transportador de glucosa sensible a insulina GLUT4, así como  a través de la modulación de la ruta de señalización de la insulina vía expresión de la desacetilasa SIRT1. Más aún, el reloj muscular regula la sensibilidad a la insulina vía desacetilación de histonas de genes metabólicos por la HDAC3. Consistentemente, el tejido muscular humano exhibe un ritmo diurno en la sensibilidad a la insulina con mayor sensibilidad en la mañana que en la tarde, así como un ritmo diurno en la capacidad oxidativa mitocondrial con un pico en la tarde.

   El TAB contiene un reloj circadiano autónomo  sincronizado por el NSQ y las señales que resultan de la ingesta de alimentos. Los adipocitos de roedores tienen ritmicidad circadiana en la captación de glucosa. En línea con esta observación, en el TAB aproximadamente 25% del transcriptoma muestra variación diurna incluyendo rutas involucradas en la regulación de la captación de glucosa. Los datos de roedores indican que el ritmo diurno de la sensibilidad a la insulina en el tejido adiposo podría ser el resultado de la regulación circadiana del receptor de la proteína ligadora de retinol STRA6. Adicionalmente, CLOCK y ARNTL regulan la expresión de enzimas claves en la regulación de la lipólisis como la lipasa de triglicéridos del tejido adiposo (ATGL), lipoproteína lipasa (LPL) y lipasa sensible a hormonas (HSL). El TAB de ratones también muestra un ritmo diurno en la captación de glucosa. En humanos,  los estudios reportan una ritmicidad diurna en la captación de glucosa en el TAB con actividad pico antes del despertar.

   El hígado contiene un reloj autónomo que es sincronizado por el NSQ a través de señales autonómicas y endocrinas. El reloj del hígado también responde fuertemente a la ingesta de alimentos y regula varias rutas involucradas en el control del metabolismo de glucosa y lípidos. El reloj hepático es esencial para el mantenimiento de la euglucemia a través de la sincronización de los ritmos diurnos en la gluconeogénesis y la exportación de glucosa con el período habitual de ayuno. La represión de la gluconeogénesis durante el estado alimentado es mediada por la interacción de CRY (que tiene su pico de expresión diurno durante el estado alimentado) con el receptor glucocorticoide y la señal del receptor acoplado a proteína G. El resultado de estas interacciones es la represión de la expresión de genes de etapa limitante de la gluconeogénesis. Adicionalmente, la supresión de la gluconeogénesis mediada por insulina depende parcialmente de la degradación de FOXO1 mediada por CRY. De acuerdo con esta información, es posible especular que el reloj hepático contribuye a los ritmos diurnos en el contenido hepático de glucógeno y la sensibilidad hepática a la insulina que se observa en individuos sanos. Además de la regulación de la gluconeogénesis, el reloj hepático regula el ritmo diurno en la dinámica mitocondrial. Por lo tanto, el reloj hepático está involucrado en la regulación de la oxidación mitocondrial de glucosa y ácidos grasos, lo cual protege al hígado contra el estrés oxidativo durante el ayuno.

   La presencia de un reloj circadiano ha sido demostrada en  islotes pancreáticos de roedores y humanos. El reloj pancreático es sincronizado al ciclo luz-oscuridad por señales derivadas del reloj central en el NSQ que incluye señales neuronales autonómicas, liberación de melatonina, liberación de glucocorticoides y temperatura corporal. En ratas, CLOCK y BMAL1 activan la transcripción de genes involucrados en la biosíntesis de insulina, el transporte de insulina y la secreción de insulina estimulada por glucosa. En línea con esta observación, la disrupción del reloj pancreático causa una secreción de insulina defectuosa. En  islotes pancreáticos humanos, el reloj pancreático controla la secreción de insulina.

   La resistencia a la insulina de hígado, músculo y tejido adiposo, inicialmente  compensada por un incremento en la secreción de insulina, es una característica temprana  en el desarrollo de la DMT2. Además de la resistencia a la insulina, la insuficiencia de la célula β también contribuye al desarrollo de DMT2. La resistencia a la insulina en músculo esquelético se caracteriza por una reducida captación de glucosa estimulada por insulina como resultado de la disminución de la señal de insulina y la translocación de GLUT4. Como el músculo esquelético es responsable de la mayor captación de glucosa en el estado postprandial, la resistencia a la insulina contribuye a elevar los niveles plasmáticos postprandiales de glucosa y a disminuir la tolerancia a la glucosa. El principal rol del hígado en el mantenimiento de la homeostasis de la glucosa es la producción endógena de glucosa cuando los niveles plasmáticos de glucosa e insulina son bajos. En condiciones normales, la producción endógena de glucosa es fuertemente suprimida por la insulina. En la resistencia hepática a la insulina, la producción endógena de glucosa no es suprimida a pesar de los altos niveles plasmáticos de insulina y por tanto contribuye a elevar los niveles de glucosa a través del incremento de la gluoconeogénesis y la disminución de la captación de glucosa. La insulina también suprime la lipogénesis y la producción de VLDL en el hígado y, por lo tanto, la resistencia hepática a la insulina también se caracteriza por una elevada secreción de VLDL. El rol de la resistencia a la insulina del tejido adiposo en el desarrollo de la DMT2 es más indirecto que el del músculo y el hígado. La insulina suprime la lipólisis en el tejido adiposo y los pacientes con DMT2 se caracterizan por niveles plasmáticos elevados de ácidos grasos libres. Los tejidos como el músculo y el hígado toman los ácidos grasos libres circulantes adicionales, lo cual contribuye a la acumulación ectópica de lípidos. La acumulación ectópica de grasa por si misma  contribuye fuertemente al desarrollo de resistencia a la insulina en músculo e hígado.

   La primera prueba que el sistema circadiano puede estar involucrado en la fisiopatología de la resistencia a la insulina ocurrió en 1960 con  la observación de un ritmo alterado en la tolerancia a la glucosa en  pacientes con DMT2. Más tarde,  las observaciones que incluyeron el desarrollo de síndrome metabólico en ratones con mutaciones del gen Clock, el descubrimiento que la ingesta de alimento en la fase circadiana equivocada causa obesidad en los ratones y la observación que las alteraciones circadianas resultan en disminución de la tolerancia a la glucosa en humanos dieron lugar a la hipótesis de disrupción circadiana. Modelos de tejido pancreático, hepático, muscular y adiposo de ratones transgénicos y  “knockout” han proporcionado soporte a esta hipótesis. De acuerdo con la hipótesis de la disrupción circadiana, la salud metabólica es óptima cuando los diferentes ritmos diarios incluyendo los ritmos conductuales ayuno-alimentación y sueño-vigilia, ritmos hormonales y del sistema nervioso autónomo y ritmos del reloj central y relojes periféricos, oscilan en sincronía uno con otro.  Por el contrario, la mala alineación entre ciertos componentes de este sistema puede resultar en disrupción circadiana y el desarrollo de resistencia a la insulina y DMT2.

   En línea con los estudios  de mutaciones de los genes reloj en roedores,  las mutaciones humanas en varios genes reloj contribuyen a la susceptibilidad genética a obesidad, resistencia a la insulina y DMT2. Los estudios observacionales han demostrado asociaciones entre polimorfismo de nucleótidos en ARNTL y DMT2, entre haplotipos específicos de CLOCK y obesidad, entre polimorfismos en CRY2 y elevada glucosa en ayuno y entre polimorfismos en el gen circadiano NR1D1 y obesidad. Inspirados por estos hallazgos, varios investigadores exploraron las interacciones gen-conducta y demostraron que las interacciones entre dieta y mutaciones de genes reloj afecta la glucosa en ayuno, la resistencia a la insulina, el peso corporal y la DMT2.

   La luz de día es el principal sincronizador del reloj central. Nuestro moderno estilo de vida, sin embargo, se caracteriza por reducida exposición a la luz durante el  día y mayor exposición a la luz durante la noche. Estos cambios en el estilo de vida tienen un sustancial efecto sobre la alineación del tiempo circadiano con el día solar. En varios modelos animales, los investigadores han demostrado que la luz nocturna altera los ritmos diurnos de ingesta de alimentos y locomoción, causando obesidad y reducción de la tolerancia a la glucosa en ratones. En línea con estos hallazgos, los estudios observacionales en humanos han demostrado correlaciones de la exposición a la luz en la noche con obesidad y DMT2. Bajo condiciones controladas de ingesta de alimentos y actividad física, la luz ambiental brillante reduce la sensibilidad a la insulina de manera dependiente del tiempo en individuos sanos. En pacientes con DMT2, la luz brillante matutina incrementa los niveles de glucosa en ayuno y postprandial. En ratas, los efectos de la luz ambiental dependientes de la longitud de onda sobre la tolerancia a la glucosa, con luz blanca y verde -pero no con luz azul y roja-  reducen la tolerancia a la glucosa.

   La melatonina es secretada por la glándula pineal y muestra un pronunciado ritmo circadiano. Durante el período de oscuridad, los niveles plasmáticos de melatonina son altos y la secreción de melatonina es agudamente suprimida por la exposición a la luz. La melatonina incrementa la secreción de insulina en cultivos de islotes pancreáticos humanos. Por el contrario, la administración de melatonina en mujeres sanas disminuye agudamente la tolerancia a la glucosa, un efecto que es dependiente del gen del receptor de melatonina MTNR1B. El rol de la señal melatonina en la fisiopatología de la DMT2 es aun motivo de debate. Por una parte, existe una asociación entre niveles reducidos de melatonina y la incidencia de DMT2 y, por otra parte, una publicación sugiere que el incremento de la señal melatonina en las células β puede reducir la secreción de insulina en humanos.

   Los estudios epidemiológicos y experimentales demuestran que el ritmo sueño-vigilia afecta el riesgo de desarrollar  resistencia a la insulina. Los estudios prospectivos han demostrado que los individuos que duermen períodos cortos y los que duermen períodos largos tienen mayor riesgo de desarrollar DMT2, con una duración optima de sueño de 7 a 8 horas por noche. La interpretación de los estudios epidemiológicos, sin embargo, debe hacerse con precaución. Los investigadores están de acuerdo en que la pobre calidad del sueño incrementa el riesgo de obesidad y DMT2. En línea con este hallazgo, los pacientes con apnea obstructiva del sueño tienen mayor riesgo de desarrollar DMT2, lo cual podría ser mediado por un incremento en la ingesta de alimentos y/o una disminución de la actividad física, entre otros mecanismos que alteran el sueño.  Los estudios en humanos reportan disminución de la tolerancia a la glucosa y la sensibilidad a la insulina después de cinco noches de pérdida parcial de sueño (4 horas por noche) en individuos sanos en condiciones controladas de ingesta de alimentos y actividad física. Otros estudios demuestran que la supresión experimental del sueño de ondas lentas resulta en disminución de la sensibilidad a la insulina en individuos sanos. Los mecanismos propuestos para los efectos de la restricción de sueño y los disturbios del sueño sobre la sensibilidad a la insulina incluyen alteración del balance simpático-vagal e incremento en los niveles circulantes de catecolaminas o cortisol. En condiciones de ingesta de alimentos ad libitum, el incremento en la ingesta de alimentos, como resultado de la restricción de sueño o disturbios del sueño, contribuye a la disminución de la sensibilidad a la insulina. En pacientes con apnea obstructiva del sueño y DMT2, el pobre control glucémico se correlaciona con la severidad de la apnea.

   La hipótesis que la disrupción circadiana contribuye al desarrollo de resistencia a la insulina en humanos es apoyada por los siguientes hallazgos: disminución de la tolerancia a la glucosa causada por alteraciones circadianas experimentales en humanos; la asociación entre polimorfismos de los genes reloj humanos y resistencia a la insulina; los efectos observados experimentalmente con la exposición a luz en la noche y los disturbios del sueño sobre el metabolismo de la glucosa; y la asociación del sueño de corta duración, sueño de larga duración y baja calidad del sueño con resistencia a la insulina. Por lo tanto, es probable que los disturbios del ritmo del reloj central y los relojes periféricos contribuyan a la fisiopatología de la resistencia a la insulina a nivel tisular.  Más aún, la disrupción circadiana puede causar alteraciones  del flujo de nutrientes. Por ejemplo, una mala alineación entre producción hepática de  glucosa, captación muscular de glucosa e ingesta de carbohidratos podría contribuir a elevar los niveles de glucosa, y un desbalance entre el almacenamiento de lípidos en el TAB, la oxidación de lípidos en el TAM y la producción hepática de lípidos podría contribuir a la acumulación ectópica de lípidos.

   En conclusión, el sistema circadiano es responsable de la coordinación diaria de muchos procesos, incluyendo el ritmo diario del metabolismo de la glucosa en humanos. El reloj central regula ingesta de alimentos, el gasto de energía y la sensibilidad a la insulina. Estas acciones son coordinadas con relojes locales periféricos. Por ejemplo, el reloj periférico en el intestino regula la absorción de glucosa, los relojes en músculo, tejido adiposo e hígado regulan la sensibilidad local a la insulina y el reloj en el páncreas regula la secreción de insulina. La mala alineación de los diferentes componentes del sistema circadiano y los ritmos diarios del ciclo sueño-vigilia o la ingesta de alimentos como resultado de factores genéticos, conductuales o ambientales pueden contribuir al desarrollo de resistencia a la insulina. Específicamente, las mutaciones de los genes reloj, la exposición a ciclos luz-oscuridad artificiales y  los disturbios del sueño son factores que pueden contribuir a la disrupción circadiana.

Fuente: Stenvers DJ et al (2019). Circadian clocks and insulin resistance. Nature Reviews Endocrinology 15: 75-89.