Mecanismos de resistencia a la insulina en los adipocitos

La insulina es una hormona vital, su ausencia y exceso son letales en humanos. Su introducción en la clínica en los años de la década de 1920  fue diseñada para reemplazar la carencia de insulina en la  diabetes tipo 1, pero su uso pronto reveló algunas paradojas. Por ejemplo, un alto consumo de glucosa por los pacientes con diabetes a menudo disminuye inesperadamente la dosis requerida de insulina. Por otra parte, los sujetos normales alimentados con dietas ricas en grasas se vuelven extraordinariamente intolerantes a  la glucosa. En los años de la década de 1940, varios grupos de investigadores  encontraron que la insulina era sorpresivamente inefectiva en la disposición de una carga de glucosa en sujetos obesos con diabetes y clasificaron la diabetes en dos tipos: “sensible a insulina” e “insensible a insulina”. Esto explicó una paradoja relacionada, descubierta en los años de 1960, la insulina circulante, algunas veces era bastante elevada en sujetos obesos con diabetes leve. La hiperinsulinemia con disminución de la respuesta a la insulina puede ser uno de los disparadores de este estado de insensibilidad a la insulina. Estos y otros hallazgos solidifican el paradigma que la resistencia de los tejidos periféricos a las acciones de la insulina es causada por sobrenutrición y obesidad.

   La alteración en la respuesta sistémica a la insulina en humanos y roedores obesos, definida por sus efectos reductores de glucosa sanguínea, refleja la disminución de la sensibilidad a la insulina en uno o varios de los principales órganos metabólicos: hígado,  músculo esquelético y tejido adiposo. En el hígado, la insulina pierde completamente su capacidad para inhibir la producción de glucosa a través de la glucogenolisis y la gluconeogénesis, mientras en el músculo esquelético y el tejido adiposo se alteran la captación y la utilización de glucosa. Sin embargo, los efectos de la insulina en estos tejidos no siempre son célula-autónomos, como, por ejemplo, la modulación por la insulina del metabolismo hepático secundariamente a través de la regulación de la liberación de ácidos grasos por los adipocitos. Más aún, hay una multitud de rutas celulares que han sido  sugeridas como mediadoras de la resistencia a la insulina en la obesidad, cada una con un extenso soporte de publicaciones.

   En las últimas dos décadas emergió el concepto que los tejidos adiposos son reguladores del metabolismo y las señales celulares en el hígado y el músculo esquelético. En este contexto, las disfunciones del tejido adiposo en condiciones de dieta rica en grasas u obesidad median la disrupción de señales a otros tejidos metabólicos a través de la circulación sanguínea, el sistema nervioso central o la liberación de exosomas. Esto no es sorprendente pues los tejidos adiposos son dramáticamente afectados por la obesidad. Tres mecanismos generales han sido propuestos para el control del tejido adiposo sobre otros tejidos y la homeostasis sistémica de la glucosa. (1) Secuestro de lípidos en los depósitos de adipocitos blancos a través del aumento de la síntesis o limitando la lipólisis que previene la acumulación toxica de lípidos en el hígado y el músculo esquelético. (2) Altas tasas de oxidación de glucosa y ácidos grasos en los adipocitos beige y marrones que incrementa el gasto de energía y reduce la carga de lípidos. (3) Secreción de factores bioactivos que pueden actuar en cerebro, hígado, músculo esquelético, islotes pancreáticos u otros tejidos. Cada una de estas rutas biológicas del tejido adiposo modula la tolerancia a la glucosa y la sensibilidad a la insulina.

   Los constituyentes celulares de los depósitos de tejido adiposo en el cuerpo están asociados con las distintas características y diferencias funcionales de cada depósito. En este contexto, la diferencia más notable es la capacidad de almacenar energía de los depósitos de tejido adiposo blanco (TAB)  en contraste con la capacidad de gasto de energía del tejido adiposo marrón (TAM). Las significativas diferencias entre los depósitos de TAB subcutáneo y los depósitos de TAB visceral también han sido documentadas, incluyendo los distintos perfiles de expresión de los adipocitos residentes, los patrones de infiltración de células inmunes y el flujo metabólico. Tres clases de adipocitos en los diversos depósitos de tejido adiposo han sido extensamente estudiados. Estos incluyen, adipocitos blancos especializados para el almacenamiento de triglicéridos en el TAB, y adipocitos beige en el TAB y adipocitos marrones en el TAM que exhiben alta tasa de respiración asociada con la proteína desacopladora UCP1 en las mitocondrias. Los adipocitos beige aparecen en ciertos depósitos de TAB durante la exposición al frío o el ayuno intermitente en ratones y, en humanos, ciertos depósitos TAB especialmente en regiones que son altamente vascularizadas en áreas del cuello y el tórax. Los adipocitos beige son diferentes de los adipocitos marrones no solo en su localización sino también en su programa de desarrollo y su respuesta a las señales adrenérgicas con respecto a la regulación mitocondrial y la expresión de UCP1. Las células beige muestran una respuesta más rápida a la exposición al frío, mientras los adipocitos marrones expresan constitutivamente altos niveles de UCP1 y pierden esta expresión en un período de tiempo más largo durante la  exposición a la termoneutralidad que los adipocitos beige. Los adipocitos beige y marrones aumentan la tolerancia a la glucosa en roedores y humanos a través de su capacidad para aumentar el gasto de energía o la secreción de factores beneficiosos para el hígado, músculo esquelético y otros tejidos.

   Un trabajo reciente reporta  los grados de  heterogeneidad de los adipocitos en TAB y TAM. Estos hallazgos incluyen una sustancial heterogeneidad de   células precursoras de adipocitos y una heterogeneidad de los adipocitos completamente diferenciados en los distintos depósitos o en un mismo depósito de tejido adiposo. Las células progenitoras de adipocitos pueden proliferar en respuesta a una dieta rica en grasas que provoca resistencia a la insulina y la proliferación depende del depósito de tejido adiposo, los lípidos de la dieta, el microambiente y las hormonas. Por otra parte, se ha identificado una población de células del estroma que inhibe la proliferación de células progenitoras. Diferencias significativas en las tasas de lipólisis y captación de lípidos por adipocitos derivados de  depósitos viscerales y subcutáneos han sido bien documentadas. Más aún, la heterogeneidad de los adipocitos blancos en un mismo depósito de tejido adiposo ha sido observada en la expresión de genes y la sensibilidad a la insulina bajo condiciones normales y en la expresión del receptor β-adrenérgico en la superficie celular.

   Las disfunciones del tejido adiposo en la obesidad genética y en condiciones de dieta rica en grasas incluyen la disminución de la capacidad de agrandamiento de los adipocitos blancos para sintetizar, esterificar y almacenar triglicéridos en una gota central de lípidos. Estas deficiencias son causadas, en parte, por la baja expresión de enzimas de la síntesis de lípidos, la esterificación y secuestro de ácidos grasos, incluyendo las proteínas de la gota de lípidos que normalmente protegen a los triglicéridos almacenados de la lipólisis. La obesidad disminuye en los adipocitos blancos la tasa de formación de glicerol 3-fosfato a partir de la glucólisis debido a disminución de la captación de glucosa y la ruta de “gliceroneogénesis” (conversión de piruvato en glicerol 3-fosfato) en respuesta a la regulación a la baja de la fosfoenol fosfato carboxiquinasa en el adipocito. La obesidad también modula la enzima diacilglicerol acil transferasa (DGAT, cataliza la esterificación de diacilglicerol con acil CoA en la etapa final de la síntesis de triglicéridos), especialmente en tejido adiposo subcutáneo.

   La señal insulina en los tejidos sensibles es disparada principalmente por la activación del receptor tirosina quinasa, lo cual provoca la estimulación de la proteína quinasa Akt. La regulación a la baja de la capacidad de síntesis de lípidos por el adipocito en la obesidad no necesariamente afecta la actividad de la señal insulina, pero está asociada con resistencia a la insulina en otros tejidos y disminución de la tolerancia a la glucosa en el cuerpo. Los estudios recientes indican que el enlace entre la entrada de grasa en exceso en el hígado y la resistencia a la insulina es el aumento de la acetil CoA mitocondrial que puede activar a la enzima piruvato carboxilasa en la ruta de la gluconeogénesis. Esto aparentemente incrementa la producción hepática de glucosa en una extensión que no puede ser inhibida por la acción directa de la insulina en los hepatocitos.

   Un segundo modo general de disrupción del adipocito causada por la obesidad que puede mediar la resistencia a la insulina sistémica está relacionado con la secreción de factores bioactivos, aun cuando los adipocitos en sí no son resistentes a la insulina. Los adipocitos blancos y marrones/beige secretan “adipoquinas” y algunas, llamadas “batoquinas”, son más selectivamente secretadas por el TAM. La adipoquina canónica de los adipocitos blancos es la leptina que regula muchos parámetros fisiológicos, incluyendo apetito y gasto de energía. Los adipocitos secretan muchos factores que no modulan directamente la sensibilidad a la insulina en los adipocitos sino que actúan como hormonas en tejidos cercanos o distantes, y en algunos casos su producción es suprimida en la obesidad. Un ejemplo es la adiponectina, la cual es secretada en la circulación sanguínea en altas concentraciones y aumenta la tolerancia sistémica a la glucosa y la sensibilidad a la insulina en ratones obesos. Otro ejemplo es la neuregulina 4 (Nrg4), la cual es altamente expresada en el TAM y, en menor cantidad en el TAB, pero no es expresada en ningún otro tipo de célula de tejido periférico en ratones.  La Nrg4 disminuye la síntesis hepática de ácidos grasos y mantiene la sensibilidad sistémica a la insulina. La producción de adiponectina y Nrg4 en adipocitos es regulada a la baja en la obesidad en ratones y humanos. Entonces, la disfunción del tejido adiposo en la obesidad maneja la resistencia a la insulina sistémica a través de la regulación a la baja de adipoquinas y batoquinas, las cuales actúan sobre tejidos periféricos pero no directamente sobre los adipocitos.

   Los estudios recientes han identificado varias especies de lípidos (“lipoquinas”) liberadas por los adipocitos que también pueden regular la tolerancia sistémica a la glucosa. Un ejemplo es el ácido 12-hidroxieicosapentaenoico (12-HEPE) producido por el TAM en respuesta a las catecolaminas durante la exposición al frío. El 12-HEPE incrementa la captación de glucosa en TAM y músculo esquelético. La obesidad en humanos disminuye marcadamente los niveles circulantes de 12-HEPE, y la sensibilidad a la insulina varía inversamente con los niveles de esta lipoquina. Por otra parte, la lipoquina ácido 12,13-dihidroxi-9Z-octadecenoico (12,13diHOME) aumenta en la circulación sanguínea de ratones y humanos durante el ejercicio. La principal fuente de esta lipoquina es también el TAM en ratones y su acción sobre el músculo esquelético incrementa la captación y oxidación de ácidos grasos. Estos datos sugieren que la obesidad puede regular a la baja proteínas y factores lípidos secretados específicamente por adipocitos, los cuales  actúan para mantener la sensibilidad a la insulina normal en hígado y músculo esquelético, y por tanto, la obesidad contribuye a la intolerancia sistémica a la glucosa y la resistencia a la insulina.

   Los adipocitos blancos, beige y marrones responden a la insulina y las rutas anabólicas estimuladas  por la insulina mejor estudiadas en los adipocitos son la captación y esterificación de la glucosa, la transcripción de mARN , la síntesis de proteínas y la lipogénesis de novo. Por el contrario, la actividad lipolítica en los adipocitos es fuertemente inhibida por la insulina, y los efectos combinados de estos procesos de respuesta a la insulina resultan en acumulación de lípidos en grandes gotas uniloculares (adipocitos blancos) o multiloculares (adipocitos beige y marrones). La lipólisis basal y la capacidad de la insulina para disminuir los ácidos grasos libres y el glicerol plasmáticos a través de la inhibición de la lipólisis en los adipocitos blancos pueden ser atenuadas en alguna extensión en la obesidad. Esto ocurre en parte a través de la fosforilación  del receptor β-adrenérgico por aumento de la actividad de ERK y MAPK en la obesidad. El efecto de la insulina sobre la lipólisis de los adipocitos  es significativo en la sensibilidad a la insulina sistémica y la intolerancia a la glucosa porque los ácidos grasos que son tomados por el hígado estimulan la gluconeogénesis hepática. El glicerol liberado por la lipólisis en los adipocitos es sustrato de la gluconeogénesis y, por tanto, también aumenta la producción hepática de glucosa.  Al menos 5 rutas que responden a la insulina que afectan el metabolismo del adipocito son disfuncionales en la obesidad. Estas incluyen: 1) elementos de la señal insulina a partir del receptor de insulina para la activación de la proteína quinasa Akt; 2) la expresión del transportador de glucosa GLUT4: 3) el tráfico intracelular del GLUT4 que aumenta su abundancia en la membrana plasmática en respuesta a la insulina; 4) la entrada y el metabolismo de glucosa que es convertida en ácidos grasos a través de la lipogénesis de novo y la esterificación de glicerol 3-fosfato con ácidos grasos; 5) la regulación de la expresión de muchas de las proteínas y reguladores de estas rutas a través de las acciones de factores de transcripción, algunos de los cuales responden a la acción de la insulina (por ejemplo, CHREBP y FOXO1). Estas disfunciones contribuyen a la resistencia a la insulina en el adipocito en algunos estadios de la obesidad aguda y crónica. 

   La sensibilidad a la insulina de la producción hepática de glucosa  involucra la acción directa sobre los hepatocitos a través de la señal de la proteína quinasa Akt y la acción indirecta a través de la acción de la insulina sobre los adipocitos para suprimir la liberación de ácidos grasos y glicerol. El efecto inhibidor de la insulina sobre la lipólisis es parcialmente mediado a través del sistema nervioso central en conjunción con mecanismos autónomos de las células. La estimulación por la insulina de la captación de glucosa y la lipólisis en los adipocitos genera glicerol 3-fosfato para la esterificación de ácidos grasos, proporcionando un tercer mecanismo para la disminución de la liberación de ácidos grasos por el tejido adiposo. Más aún, los ácidos grasos circulantes también generan resistencia a la insulina en el músculo esquelético a través de efectos autónomos sobre la captación y utilización de glucosa estimuladas por insulina. Entonces, está claro que la captación de glucosa y las rutas de lipólisis sensibles a insulina en adipocitos blancos están relacionadas con efectos secundarios de la respuesta a la insulina en hígado y músculo esquelético a través de la liberación de ácidos grasos y otros factores en el contexto de sobre nutrición. Estas consideraciones sugieren que la sensibilidad a la insulina de los adipocitos blancos es importante para el mantenimiento de la homeostasis de la glucosa en el cuerpo a través de regular indirectamente al hígado o al músculo esquelético.

   La activación de la Akt, el circuito de señalización requerido para la estimulación del transportador de glucosa GLUT4 y la captación de glucosa, a menudo está disminuida en los adipocitos de sujetos obesos resistentes a la insulina y modelos de roedores obesos de resistencia a la insulina. Por el contrario, el rol de la Akt sensible a la insulina en la regulación de la lipólisis tiene un soporte mixto, y la capacidad de la obesidad para afectar la ruta autónoma de la célula para la regulación de la lipólisis a través de la insulina opuesta a la re-esterificación de ácidos grasos, puede ser relativamente pequeña. La resistencia sistémica a la insulina ocurre pocos días después del inicio de una alimentación  rica en grasas en ratones para inducir obesidad, incluyendo déficit  de la estimulación por insulina de la captación de glucosa en adipocitos e intolerancia a la glucosa sistémica. Sin embargo, en estos primeros días, la resistencia a la insulina sistémica y en adipocitos ocurre en ausencia de disminución de la activación de la Akt en el tejido adiposo. Es más tarde en el desarrollo de la obesidad que se observa consistentemente la deficiencia en la activación de la Akt, lo cual puede contribuir a la resistencia a la insulina. Este período previo para la atenuación de la regulación de la Akt puede estar relacionado con el tardío desarrollo de la inflamación en el tejido adiposo. Las señales paracrinas de las células inmunes del tejido adiposo en obesidad parecen causar la disminución en los elementos de la señal insulina en los adipocitos así como también en otras rutas. En cualquier caso, los mecanismos de resistencia a la insulina en el adipocito que están en juego tempranamente en la obesidad, pueden continuar activos en las etapas más tardías.

   Además de los defectos en la ruta de la Akt que contribuyen a la resistencia a la insulina en los adipocitos, los datos indican que la maquinaria que maneja la translocación del GLUT4 a la membrana plasmática está alterada. Sin embargo, la etapa o las etapas en el tráfico de  GLUT4 defectuosa (s) ni la señal desencadenante en la obesidad han sido reveladas. Varias hipótesis han sido propuestas incluyendo la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) en estados de resistencia a la insulina, y la hipoxia del tejido adiposo. Aunque la insulina también inhibe la endocitosis de GLUT4, el efecto de la obesidad y la resistencia a la insulina sobre esa parte de la ruta no ha sido adecuadamente evaluado. Otro aspecto de alta importancia en la resistencia a la insulina en el adipocito blanco es el flujo de glucosa a partir de la captación en la membrana plasmática. Se asume mayoritariamente que el transporte de glucosa a través de la membrana plasmática del adipocito es la etapa limitante de la glucolisis, lo cual es apoyado por estudios que demuestran que la sobre expresión de GLUT4 en el adipocito aumenta el metabolismo de la glucosa y hasta la tolerancia a la glucosa sistémica. La carencia de GLUT4 en los adipocitos tiene el efecto opuesto. Por otra parte, la obesidad en humanos y roedores disminuye significativamente la expresión de enzimas de la ruta de conversión de glucosa en ácidos grasos (lipogénesis de novo), lo cual puede provocar cambios en el estado redox NADPH que afecta el metabolismo de la glucosa en la ruta de las pentosas. En conjunto, estos datos sugieren que la translocación defectuosa de GLUT4 en la obesidad atenúa el metabolismo de la glucosa así como también la biosíntesis, la esterificación y el secuestro de ácidos grasos que son aspectos claves de la resistencia a la insulina en el adipocito.

   Los efectos de la obesidad para atenuar elementos de la señal insulina y el metabolismo de la glucosa en los adipocitos pueden deberse a modificaciones alostéricas o covalentes de las proteínas involucradas en estos procesos. Una parte sustancial de la resistencia a la insulina en adipocitos en la obesidad de larga duración en humanos y modelos de roedores es  inicialmente manejada por el resultado de la regulación transcripcional de muchos productos de los genes. Muchos genes que normalmente responden al PPARγ, el mayor regulador de la diferenciación y función de los adipocitos, son atenuados en la obesidad en ratones. Recientemente, importantes hallazgos han demostrado que las regiones promotoras de los genes que responden al PPARγ que normalmente son ocupadas por este factor de transcripción, presentan disminución de tal ocupación en condiciones de obesidad inducida por dieta rica en grasas. Otros ejemplos de factores de transcripción en adipocitos que son blancos de la obesidad y, por tanto, disminuyen su expresión y/o actividad son CHREBP y FOXO1, los cuales controlan muchos genes de las rutas intracelulares en el adipocito. Estos y otros factores de transcripción en los adipocitos que son blanco de disrupción en la obesidad juegan roles importantes en los cambios de expresión de proteínas claves que regulan la señal insulina, la translocación de GLUT4 y el metabolismo de glucosa.

   Los adipocitos marrones y beige son extremadamente activos en la captación de glucosa, lo cual puede contribuir significativamente a la disposición de glucosa sistémica, al menos durante la exposición al frío. La señal insulina a través de la Akt que estimula la translocación de GLUT4 a la membrana plasmática opera en el TAM, pero aparentemente contribuye  menos a la captación total de glucosa en el TAM que en el TAB. La obesidad, como ocurre el TAB, atenúa esta ruta en el TAM. La estimulación de la inervación simpática en TAB o TAM activa una ruta dependiente de mTORC2 para causar el tráfico de GLUT1 a la membrana plasmática en adipocitos beige y marrones. Esto estimula significativamente la captación de glucosa y también activa la lipólisis y la hidrólisis de triglicéridos para proporcionar ácidos grasos como sustratos para la  respiración a través de la regulación al alza de UCP1. Las catecolaminas pueden paradójicamente aumentar la “aparente” sensibilidad a la insulina en adipocitos marrones y beige a través del incremento en la captación de glucosa en temperaturas por debajo de la termoneutralidad. Más aún, se ha revelado que la señal adrenérgica puede causar “marronización” y regulación al alza de UCP1 en el TAB a través de un mecanismo dependiente de mTORC1, una ruta que también responde a la insulina. La glucosa captada en adipocitos marrones y beige es oxidada y luego convertida por enzimas de la lipogénesis de novo en ácidos grasos, los cuales son rápidamente oxidados en las mitocondrias en la respiración. Los efectos de la obesidad sobre la translocación de GLUT1 y la utilización de la glucosa en el TAM han sido poco estudiados, pero los limitados datos disponibles indican que disminuye la captación de glucosa.

   En conclusión, la reducción del efecto de la insulina que disminuye la glucosa sanguínea causa resistencia a la insulina asociada con intolerancia a la glucosa en la obesidad. El tejido adiposo es un regulador central de la homeostasis sistémica de la glucosa a través del control del metabolismo del hígado y el músculo esquelético. La heterogeneidad del adipocito es requerida para mediar las múltiples rutas que controlan la tolerancia a la glucosa sistémica. Los adipocitos blancos están especializados en secuestrar triglicéridos para limitar la toxicidad en hígado, músculo esquelético y otros tejidos. Los adipocitos marrones/beige son muy activos tomando directamente la glucosa en respuesta a la señal insulina y β-adrenérgica y aumentando el gasto de energía. Los adipocitos blancos, marrones y beige muestran la característica común de secretar factores que actúan sobre tejidos distantes para controlar la homeostasis de la glucosa. La obesidad ejerce efectos perjudiciales sobre las funciones de estos adipocitos para causar resistencia a la insulina.

Fuente: Czech MP (2020). Mechanisms of  insulin resistance related to white, beige,  and brown adipocytes. Molecular Metabolism 34: 27-42.

Osciladores circadianos en el cerebro
La vida en este planeta está sometida a cambios dramáticos en las condiciones ambientales por la rotación de la tierra alrededor de su eje. Con la sucesión de día y noche, parámetros como iluminación, temperatura y humedad pueden ser alterados marcadamente. Para adaptarse a estas variaciones externas, los organismos han desarrollado sistemas internos  llamados relojes circadianos (del latín “circa diem” que significa aproximadamente un día) para medir el tiempo del día y coordinar temporalmente la fisiología y la conducta. Los relojes circadianos afectan un amplio espectro de funciones fisiológicas, desde el ritmo sueño-vigilia hasta la regulación del ciclo celular. La disrupción de los ritmos circadianos (por ejemplo, cambios horarios en la jornada de trabajo o durante el jet lag) puede tener consecuencias para la salud y el bienestar. Muchas enfermedades crónicas de la sociedad moderna como diabetes tipo 2 o desórdenes cardiovasculares son promovidos por la cronodisrupción,  es decir, la perturbación de la función del reloj interno o de la sincronización de este reloj con el tiempo externo.
   En los organismos multicelulares complejos como los mamíferos, los relojes moleculares se encuentran en la mayoría de, sino en todos, tejidos y células. Estos relojes están basados en un grupo de genes reloj, llamados Bmal1 (Brain and muscle aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator-like protein 1), Clock (Circadian locomotor output cycles kaput), Cry1, Cry2 (Criptochrome 1 and 2),  Per1, Per2 y Per3 (Period 1,2,3) y sus productos (proteínas) que codifican el tiempo a través de asas de retroalimentación transcripción-traducción (TTFL). En el asa del reloj de mamíferos, el heterodímero CLOCK:BMAL1 se une a elementos aumentadores  (E-boxes) que regulan la transcripción de los genes Per, Cry y otros genes controlados por reloj (CCG). Los dímeros PER:CRY se acumulan en el núcleo durante el día para inhibir la actividad del heterodímero CLOCK:BMAL1 y, por tanto, regular su propia transcripción. La degradación de los dímeros PER:CRY durante la segunda mitad del día es controlada por las caseína quinasas CKIδ y CKIε y determina la duración del período del reloj circadiano. En una segunda TTFL, los receptores orfan relacionados con el ácido retinoico (Rorα-γ) y eritroblastoma reversa (Rev-erbα/β, Nr1d1/2) compiten por la unión a los elementos de respuesta del receptor orfan relacionado con el ácido retinoico (RORE) en la secuencia del promotor de Bmal1 y, por tanto, estabilizan la TTFL, pues ROR activa mientras REV-ERB inhibe la transcripción de genes mediada por RORE. Adicionalmente, otra asa de retroalimentación actúa a través de la destrucción de (D)-boxes, los cuales han sido descritos en la secuencia del promotor de varios genes reloj. El factor nuclear, interleuquina 3 regulado (NFIL3, E4BP4) es represor, mientras la proteína de unión al promotor de albumina sitio D (DBP) es activador de D-boxes. Entonces, la actividad diurna de los genes reloj así como también la de  CCG es controlada a través de la unión de diferentes proteínas reguladoras a E-boxes, D-boxes o RORE. Para adaptar estas oscilaciones moleculares al tiempo externo, la TTFL circadiana puede ser “reseteada” por la luz como estímulo principal, pero también por otros estímulos como ácidos grasos poliinsaturados (PUFA), monóxido de carbono (CO) y óxido nítrico (NO). La luz estimula la transcripción de genes Per en el núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo resultando en entrenamiento del marcapaso circadiano del ciclo día-noche. La inducción de  Per es mediada por la interacción de la proteína de unión a los elementos de respuesta de cAMP (CREB) y la proteína quinasa activada por mitogenos (AMPK) con los elementos de respuesta de cAMP (CRE)  en la secuencia promotor de Per1 y Per2. Los PUFA activan receptores activados por proliferador de peroxisoma (PPAR), los cuales estimulan la transcripción de Bmal1. Adicionalmente, los PPAR tienen influencia sobre otros componentes reloj como PER2 y REV-ERBα. Las rutas de señalización CO y NO, permiten la producción de guanosina monofosfato cíclico (cGMP), el cual activa la proteína quinasa G para inducir cambios de fase.
   Los relojes celulares organizan funciones celulares a través de la regulación de  extensos programas transcripcionales  tejido-específicos; se estima que más de 40% de todos los genes que codifican  proteínas están sujetos a regulación circadiana al menos en un tejido del cuerpo. La cronodisrupción puede afectar al sistema reloj en diferentes niveles. Por ejemplo, la contaminación lumínica afecta relojes centrales en el cerebro, pero adicionalmente también puede afectar indirectamente relojes periféricos,  mientras la ingesta de alimentos es un sincronizador (o Zeitgeber) dominante para los relojes de tejidos periféricos.
   La red estructural del sistema circadiano de mamíferos está organizado de manera jerárquica. En la punta está el NSQ, una estructura bilateral de neuronas densamente agrupadas en la región ventromedial frontal del hipotálamo sobre el quiasma óptico. El NSQ recibe impulsos luminosos directamente de las células ganglionares de la retina intrínsecamente sensibles a la luz (ipRGC) que expresan el fotopigmento melanopsina (OPN4). Las ipRGC son más sensibles en el rango azul del espectro visible (ƛmax = 480 nm) y capaces de integrar información luminosa por largos períodos de tiempo. A través del tracto retino-hipotalámico, las ipRGC resetean relojes en el NSQ, entrenándolos directamente con el ciclo luz-oscuridad externo. La oscilación endógena de los relojes del NSQ determinan los ritmos conductuales y fisiológicos en el animal. Las lesiones quirúrgicas del NSQ resultan en aritmicidad circadiana conductual y molecular, aunque los ritmos de períodos cortos para algunos parámetros pueden ser preservados. A partir del NSQ, las conexiones neuronales y humorales alcanzan relojes celulares subordinados en el cerebro y la periferia, alineándose unos con otros y con el tiempo externo.
   Los estudios neuronales demuestran que el NSQ envía proyecciones predominantemente a otras regiones hipotalámicas, pero también alcanza otras regiones cerebrales como, por ejemplo, el núcleo paraventricular del tálamo (PVT) y la región periacueductal (PAG).  Las proyecciones del NSQ a la zona subparaventricular (sPVZ) están involucradas en la generación de ritmos reposo-actividad. Las proyecciones del NSQ al hipotálamo dorsomedial (HDM) y posteriormente al locus coeruleus (LC) conjuntamente con las proyecciones del NSQ al hipotálamo lateral regulan el alerta y por tanto la conducta sueño-vigilia. Las proyecciones directas del NSQ al núcleo preóptico ventrolateral (VLPO) son conocidas. Sin embargo, las proyecciones indirectas del NSQ a VLPO vía, por ejemplo, HDM y área preóptica medial aparentemente regulan el sueño. Adicionalmente, el NSQ envía proyecciones al núcleo preóptico medial (NPM) y al núcleo anteroventral paraventricular (AVPV). Más aún, el NSQ inerva al núcleo paraventricular (NPV) del hipotálamo y, por tanto, regula varios ejes hormonales así como también la liberación de melatonina, la cual a su vez regula al NSQ. Las señales aferentes del NSQ se originan en las ipRGC de la retina que contienen melanopsina, así como también estímulos metabólicos vía núcleo arqueado (ARC). Los mecanismos de comunicación con la red de relojes circadianos del cuerpo son pobremente entendidos. Los factores involucrados son la activación autonómica, la temperatura corporal, factores endocrinos como melatonina y glucocorticoides (GC), pero también funciones conductuales como el ciclo sueño-vigilia o el tiempo de ingesta de alimentos.
   Algunos Zeitgebers son capaces de afectar el sistema de relojes circadianos sin actuar a través del NSQ. Por ejemplo, el tiempo de ingesta de alimentos es un potente sincronizador de relojes circadianos de tejidos periféricos con poco efecto sobre el NSQ. En condiciones extremas, como alimentación restringida a la fase de reposo, esto puede provocar un desacoplamiento completo entre el reloj central y los relojes periféricos. Esta cronodisrupción interna puede ser una de las razones subyacentes de la alta prevalencia de desórdenes metabólicos en los trabajadores nocturnos. Por otra parte, trabajos recientes en roedores sugieren que la luz puede ajustar la transcripción de los genes reloj en tejidos periféricos de una manera independiente de la función del NSQ. Por otra parte, es bien conocido que el NSQ se comunica con otros osciladores circadianos en el sistema nervioso central (SNC) así como también con relojes periféricos. La señal de los osciladores extra-NSQ del SNC modulan funciones neuronales (como cognición, humor, etc.) pero también se comunican con osciladores de tejidos periféricos  a través de la  inducción de ritmos conductuales (por ejemplo, sueño, ingesta de alimentos, etc.) o ritmos neurohumorales (temperatura, melatonina, etc.). Los relojes de tejidos periféricos regulan funciones fisiológicas y ritmos (hormonas, metabolismo energético, inmunidad, etc.).
   Tradicionalmente, el rol principal en la coordinación de los relojes circadianos ha sido asignado al NSQ y su entrenamiento por la luz. Actualmente, con el desarrollo de herramientas experimentales para estudiar la función de relojes en tejidos específicos, está demostrado que los relojes tisulares continúan midiendo el tiempo aun cuando son removidos del cuerpo y la principal tarea del NSQ es la coordinación de los diferentes relojes de tejidos periféricos con el tiempo externo. Más aún, la ablación tejido-específica de la función reloj  ha sido usada para identificar roles fisiológicos para relojes tejido-específicos. Por ejemplo, la ablación de la función reloj en células hepáticas, impacta el manejo de la glucosa a través de la regulación de la expresión de transportador de glucosa en los hepatocitos. La pérdida de la función reloj en células β pancreáticas también impacta sobre el metabolismo de la glucosa inhibiendo la secreción de insulina y, por tanto, la disposición de glucosa postprandial. En el sistema inmune, los relojes específicos de tipo de célula han sido implicados en  migración celular y defensas inmunes. La mayoría de estos estudios se han ocupado de tejidos y células de la periferia, mientras los aspectos más visibles del reloj circadiano –del sueño al apetito y la regulación de la temperatura- son funciones del NSQ.
   La retina fue el primer tejido neuronal fuera del NSQ en el que se demostró un ritmo circadiano endógeno y autónomo de síntesis de melatonina in vitro. A partir de este hallazgo, se demostró que una variedad de regiones en el cerebro presentan oscilaciones. En ratones, de 27 regiones cerebrales estudiadas, 14 presentaron ritmicidad. Con excepción de unas pocas regiones cerebrales extra-NSQ, la ritmicidad se pierde después de la ablación quirúrgica o genética del NSQ.  Estos relojes fueron llamados osciladores secundarios. La única región, además del NSQ, que reúne todas las características de marcapaso circadiano es el bulbo olfatorio (BO). La investigación ha demostrado que la ritmicidad del BO es autónoma, entrenable y compensada por temperatura. Los ritmos de expresión de los genes reloj en el BO responden a la luz. Estos ritmos persisten en ratones con lesiones en el NSQ, pero la ritmicidad en la corteza piriforme es abolida por la bulbectomía. Por otra parte, la restricción de alimento induce ritmos en la corteza cerebral en ratones con lesiones en el NSQ. La actividad de la corteza cerebral muestra un patrón diurno en humanos y se especula que podría estar bajo control circadiano dependiente de GC. En la corteza prefrontal, el estrés induce la expresión de mARN de Per1 independiente de adrenalectomía en ratones. Las hormonas gonadales pueden jugar un rol en este contexto.
   El hipocampo, una estructura clave en la formación de la memoria, expresa rítmicamente todos los componentes reloj. Estos ritmos persisten en oscuridad constante y en cortes en cultivo por varios días. La melatonina puede resetear los relojes del hipocampo, pero la pinealectomía no afecta marcadamente  la ritmicidad de las proteínas reloj. La amígdala es otra estructura subcortical del sistema límbico que muestra ritmos de expresión de las proteínas reloj dependientes de un NSQ funcional. Los ritmos de los relojes de la amígdala son entrenados por los GC, pero la adrenalectomía elimina los ritmos exclusivamente en el núcleo central pero no en la amígdala basolateral. Más aún, los ritmos en la amígdala y en el núcleo del lecho de la estría terminal (BNST) desaparecen después de tiroidectomía y paratiroidectomía, pero no después de pinealectomía. La alimentación restringida por tiempo restaura los ritmos en la amígdala y el BNST de animales adrenalectomizados. Más aún, los relojes de ambos tejidos son sensibles a los esteroides sexuales.
   El núcleo acumbens (NAc) y el caudado putamen en el estriado, una región que coordinan múltiples funciones de cognición y motivación. Los patrones de  expresión de genes reloj en el NAc son alterados por una dieta rica en grasa/rica en azúcar en ratas. Adicionalmente, los cortes de putamen exhiben ritmicidad a pesar de carecer del impulso dopaminérgico, el cual ha sido señalado como el mayor regulador de este reloj cerebral. Por tanto, aun no se sabe exactamente como son entrenados los relojes del cerebro estriatal. Por otra parte, aún no está claro como la habénula lateral (LHb) del epitálamo guarda el tiempo. Los estudios iniciales demostraron un ritmo circadiano en las tasas de disparo en sincronía con el NSQ y respuesta fótica de la habénula de rata, mientras otros estudios no encontraron incremento en la expresión de cFOS por la luz en ratones. En este contexto, algunos investigadores sugieren una mayor influencia de señales intrínsecas en comparación con los neurotransmisores derivados del NSQ o de la información visual en la LHb. La LHb, entonces, parece ser un reloj cerebral bastante autónomo y auto-sostenido: las oscilaciones ex-vivo persisten  de manera independiente de potenciales de acción aun cuando son preparaciones obtenidas de animales con ablación del NSQ. Sin embargo, el impulso del NSQ es necesario para mantener en sincronía dos relojes distintos en la habénula. Las dietas obesogénicas provocan la abolición de la ritmicidad en la LHb indicando una sensibilidad a impulso derivado de nutrientes.
   En el hipotálamo, muchos osciladores circadianos extra-NSQ son particularmente sensibles al estado metabólico o al tiempo de alimentación. Los ritmos detectados en las regiones dorsomedial, lateral y ventromedial del hipotálamo son débiles en los animales bajo condiciones de alimentación restringida en el tiempo. El ARC  es una región crítica para el control de la homeostasis. A pesar de su robusta ritmicidad en vitro, el ARC pierde las oscilaciones de los genes reloj cuando se restringe el alimento durante el día en animales nocturnos. La disrupción genética del reloj del NSQ no elimina completamente la liberación rítmica de dopamina en el ARC indicando una maquinaria reloj semi-autónoma. No obstante, el corte de las conexiones entre el ARC y el NSQ resulta en desincronización del primero.  Las regiones hipotalámicas son importantes centros de control de muchas funciones fisiológicas rítmicas. Por tanto, no es sorprendente que la mayor parte de las áreas hipotalámicas presenten oscilaciones pronunciadas. Los osciladores del cerebro medio están menos caracterizados y la evidencia de ritmicidad es a menudo vaga. Por ejemplo, cortes de sustancia nigra son arítmicos en algunos estudios, y rítmicos en otros estudios aún en ratas con lesiones en el NSQ. La expresión de genes circadianos ha sido demostrada en regiones del cerebro anterior y el tálamo. En conjunto, está claro que los relojes circadianos están distribuidos a través del cerebro. La mayoría de estos osciladores dependen fuertemente del NSQ. Sin embargo, algunos de estos osciladores extra-NSQ muestran cierta autonomía y aparentemente son sensibles a Zeitgebers no fóticos. 
   En conclusión, el sistema reloj circadiano de mamíferos se basa en osciladores celulares que se encuentran en todos los tejidos del cuerpo y están organizados de una manera jerárquica. Un marcapaso master localizado en el NSQ sincroniza los relojes de tejidos periféricos y los osciladores extra-NSQ en el cerebro unos con otros y con el tiempo externo. Diferentes sincronizadores (o Zeitgebers) como la luz, la ingesta de alimentos, la actividad y las señales hormonales resetean el sistema reloj a través del NSQ  o por acción directa en el reloj del tejido. Varios osciladores extra-NSQ en el cerebro han sido caracterizados en términos de regulación de ritmos circadianos.  Algunos de ellos son inervados directamente por el NSQ, mientras otros reciben indirectamente impulsos del NSQ a través de otros circuitos neurales o estructuras extra-cerebrales. La función fisiológica específica de estos osciladores cerebrales extra-NSQ así como su rol en la regulación de la red de relojes circadianos no están muy claros.
Fuente: Begemann K et al (2020). Regulation and function of extra-SCN circadian oscillators in the brain. Acta Physiologica 229: 1-14.

Hiperandrogenismo femenino

La proporción de mujeres en los deportes ha aumentado dramáticamente en los últimos 50 años, lo cual se refleja en la alta participación femenina en los Juegos Olímpicos. Por ejemplo, en los Juegos Olímpicos de Munich, en 1972, 15% de los participantes fueron mujeres en comparación con 44%  en 2012 en Londres, los primeras Olimpíadas en las cuales las mujeres participaron en todas las disciplinas. En efecto, la proporción de participantes femeninas en los Juegos Olímpicos es actualmente de 50% aproximadamente. Sin embargo, las mujeres deportistas de élite tienen mayor riesgo de lesiones que los atletas masculinos, incluyendo fracturas por estrés y daño en las rodillas, lo cual puede acortar la carrera deportiva de las mujeres.  Por otra parte, los desórdenes endocrinos son comunes en atletas femeninas, como lo demuestra la alta prevalencia de desórdenes menstruales como la  amenorrea. Estas alteraciones podrían ser una consecuencia del ejercicio físico intenso o resultado de la sobre representación de mujeres con estos tipos de características endocrinas en los deportes de élite. El hiperandrogenismo esencial es un ejemplo de ello por lo que ha recibido mucha atención en los últimos años.

   La amenorrea es común entre las atletas, particularmente aquellas que participan en deportes donde un cuerpo delgado es considerado ventajoso para el rendimiento físico,  como los deportes estéticos y de resistencia. Esta condición médica, descrita por primera vez a finales de los años 70, es conocida como “amenorrea atlética”, es decir, pérdida de la menstruación como resultado de  un entrenamiento físico intenso. La amenorrea atlética es considerada un disturbio funcional atribuido a la inhibición del eje hipotálamo-hipófisis-gonadal (HHG) y es llamada amenorrea hipotalámica funcional (AHF) por la disrupción de la liberación pulsátil de hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH) por el hipotálamo. Esto, a su vez, reduce la secreción de hormona luteinizante (LH) y hormona estimulante de folículo (FSH) por la hipófisis, lo cual resulta en disminución de la producción de esteroides sexuales en el ovario, incluyendo estradiol, progesterona y testosterona, así como el desarrollo de anovulación y amenorrea. Varios mecanismos subyacen a la inhibición del eje HHG, incluyendo la activación del eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA) inducida por ejercicio y un consecuente incremento en la secreción hipotalámica de hormona liberadora de corticotropina (CRH) y de cortisol por las glándulas suprarrenales. Estas hormonas del estrés, conjuntamente con las endorfinas, también liberadas en respuestas a la actividad física, inhiben la secreción de GnRH por el hipotálamo.

   La amenorrea atlética está asociada con un estado hipometabólico que se refleja en bajos niveles de insulina y factor de crecimiento similar a insulina I (IGF-I) y altos niveles de hormona de crecimiento y proteína ligadora de IGF-I. Dado que el IGF-I estimula la liberación de GnRH y LH, una disminución en la actividad IGF-I puede, al menos en parte, explicar la reducción en la secreción de LH. Adicionalmente, los niveles plasmáticos de leptina, un marcador del estatus nutricional e involucrada también en la secreción pulsátil de GnRH, están significativamente reducidos en las atletas amenorreicas; así como también los niveles plasmáticos de tiroxina (T4) y triyodotironina (T3). Estos hallazgos indican que la amenorrea atlética es debida a la inhibición central del eje reproductivo por hormonas del estrés y endorfinas en combinación  con la atenuación de la estimulación de GnRH, como consecuencia de los bajos niveles de IGF-I y leptina.

   Actualmente, la causa más importante de amenorrea atlética es una ingesta de energía sustancialmente menor que el gasto de energía, algunas veces debida al deseo de tener un cuerpo delgado. Una cantidad de grasa corporal relativamente baja con relación a la masa muscular es importante para el rendimiento en muchas disciplinas deportivas, incluyendo deportes estéticos y de resistencia. Al mismo tiempo, el control estricto de la ingesta de alimentos puede desarrollar desórdenes de la alimentación, los cuales son más prevalentes en atletas que en la población general. La baja disponibilidad de energía, la amenorrea y la deficiencia de estrógenos están asociadas con pérdida rápida de masa ósea y elevado riesgo de lesiones musculoesqueléticas. Dado que la actividad física usualmente promueve la formación de hueso, inicialmente se consideró paradójico que las atletas de élite exhibieran reducción de la masa ósea.  Ahora, se sabe que este fenómeno proviene de la deficiencia nutricional y sus consecuencias endocrinológicas, incluyendo bajos niveles de estradiol, testosterona e IGF-I y niveles aumentados de cortisol. La AHF es una condición adquirida que puede ser revertida restaurando el balance entre la ingesta y el gasto de energía y esto debería ser la intervención inicial para atletas con esta condición. Si la terapia nutricional y la reducción de entrenamiento por un año  no provocan la reaparición de la menstruación,  puede considerarse el tratamiento con estrógenos.

   Aunque la disponibilidad insuficiente de energía y la resultante AHF son probablemente la causa más común de amenorrea entre las mujeres que hacen ejercicio, no todas las mujeres deportistas con desórdenes menstruales son hipometabólicas.  En efecto, el síndrome de ovarios poliquísticos (PCOS) ha sido identificado como una explicación alternativa.  El PCOS es probablemente el desorden endocrino más común entre mujeres de edad fértil, afectando aproximadamente al 10% de la población femenina. Este síndrome  se caracteriza por la elevada producción ovárica de andrógenos, disturbios en la ovulación y hallazgos de ovarios poliquísticos en la exploración con ultrasonido. Aunque la etiología del PCOS es bastante desconocida, hay fuertes indicaciones de una predisposición genética.   

   El hiperandrogenismo y la resistencia a la insulina, las características endocrinas de la patogénesis del PCOS,  explican varios de los síntomas asociados. La anormalidad primaria parece ser el incremento en la producción de  andrógenos por los ovarios, favorecida por la disrupción del control por retroalimentación de la secreción pulsátil de GnRH que resulta en elevada secreción de LH y deficiencia relativa de FSH. Las consecuencias clínicas son la característica morfología de ovarios poliquísticos y la anovulación que provoca desórdenes menstruales y reducción de la fertilidad, así como hirsutismo y acné. Adicionalmente, las mujeres con PCOS son más resistentes a la insulina, independiente de obesidad, provocando hipersecreción secundaria de insulina, la cual estimula directamente la producción de andrógenos por las células tecales del ovario. Por otra parte, la insulina inhibe la síntesis hepática de la globulina ligadora de hormonas sexuales (SHBG); elevando, por tanto, los niveles de testosterona libre y biodisponible. Más aún, la resistencia a la insulina puede provocar cambios metabólicos incluyendo obesidad abdominal.

   El PCOS generalmente es manejado a través del tratamiento de los síntomas, incluyendo desórdenes menstruales, infertilidad, hirsutismo y sobrepeso/obesidad, aunque el tratamiento específico no siempre es necesario. Sin embargo, un estilo de vida sano, es claramente beneficioso y debe ser recomendado desde el inicio del tratamiento. La anovulación de larga duración incrementa el riesgo de cáncer endometrial, pero los anticonceptivos orales o los progestágenos cíclicos pueden ser usados para regularizar la menstruación y abolir este riesgo. Los anticonceptivos orales combinados atenúan los efectos androgénicos y contrarrestan el hirsutismo y el acné.   La actividad física usualmente mejora el acné de mujeres con PCOS, pero la estimulación de la ovulación o la fertilización in vitro también puede ser ofrecida a las pacientes.

   El PCOS parece ser un desorden común entre atletas femeninas de élite  y la causa más frecuente de desórdenes menstruales en las mujeres deportistas olímpicas.  Las atletas con PCOS muestran elevada secreción diurna de LH y testosterona en comparación con las atletas sin PCOS. Por el contrario, en atletas con AHF debida a deficiencia de energía, la pulsatilidad de LH es abolida y los niveles de testosterona son bajos. Entonces, el perfil hormonal asociado con PCOS difiere completamente del de la AHF. Al mismo tiempo, el nivel de testosterona en las mujeres con PCOS se mantiene en la parte superior del rango normal. El cuerpo de tales atletas es más anabólico, con una mayor cantidad de masa muscular y mayor densidad mineral ósea que otras atletas. Por otra parte, el hiperandrogenismo parece proteger efectivamente contra la pérdida ósea, a pesar de la oligomenorrea/amenorrea y la deficiencia  relativa  de estrógenos. En algunas atletas con amenorrea, la causa puede ser mixta con  disturbios hipotalámicos funcionales por deficiencia de energía y PCOS.

   Algunas mujeres nacen con condiciones raras referidas como diferencias/desórdenes del desarrollo sexual (DSD) en las cuales el desarrollo del sexo cromosómico, gonadal y anatómico es atípico. Estas condiciones usualmente son diagnosticadas en el nacimiento o durante la infancia temprana a través de la presencia de genitales ambiguos o en el inicio de la pubertad debido a la presencia de amenorrea primaria. Sin embargo, en regiones con recursos y/o competencias médicos limitados, estas pacientes pueden llegar a la adultez sin ser diagnosticados. Las DSD involucran un cariotipo masculino y testículos no descendidos pero funcionales  con una producción de testosterona que puede alcanzar niveles similares a los de los hombres. Si los receptores de andrógenos son funcionales, su masa muscular se desarrollará como en los hombres conjuntamente con otros signos de virilización, incluyendo hirsutismo, voz grave, atrofia de las mamas e hipertrofia del clítoris. Las mujeres con DSD tienen un riesgo variable de desarrollar cáncer de células germinales (CCG).

   La deficiencia de la enzima 5α-reductasa tipo 2, una condición autosómica recesiva rara causada por una mutación en el gen SRD5A2, resulta en insuficiencia para convertir testosterona en 5-dihidrotestosterona (DHT). Dado que el desarrollo de los genitales masculinos durante la vida fetal depende de la DHT, esta condición provocará grados variables de subvirilización a pesar de la presencia de testículos y una producción normal de testosterona, lo cual resulta en la identificación como hembra en el nacimiento. Sin embargo, durante la pubertad, cuando los niveles circulantes de testosterona alcanzan los niveles normales de un hombre adulto, las hembras exhiben virilización y más de la mitad de ellas cambian su identidad de género y se vuelven hombres. El riesgo de CCG con esta condición es relativamente bajo.

   El síndrome de insensibilidad a los andrógenos (SIA), causado por una mutación en el gen del receptor de andrógenos en el cromosoma X, provoca grados variables de subvirilización en individuos portadores de un cromosoma X y un cromosoma Y. En el caso de insensibilidad a los andrógenos completa (SIAC), aun con testículos no descendidos y niveles circulantes de testosterona en el rango normal para hombres, estos individuos responden muy poco o nada a los andrógenos y, por tanto, parecen mujeres completas.  Sin embargo, con insensibilidad a los andrógenos parcial (SIAP), el fenotipo puede variar desde una mujer virilizada hasta un hombre subvirilizado. Si las gónadas son intra-abdominales, el SIAP está asociado con un riesgo claramente elevado de CCG (30-40%), y, por tanto, la gonadectomía es recomendada en este caso.

   Una mutación en el gen 17β-hidroxiesteroide deshidrogenasa tipo 3 (17β-HSD) resulta en la conversión deficiente de androstenediona en testosterona. Clínicamente, estos individuos XY desarrollan genitales externos subvirilizados y fenotipos variables, con algunos casos identificados como hembra en el nacimiento. Sin embargo, como en el caso de la deficiencia de 5α-reductasa, cuando los testículos comienzan a producir grandes cantidades de testosterona durante la pubertad, estos individuos muestran marcada virilización y aproximadamente la mitad cambia su identidad de género a hombre. Esta condición está asociada con un riesgo medio alto de CCG.

   Los individuos con DSD ovotesticular (hermafroditismo verdadero), otra condición muy rara con cariotipos variables (aunque 46XX es el más común) desarrollan tejido ovárico y testicular. Ellos pueden tener ovario en un lado y testículo en el otro lado o tejido combinado,  llamado ovotestis. Dependiendo de su tejido gonadal, el fenotipo clínico varía ampliamente, desde un hombre normal hasta una mujer normal, aunque la naturaleza de los genitales externos a menudo es ambigua. Ellos pueden ser considerados hombre o mujer y poco se conoce  acerca de su identidad de género. El riesgo de CCG es bajo en la DSD ovotesticular.

   La incidencia de 46XY DSD en la población general es estimada en 1 por cada 20000 nacimientos. En comparación, la prevalencia de esta condición entre las atletas femeninas que participan en los campeonatos mundiales que es de 7 en 1000, es decir, 140 veces mayor. Dado que las formas leve y severa de hiperandrogenismo parecen ser particularmente comunes entre las atletas femeninas, se ha sugerido que tales condiciones podrían aumentar el rendimiento atlético y jugar un rol en la decisión de las mujeres de participar en deportes competitivos.

   El sexo biológico es uno de los determinantes más decisivos del rendimiento atlético. En los deportes de fuerza, los hombres tienen, en general 10-20% de ventaja sobre las mujeres, con la diferencia más pronunciada en los deportes que involucran primariamente la fuerza muscular. Esta diferencia sexual obvia aún se mantiene, aunque el rendimiento de las mujeres ha mejorado considerablemente con el tiempo, dando lugar a la conclusión que la competición entre mujeres y hombres podría no ser significativa y, por tanto, muchos deportes involucran competiciones femeninas y masculinas. Las diferencias promedio en las características físicas que podrían conferir una ventaja masculina incluyen: mayor talla (lo cual es beneficioso en algunos deportes), una composición corporal más anabólica (relativamente más masa muscular que grasa corporal) y mayor fuerza muscular. Adicionalmente, las diferencias sexuales en los niveles de hemoglobina y los patrones conductuales, incluyendo competitividad, pueden dar a los hombres una ventaja sobre las mujeres.

   Entre todas las variables que pueden jugar un rol en el rendimiento atlético, la explicación de la diferencia sexual que es más aceptada involucra los niveles circulantes de testosterona, los cuales son, en promedio, 10-20 veces mayores en hombres que en mujeres. Las mediciones disponibles indican que el rango femenino normal es 0,1-1,8 nmol/l y el rango masculino normal es 7,7-29,4 nmol/l. Aun cuando las mujeres con hiperandrogenismo leve, como PCOS, sean incluidas, el límite superior femenino es 3,1 nmol/l  o 4,8 nmol/l.

   En mujeres de edad fértil, aproximadamente 50% de la testosterona circulante es secretada directamente, y en partes iguales, por los ovarios y las glándulas adrenales. El 50% restante es producido por la conversión periférica de precursores de andrógenos derivados de los ovarios y las adrenales. La androstenediona producida por el ovario, un precursor de estrógenos y andrógeno, puede ser convertida en testosterona, la cual es convertida posteriormente en DHT, un andrógeno mucho más potente, por la enzima 5α-reductasa localizada en el ovario y otros tejidos periféricos (hígado, riñón, músculo, tejido adiposo y piel). La glándula adrenal produce dehidroepiandrosterona (DHEA), dehidroepiandrosterona sulfato (DHEAS), androstenediona, testosterona y pequeñas cantidades de DHT. En los tejidos periféricos que expresan enzimas esteroidogénicas, los precursores DHEA y DHEAS pueden ser convertidos en estradiol, testosterona y DHT. En las mujeres, la DHEA es considerada una fuente mayor tejido-específica de testosterona y DHT.

   En la circulación sanguínea, aproximadamente 65-70% de la testosterona  está unida a SHBG, una proteína secretada por el hígado, 30-35% de la testosterona está unida a albúmina y solamente 0,5-3%  es testosterona libre. Las fracciones libre y unida a albúmina son consideradas testosterona biodisponible. Sin embargo, el índice andrógeno libre, es decir, la relación de testosterona total a SHBG multiplicada por 100, es usado como una medida de testosterona libre circulante.  La DHT en la circulación está unida a más fuertemente a la SHBG que la testosterona. La cromatografía de líquido (o gas)-espectrometría de masa es considerada la técnica más adecuado para el análisis de testosterona en suero, pues los métodos inmunológicos son limitados por la reactividad cruzada con otros esteroides y la sensibilidad insuficiente.  

   La testosterona y la DHT son los dos andrógenos que claramente se unen al receptor de andrógenos y por tanto ejercen actividad anabólica. Aunque la evidencia reciente indica que la 11-cetotestosterona y la 11-cetodihidrotestosterona, derivados de andrógenos producidos por la glándula adrenal son también potentes agonistas del receptor de andrógenos humano, su potencial rol biológico aún no está dilucidado.

   Los andrógenos pueden aumentar el rendimiento atlético a través de sus efectos sobre el tejido muscular, la masa ósea, la eritropoyetina, el sistema inmune y patrones conductuales, aunque la mayor parte de los estudios en este contexto se han realizado en hombres. En el tejido muscular, los andrógenos incrementan el número de fibras musculares, células satélites y mionúcleos, así como también el tamaño de las neuronas motoras. Más aún, los hallazgos experimentales indican que en el músculo esquelético,  la testosterona eleva la expresión de miostatina, la biogénesis mitocondrial, la expresión de mioglobina y el contenido de IGF, lo cual resulta en aumenta de la actividad del músculo esquelético. Obviamente, el crecimiento muscular y el incremento en fuerza y potencia pueden aumentar el rendimiento. Adicionalmente, los andrógenos estimulan la formación de hueso, directamente y a través de su aromatización local en estrógenos. Más aún, el incremento en fuerza y masa muscular estimulado por los andrógenos promueve la formación de hueso. La testosterona también estimula la formación de nuevos eritrocitos y eleva los niveles circulantes de hemoglobina, aparentemente como resultado de la secreción de más eritropoyetina y menos hepcidina. Los experimentos revelan una relación lineal entre los niveles de hemoglobina y el consumo máximo de oxígeno durante el ejercicio.   Los andrógenos también pueden ejercer efectos conductuales y psicológicos que influyen en el rendimiento atlético. La administración de testosterona exógena en hombres aumenta la conducta competitiva y dominante, reduce el temor y promueve la conducta de alto riesgo.

   La influencia de los niveles endógenos de andrógenos en el rango normal sobre el rendimiento atlético ha sido muy poco estudiada en mujeres, mientras en hombres hay evidencia de una asociación entre niveles normales de testosterona  endógena y rendimiento físico en atletas y no atletas. Una razón para la carencia de tal investigación en mujeres podría ser las complicaciones introducidas por las variaciones hormonales  durante el ciclo menstrual y el uso de anticonceptivos. Un estudio que incluye atletas femeninas (n=22) demostró que los niveles plasmáticos de testosterona en reposo se correlacionan positivamente con el rendimiento explosivo. En otro estudio, se examinaron más de 100 atletas olímpicas suecas y controles sedentarios de la misma edad e IMC con respecto a masa muscular y ósea, fuerza muscular y perfil de andrógenos en suero y orina. Aunque las atletas exhibieron niveles de andrógenos en suero en el rango normal, sus niveles de precursores de andrógenos, incluyendo DHEA, fueron mayores y los niveles de estrona menores que los correspondientes a los controles. Adicionalmente, los niveles de DHT y DHEA en suero se correlacionaron positivamente con el rendimiento físico de las atletas. Esta observación es importante porque la evidencia acumulada indica que, en las mujeres, la DHEA es el mayor precursor de andrógenos bioactivos al ser convertida intracelularmente en testosterona y DHT, las cuales se unen al receptor de andrógenos. Estos hallazgos indican que, en atletas femeninas, aun los niveles normales de andrógenos endógenos se correlacionan positivamente con la masa magra y el rendimiento físico.

   En conclusión, la evidencia emergente indica que la testosterona incrementa la masa y fuerza musculares, estimula la eritropoyesis, promueve la conducta competitiva y aumenta el rendimiento físico de las mujeres. Adicionalmente, los niveles de testosterona en el rango normal se correlacionan con la masa muscular y el rendimiento físico en atletas femeninas. Más aún, entre estas atletas, la prevalencia de condiciones hiperandrogénicas, incluyendo PCOS y DSD, las cuales incrementan grandemente la producción de testosterona, es elevada. Estos hallazgos han dado lugar a la propuesta que el hiperandrogenismo esencial es beneficioso para el rendimiento atlético y juega un rol en la decisión de las mujeres para competir en actividades atléticas.  La testosterona circulante es considerada el factor más fuerte para explicar la ventaja masculina en el rendimiento deportivo.

Hirschberg AL (2020). Female hyperandrogenism and elite sport. Endocrine Connections 9: R81-R92.

Serotonina en tejidos periféricos

La serotonina (5-hidroxitriptamina, 5-HT) es una monoamina que actúa mediando funciones centrales y periféricas. Es sintetizada a partir del aminoácido esencial triptófano por la acción secuencial de las enzimas triptófano hidroxilasa (TPH) y descarboxilasa de aminoácidos aromáticos (AADC). La mayor parte de la 5-HT es degradada por la enzima monoamina oxidasa (MAO) a 5-hidroxindol aldehído, el cual a su vez es metabolizado a ácido 5-hidroxindolacético (5-HIAA) por la enzima aldehído deshidrogenasa. En los vertebrados, dos isoformas de la TPH exhiben patrones de expresión exclusivos en los tejidos,  TPH1 en tejidos no neuronal periféricos y TPH2 en neuronas de los tejidos nervioso central (SNC) y entérico. Debido a que la 5-HT no puede cruzar la barrera hematoencefálica, los sistemas 5-HT central y periférico son funcionalmente separados. En el SNC, la 5-HT actúa como un neurotransmisor y regula varias funciones fisiológicas incluyendo el apetito, la conducta sueño-vigilia y el gasto de energía.

   En la periferia, la mayor parte de 5-HT es sintetizada por las células enterocromafines en el intestino. La 5-HT derivada del intestino actúa localmente en el tracto gastrointestinal o entra en la circulación.  Una vez liberada por el intestino, la 5-HT es tomada, en gran parte,  por las plaquetas y almacenada en gránulos densos a través de los transportadores vesiculares de monoaminas (VMAT),  y la restante 5-HT es transportada por la circulación porta al hígado donde es metabolizada. Los niveles de 5-HT libre en sangre periférica son muy bajos pues >95% de 5-HT es almacenada en las plaquetas. Las plaquetas circulantes secretan 5-HT en respuesta a estímulos y provoca coagulación sanguínea, regeneración e inflamación hepáticas. Además del intestino, la 5-HT es sintetizada en otros tejidos periféricos, incluyendo células β pancreáticas,  adipocitos y osteoclastos. Por tanto, la disponibilidad de 5-HT en los tejidos periféricos depende de la combinación de producción local de 5-HT, niveles de 5-HT libre en la circulación sanguínea y la cantidad de 5-HT liberada por las plaquetas.

   Los efectos biológicos de la 5-HT son debidos primariamente a la unión con sus receptores (HTR) en los tejidos blancos. Hasta el presente, se han identificado al menos 14 HTR clasificados en siete familias. Los HTR, excepto el HTR3, pertenecen a la super familia de receptores acoplados a proteína G (GPCR), con cada una de las familias de HTR mostrando diferentes rutas de señalización intracelular. La  5-HT también puede actuar de una manera independiente de receptor vía “serotonilación”, en la cual la 5-HT se une covalentemente a proteínas en varios tipos de células. 

   El mantenimiento de la homeostasis de la glucosa requiere una adecuada masa de células β pancreáticas y la apropiada secreción de insulina en respuesta a la insulina. La 5-HT es secretada por las células β bajo estimulación con glucosa y/u otros estímulos. El análisis transcriptómico de islotes pancreáticos humanos y células β humanas purificadas revela que los genes que codifican a las enzimas de la síntesis de  5-HT (TPH1 y AADC) son expresados en los islotes humanos, con HTR2B con la más alta expresión entre los genes que codifican a los  HTR que son expresados por los islotes pancreáticos humanos. La TPH1 es expresada en las células β humanas en mayor cantidad durante el desarrollo fetal que durante la adultez. Más aún, la 5-HT y la proteína HTR2B están presentes en las células β. La 5-HT puede contribuir a la regulación fisiológica de la masa de células β.

   La resistencia a la insulina que se desarrolla en el embarazo aumenta el flujo de nutrientes de la madre al feto, y las células β pancreáticas compensan esta resistencia a la insulina fisiológica incrementando su masa y la secreción de insulina. El lactógeno placentario (PL) se une al receptor de prolactina (PRLR) e induce la fosforilación de STAT5 para estimular la expresión de TPH1 y, por consiguiente, inducir la producción masiva de 5-HT en las células β durante el embarazo. La inhibición de la síntesis de 5-HT usando una dieta libre de triptófano o un inhibidor TPH reduce la proliferación de células β, resultando en insuficiencia de la expansión compensadora de la masa de células β y alteración de la tolerancia a la glucosa durante el embarazo.

   Dado que la producción de 5-HT por las células β persiste  hasta el final de la lactancia, los cambios dinámicos en la masa de células β durante la gestación y la lactancia podrían ser debidos no solamente a incrementos en la producción de 5-HT. El perfil de expresión de genes de HTR durante el embarazo revela que la expresión de Htr2b es regulada al alza durante la gestación media, un período durante el cual las células β proliferan activamente, mientras que la expresión de Htr1d es regulada al alza al final del embarazo, un período durante el cual la masa de células  β expandida regresa a su nivel pre-embarazo. El HTR2B es un receptor  acoplado a proteína Gq cuya activación induce proliferación de células β posiblemente a través de la activación de AKT y/o ERK1/2. La inhibición de la señal del HTR2B por un antagonista HTR2B selectivo disminuye la proliferación de células β durante el embarazo. La 5-HT también limita la expansión de células β induciendo apoptosis a través del receptor HTR1 acoplado a proteína Gi. Similarmente, la regulación al alza de Htr1d al final de la gestación y durante el período postparto se correlaciona con el cese de la proliferación y regresión de la masa de células β. Entonces, la 5-HT incrementa la masa de células β durante la gestación media a través de HTR2B y disminuye la masa de células β al final de la gestación a través de HTR1D de una manera autocrina/paracrina.  Durante la lactancia, la prolactina (PRL) induce la producción de 5-HT en las células β, incrementando la masa de células β a través del HTR2B y por consiguiente mejora el control glucémico de larga duración en la mujer.

   Durante el período perinatal, la disrupción del gen Tph1 en las células β resulta en la pérdida de la producción de 5-HT, reduciendo la proliferación perinatal de células β y la masa de células β por más de 50%. Esta reducción en la masa de células β altera la tolerancia a la glucosa en la adultez e incrementa la susceptibilidad a la diabetes en respuesta al estrés metabólico. Por otra parte, el HTR2B actúa regulando a la baja la acción de la 5-HT en la regulación  de la proliferación perinatal de células β.  Entonces, la 5-HT determina la masa de células β del adulto regulando la proliferación perinatal de células β a través del HTR2B. Así como durante el embarazo, el sistema PL/PRLR estimula la expresión del gen Tph1en las células β, durante el período perinatal, la hormona de crecimiento estimula la expresión de Tph1 a través de la ruta receptor de hormona de crecimiento (GHR)/STAT5. El HTR3, un canal catiónico disparado por ligando, potencia la secreción de insulina durante el embarazo en respuesta a la resistencia a insulina inducida por dieta. El escape de Na⁺ vía HTR3 despolariza el potencial de membrana, incrementando la excitabilidad de la membrana para producir un potencial de acción. Esto resulta en alteración de la secreción de insulina en ratones Thr3 knock-out.

   La 5-HT intracelular también puede estar involucrada en  la función de las células β. La 5-HT intracelular se une covalentemente a las GTPasas  RAB3A y RAB27A vía serotonilación y la inhibición de esta unión resulta en alteración de la secreción de insulina. La 5-HT intracelular también protege a la célula β del estrés mitocondrial reduciendo la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS). El triptófano y sus metabolitos (por ejemplo, 5-HTP, 5-HT y melatonina) pueden atrapar directamente ROS. En suma: la 5-HT juega varios roles beneficiosos en las células β y la pérdida selectiva de la función de la 5-HT resulta en tolerancia a la glucosa disminuida. Sin embargo, la inhibición sistémica de la síntesis periférica de 5-HT resulta en diferentes fenotipos metabólicos, como alteración de la secreción de insulina con disminución de la tolerancia a la glucosa o mejoría de la sensibilidad a la insulina con mayor tolerancia a la glucosa.

   El tejido adiposo es un órgano metabólico dinámico que almacena y consume energía. El tejido adiposo puede ser clasificado en dos tipos funcionalmente distintos: tejido adiposo blanco (TAB) y tejido adiposo marrón (TAM). Recientemente se ha identificado un tercer tipo funcionalmente distinto de  adipocitos; estas células, llamadas  adipocitos beige, están localizadas en depósitos de TAB pero funcionan como TAM. Los adipocitos beige contienen varias gotas de lípidos y expresan proteína desacopladora 1 (UCP1). El TAB actúa principalmente como reservorio de energía en el cuerpo. En el estado alimentado los adipocitos blancos absorben el exceso de energía y lo almacenan como triglicéridos, mientras, en el estado de ayuno, los adipocitos blancos proporcionan energía a otros órganos transformando los triglicéridos en ácidos grasos libres y glicerol. Los adipocitos marrones y beige consumen energía para generar calor y mantener la temperatura óptima del cuerpo. El aclaramiento defectuoso de nutrientes, el incremento en la lipólisis y la disminución de la termogénesis por los adipocitos contribuyen al desarrollo de enfermedades metabólicas,  como obesidad, diabetes tipo 2 y la enfermedad  hepática grasa no alcohólica (NAFLD).

   Aunque la 5-HT está presente en el tejido adiposo, no está claro si los adipocitos sintetizan 5-HT autónomamente. La evidencia reciente demuestra que los adipocitos tienen un sistema funcional para síntesis de 5-HT y que la expresión de Tph1 y la cantidad de 5-HT aumentan durante la diferenciación de los adipocitos. La expresión de Tph1 es esencial para la diferenciación de los adipocitos y la señal 5-HT regula múltiples rutas metabólicas en los adipocitos maduros. En los pacientes diabéticos, el tratamiento con antagonistas de HTR2A incrementa las concentraciones circulantes de adiponectina. En el estado de ayuno, la 5-HT, a través del HTR2B,  induce la lipólisis en los adipocitos mediante la fosforilación de la lipasa sensible a hormona (LSH) en los residuos serina 563 y 660.

   La 5-HT inhibe la diferenciación de adipocitos marrones y la termogénesis inducida por el receptor β3-adrenérgico. Por otra parte, la señal HTR3 puede suprimir la termogénesis en el TAM. Durante la activación del receptor β3-adrenérgico, el antagonista HTR3 ondansetron, incrementa la producción de AMP cíclico y la fosforilación de la LSH y la proteína quinasa A (PKA) en adipocitos marrones. En el tejido adiposo subcutáneo, la 5-HT producida por los mastocitos más que por los adipocitos, inhibe la termogénesis adaptativa. Estos datos indican que la síntesis regional de 5-HT es crítica en la regulación de la termogénesis en el tejido adiposo.

   El hígado es un órgano metabólico que regula la glucosa y los lípidos circulantes en el cuerpo.  Cuando los nutrientes están en exceso, los hepatocitos secuestran glucosa y ácidos grasos como glucógeno y triglicéridos. Sin embargo, durante el ayuno, los hepatocitos mantienen los niveles de glucosa promoviendo su liberación a través  de la degradación de glucógeno (glucogenolísis) y la síntesis de novo de glucosa  a partir de glicerol y aminoácidos.

   Los hepatocitos no sintetizan 5-HT pero tienen  un sistema serotonérgico funcional. La 5-HT que actúa en el hígado deriva del intestino (5-HT libre) o las plaquetas, dependiendo de las condiciones fisiológicas. La 5-HT regula el metabolismo de la glucosa en los hepatocitos. Durante el ayuno, la 5-HT derivada del intestino, a través del HTR2B,  promueve la gluconeogénesis en los hepatocitos incrementando la actividad de las enzimas fructosa 1,6-bifosfatasa y glucosa 6-fosfatasa. Adicionalmente, la señal HTR2B impide la captación de glucosa en los hepatocitos promoviendo la degradación del transportador de glucosa 2 (GLUT2). La señal 5-HT también regula el metabolismo de lípidos en los hepatocitos. La 5-HT tiene un efecto aditivo sobre la acumulación de lípidos en los adipocitos tratados con ácidos grasos. La inhibición genética o farmacológica de la señal HTR3 en modelos roedores de obesidad inducida por dieta reduce la acumulación hepática de lípidos. En condiciones de dieta rica en grasas, la inhibición de la síntesis de 5-HT en el intestino mejora la esteatosis hepática mediante la reducción de la señal HTR2A hepática.

   La esteatosis hepática es un evento patológico temprano en la NAFLD, la cual puede progresar a esteatohepatitis no alcohólica, cirrosis hepática y carcinoma hepatocelular. La fibrosis hepática avanzada es un factor pronóstico clave en la NAFLD, con las células estrelladas hepáticas (CEH) como la fuente principal de miofibroblastos en la fibrosis hepática. La señal 5-HT tiene un rol directo en la regulación, activación y resolución de CEH. La 5-HT actúa de manera sinérgica con el factor de crecimiento derivado de plaquetas para estimular la proliferación de CEH. Por otra parte, antagonizar la señal HTR2B en las CEH suprime su proliferación e incrementa su tasa de apoptosis. La señal HTR2B activa CEH induciendo  la expresión del factor de crecimiento transformante β1 (TGFβ1) a través de una ruta de señalización que involucra a la proteína quinasa activada por mitogeno 1 (MAPK1) y el factor de transcripción JunD.

   La inflamación crónica, especialmente en tejido adiposo e hígado, promueve resistencia a la insulina. Adicionalmente, la inflamación en islotes pancreáticos resulta en el desarrollo de disfunción de células β. La 5-HT periférica está involucrada en condiciones inflamatorias actuando sobre varias células inmunes, incluyendo la adhesión y reclutamiento de neutrófilos durante la inflamación aguda. La 5-HT periférica también previene el desarrollo de colitis experimental regulando a la baja la infiltración de macrófagos y por consiguiente la producción de citoquinas pro-inflamatorias. La 5-HT media actividades pro-inflamatorias pero también inhibe la liberación de citoquinas anti-inflamatorias y promueve la polarización M2 en macrófagos humanos.

   El músculo esquelético es un órgano metabólico que regula la homeostasis de la glucosa en el cuerpo a través de la captación de glucosa, principalmente por GLUT4. El HTR2A está localizado exclusivamente en la membrana plasmática de fibras de músculos blancos y rojos y la 5-HT estimula directamente la captación de glucosa a través del HTR2A. Más aún, la 5-HT estimula la disposición de glucosa regulando al alza la actividad de la 6-fosfofruto-1-quinasa (PFK) a través del HTR2A. 

   Las drogas que modulan la ruta de señalización de 5-HT son usadas para tratar varias enfermedades humanas. Por ejemplo, los inhibidores selectivos de la recaptación de 5-HT son ampliamente usados para tratar desórdenes mentales; el inhibidor TPH periférico, telotristat etil, es usado para tratar el síndrome carcinoide; el antagonista HTR2A, sarpogrelate hidrocloruro, es usado para tratar la enfermedad arterial periférica; el agonista HTR2C, lorcaserin, es usado para tratar la obesidad; el antagonista HTR3, ondansetron, es usado para tratar náuseas y vómitos;  y el agonista HTR4, prucalopride, es usado para tratar la constipación crónica.

   En humanos, las concentraciones plasmáticas de 5-HT son mayores en sujetos obesos que en no obesos y se correlacionan positivamente con el índice de masa corporal y la hemoglobina glucosilada (HbA1c). Por otra parte, las concentraciones plasmáticas de 5-HIAA son mayores en sujetos con síndrome metabólico y se correlacionan positivamente con la concentración plasmática de glucosa  en ayunas. Dado que las rutas de señalización de la 5-HT periférica regulan el metabolismo energético en varios órganos metabólicos, pueden ser una nueva estrategia para el tratamiento de enfermedades metabólicas. En este contexto, el inhibidor TPH periférico, LP-533401 mejora la intolerancia a la glucosa en modelo de ratones con obesidad inducida por dieta rica en grasas sin alterar la ganancia de peso corporal. El LP-533401 también previene la obesidad inducida por dieta activando la termogénesis en TAM y tejido adiposo beige. La administración del antagonista HTR2A, sarpogrelate hidrocloruro, previene el desarrollo de esteatosis hepática inducida por dieta rica en grasas. Estos hallazgos indican que los inhibidores TPH periféricos pueden ser usados como drogas para el tratamiento de  la obesidad y/o síndrome metabólico, mientras que los antagonistas HTR2A/2B pueden servir como drogas para el tratamiento de la NAFLD. Sin embargo, deben ser cuidadosamente considerados los posibles efectos perjudiciales de la inhibición de la TPH1 en las células β pancreáticas sobre la homeostasis de la glucosa en  condiciones específicas como el período perinatal, el embarazo y la lactancia.

   En conclusión, la 5-HT es una amina biogénica sintetizada a partir del triptófano. La mayor parte de 5-HT es sintetizada por células enterocromafines en el intestino. En la circulación sanguínea, la mayor parte de 5-HT es tomada por las plaquetas, con bajos niveles de 5-HT libre. Además del intestino, la 5-HT periférica es sintetizada en las células β pancreáticas y los adipocitos. La 5-HT promueve directamente la proliferación de células β pancreáticas y la secreción de insulina, induce la lipólisis y suprime la termogénesis adaptativa dependiente de UCP-1 en los adipocitos. En el hígado, la 5-HT induce la lipólisis y la gluconeogénesis, mientras suprime la captación de glucosa en los hepatocitos. La 5-HT también promueve la activación de CEH  y está involucrada en la fibrosis hepática. La 5-HT puede regular el metabolismo energético actuando directamente sobre células inmunes y músculo esquelético. Los inhibidores de la síntesis de la 5-HT periférica y/o la señal HTR pueden tener potencial como drogas para el tratamiento de la obesidad, el síndrome metabólico y la NAFLD.

Fuente: Choi W et al (2020). Serotonergic regulation of energy metabolism in peripheral tissues. Journal of Endocrinology 245: R1-R10.

Retinoides y esquizofrenia

La esquizofrenia es un desorden psiquiátrico influenciado por factores genéticos y ambientales. El desarrollo de nuevos tratamientos debe enfrentar la compleja etiología de la esquizofrenia, múltiples sistemas biológicos están involucrados y su contribución a la fisiopatología puede ser específica para cada individuo, su composición genética y/o exposiciones especificas a estrés biológico o psicosocial. Esto es consistente con la hipótesis del neurodesarrollo de la esquizofrenia, donde la interacción de factores genéticos y ambientales altera el neurodesarrollo temprano. Esto corresponde a una reducción del volumen y la densidad dendríticos, lo cual se manifiesta macroscópicamente como adelgazamiento cortical y reducida conectividad neural. La investigación inicial de esta hipótesis  estaba centrada en el sistema dopamina, debido a su claro rol en la psicosis, pero actualmente hay muchas rutas biológicas involucradas en la esquizofrenia y los desórdenes psicóticos relacionados. Hay un sistema, en particular, involucrado en la biosíntesis y señalización de retinoides, que debe ser considerado en el contexto de la esquizofrenia por su bien conocido rol en el desarrollo neural a través del control de la diferenciación neural. Los retinoides son metabolitos de la vitamina A (retinol todo trans, comúnmente referido como retinol), una vitamina soluble en grasa derivada de los alimentos en su forma activa o en  forma de  precursores como un β-caroteno. El ácido retinoico todo trans (atRA) es el retinoide más activo biológicamente y ejerce efectos genómicos y no genómicos. Los retinoides juegan un rol en un conjunto de  rutas del desarrollo pero también en procesos postnatales incluyendo plasticidad sináptica, homeostasis de linfocitos, inflamación y el ciclo visual. Ellos pueden ser modulados por agonistas y antagonistas naturales y sintéticos.

   La vitamina A es almacenada primariamente en el hígado donde la principal forma de almacenamiento es como retinol esterificado (retinil ester) en las gotas de lípidos de las células estrelladas hepáticas. La proteína ligadora de retinol 4 (RBP4) es el principal transportador del retinol circulante con ~95% del todo el retinol. Los hepatocitos secretan retinol unido a RBP4 y en la circulación sanguínea forma un complejo con la proteína tetramérica transtiretina (TTR). La TTR, una vez unida con RBP4 y retinol, juega un importante rol en la determinación de la concentración plasmática de retinol a través de la regulación a la baja de la filtración renal de la proteína RBP4. La proteína de membrana STRA6, estimulada por ácido retinoico 6, ha sido implicada en el transporte de retinol a través de la membrana celular interactuando con el complejo TTR:RPB4:retinol, con disminución de la concentración de retinol en varios tejidos incluyendo cerebro y retina en los ratones Stra6^-/- knock-out homozigotos.

   Los retinil esteres, a diferencia del retinol activo, pueden ser transportados en el plasma por las lipoptoteínas o unidos con ácido glucurónico (C₆H₁₀O₇) vía enlace glicosídico, formando retinil-β-glucurónidos. El atRA también es detectado, en bajas concentraciones plasmáticas, unido a albúmina (ALB, proteína de origen hepático) o como complejo retinoil-β-glucurónido. En el cerebro, el rol de estas rutas secundarias aún no está bien caracterizado, la proteína STRA6 es altamente expresada por la barrera hemato-encefálica (BBB), lo cual sugiere que el mecanismo RBP4-TTR facilita la entrada de retinol en tejidos neurales. El manejo de retinol en el cerebro es esencial para la biosíntesis de atRA, factores específicos pueden regular el transporte y el paso a través de la BBB, los cuales podrían ser de particular relevancia fenotípica en la esquizofrenia.

   La ruta que produce atRA a partir de su precursor retinol comprende una serie de reacciones redox catalizadas por distintas enzimas. Una vez en la célula, el retinol se une a proteínas ligadoras de retinoide celular (CRBP) para el transporte intracelular y como protección contra oxidaciones no específicas y, por tanto, servir como sustrato para la síntesis de atRA. Inicialmente, el retinol es oxidado a una forma intermedia, todo trans-retinal (atRAL), comúnmente referido como un retinaldehído, a través de enzimas citoplasmáticas retinol deshidrogenasas como la RDH12. La síntesis de retinaldehído es reversible y es una etapa limitante en la producción de atRA. Varias retinaldehído reductasas (RALR) son capaces de catalizar la reducción de retinaldehído a retinol. Finalmente, el retinaldehído  es oxidado a atRA por la acción  de retinaldehído deshidrogenasas (RALDH), específicamente RALDH1A1, RALDH1A2 y RALDH1A3. El atRA sintetizado se une a su propio transportador celular (CRABP) y ejerce su función biológica de una manera autocrina o paracrina. La CRABP protege al atRA de degradación no específica y lo transporta al núcleo. Las enzimas citrocromo p450 familia 26 (CYP26) pueden convertir al atRA en compuestos menos bioactivos incluyendo 4-oxo ácido retinoico y 18-hidroxi ácido retinoico. El catabolismo del atRA en isoformas menos activas es esencial para la homeostasis celular. El atRA influye en la expresión de varias enzimas involucradas en estos procesos catabólicos, formando un asa de retroalimentación que puede modular su abundancia celular. El control regulador sobre la transcripción inducido por atRA subyace a estos mecanismos de retroalimentación e involucra discretas  rutas de señalización del receptor, una vez que el atRA está unido a un receptor.

   Hay tres clases de receptores nucleares en los cuales el ácido retinoico actúa como un ligando: receptor de ácido retinoico (RAR), receptor retinoide X (RXR) y receptor activado por proliferador de peroxisoma beta/delta (PPARβ/δ). Los receptores RAR y RXR tienen tres subtipos (α, β y γ) y, por tanto, en total son siete los receptores retinoides caracterizados hasta ahora. Estos receptores reconocen al ADN y se unen a dominios de secuencias llamados elementos de respuesta a ácido retinoico (RARE). Las secuencias RARE comprenden dos segmentos de un dominio hexamérico separados por un número variable de nucleótidos. Uno de los RARE mejor caracterizado es el par de dominios separados por cinco nucleótidos (DR5-RARE). La unión del ligando provoca un cambio conformacional que inicia la señal atRA, específicamente, co-activadores incluyendo histona acetil transferasas que promueven la transcripción de genes proximales al complejo DR5-RARE/receptor. Los subtipos RAR se unen a los RARE como homodímeros o heterodímeros con RXR. Sin embargo, el RXR tiene una variedad de patrones de unión incluyendo al receptor de vitamina D (VDR), receptor de hormonas tiroideas (TR) y varias isoformas de PPAR. Esto apoya el concepto  que los componentes de la señal retinoide pueden influenciar los blancos de muchas otras proteínas ligadoras de ADN, y, por tanto, una amplia variedad de genes.  El número preciso de genes influenciados por el atRA en tejidos y tipos de células aún no está precisado cuantitativamente, pero algunas publicaciones sugieren que podría ser mayor de 15000.

   La señal ácido retinoico tiene importantes implicaciones   en la función neuronal normal. La concentración de atRA es finamente regulada por retroalimentación homeostática a partir del ambiente celular, con ligeras desviaciones con potenciales consecuencias patológicas. Esto es particularmente crítico con las cascadas apoptóticas o pro-supervivencia que pueden ser inducidas por el atRA dependiendo del tipo de receptor activado. En el útero, el atRA actúa como un potente morfógeno, concentraciones de 0,5 µm son suficientes para inducir diferenciación neuronal a partir de “stem cells” embrionarias. Los gradientes de concentración durante la embriogénesis influyen en las características neuronales de las stem cells progenitoras así como en la especificación de su posición. A medida que las estructuras neuronales maduran, se produce un incremento en la complejidad neurovascular para sostener las demandas metabólicas con el aporte de nutrientes. El atRA también actúa como un importante regulador del desarrollo cerebrovascular. Sin embargo, mientras las acciones embrionarias del atRA han sido caracterizadas hace bastante tiempo, su significado en el cerebro adulto ha establecido recientemente.

   La disrupción del desarrollo neuronal está claramente relacionada con enfermedades psiquiátricas y el atRA es clínicamente relevante cuando se considera su función a través de la vida. Esto incluye su rol en la plasticidad sináptica. La plasticidad sináptica homeostática (HSP) es empleada por los circuitos neurales para estabilizar la actividad en respuesta a incrementos en la modulación. En periodos de inhibición prolongada, la disminución de la concentración de calcio bloquea la acción de la fosfatasa calcineurina que regula al alza la síntesis de atRA. Los estudios en ratones han demostrado que la carencia de calcineurina está relacionada con esquizofrenia asociada con fenotipos que incluyen conducta anormal y alteraciones de la memoria de trabajo. Por tanto, un déficit en la síntesis de atRA o en la disponibilidad neuronal de precursores retinoides puede desregular la HSP. El atRA regula directamente la expresión de enzimas de las rutas de síntesis y metabolismo de dopamina, incluyendo tirosina hidroxilasa y dopamina-β-hidroxilasa. El receptor dopaminérgico DRD2, el principal blanco antipsicótico para esquizofrenia, es también proximal a un dominio RARE y es regulado por atRA. Varios dominios cognitivos han sido relacionados con la función retinoide. La evidencia reciente sugiere que los retinoides juegan un rol  en el mantenimiento  del rendimiento cognitivo. La deficiencia postnatal de vitamina A esta asociada con alteración de la memoria relacional y espacial, un déficit que en roedores puede ser revertido con suplementación de retinoide. Esto puede ser significativo en la esquizofrenia, un déficit cognitivo que responde pobremente a la farmacoterapia antipsicótica convencional, y el sistema retinoide puede actuar como un aumentador del rendimiento cognitivo.

   Los procesos inflamatorios son reconocidos actualmente como un factor de riesgo de esquizofrenia. Como la señal retinoide juega un rol significativo en la función de las células inmunes es posible que los factores que afectan a este sistema tengan implicaciones importantes para el estrés inflamatorio asociado con esquizofrenia. Por ejemplo, la señal atRA es integral para la diferenciación de una población reguladora especializada de linfocitos T (T_reg). Esta subpoblación T_reg ejerce un efecto inmunosupresor a través de la regulación a la baja de linfocitos T efectores y, por tanto, previene la inflamación aberrante y la autoinmunidad. Los retinoides actúan como reguladores de la barrera sangre-intestino, una estructura vital para prevenir la inflamación en respuesta al microbioma intestinal. La permeabilidad aberrante en esta barrera ha sido relacionada con varias condiciones inflamatorias y puede tener implicaciones para respuestas inmunes adversas asociadas con la esquizofrenia. Una relación más directa entre retinoides y neuroinflamación es mediada por la acción del atRA sobre poblaciones de astrocitos y microglias, en las cuales el atRA regula a la baja su actividad. Como resultado, las perturbaciones retinoides han sido relacionadas con varios desórdenes autoinmunes como la esclerosis múltiple.

   La evidencia acumulada sugiere que los retinoides son disfuncionales en la esquizofrenia, distintos factores biológicos y clínicos han sido caracterizados para apoyar esta hipótesis. En este contexto se han propuesto tres líneas de evidencias que indican que el atRA está involucrado en la patogénesis de la esquizofrenia. (1) Las anormalidades neurológicas congénitas reportadas en algunos casos de esquizofrenia son comparables con  las observadas en deficiencia de vitamina A o alteraciones del  atRA. (2) los estudios genéticos han implicado al loci asociado con retinoides en el genoma. (3) Los genes de riesgo de esquizofrenia contienen un potencial dominio RARE funcional. Por otra parte, los datos epidemiológicos recientes proporcionan alguna evidencia preliminar que el déficit de retinol materno incrementa el riesgo de desarrollo de esquizofrenia en las crías. Por ejemplo, un estudio  examinó la asociación entre niveles maternos de retinol en el segundo y el tercer trimestres de gestación y las crías que desarrollaron esquizofrenia. Las muestras de las madres cuyas crías desarrollaron desórdenes del espectro de esquizofrenia fueron analizadas con controles de madres con crías sanas, ajustadas por edad materna y educación. Este efecto fue estadísticamente significativo solamente para las concentraciones maternas de retinol durante el segundo trimestre de gestación,  en estos casos las crías mostraron una particular sensibilidad a las perturbaciones retinoides.

   La arquitectura genómica de la esquizofrenia es multifactorial (poligénica), con contribuciones de muchas variantes, cuya frecuencia varía de común a ultra-rara en la población. Los estudios a gran escala han revelado casi 150 loci asociados significativamente con la esquizofrenia. Cinco de las variantes identificadas contienen un gen involucrado en la biología de retinoides, la asociación más significativa se encuentra en el gen RERE, el cual codifica a una proteína de la familia atrofina que actúa como un importante regulador in útero de atRA. Otros dos SNP (single nucleotide polymorphism) que involucran a retinoides en la esquizofrenia son los genes ZNF536 y CYP26B1; el primero es una nucleasa en dedo de zinc con particular abundancia en el cerebro en desarrollo que regula al atRA durante la diferenciación neuronal. La degradación del atRA en compuestos menos bioactivos es importante para el mantenimiento de la homeostasis celular y la CYP26B1 es una de las enzimas involucradas en este proceso de degradación.

   El análisis de la expresión de genes ha proporcionado evidencia que apoya un rol de los retinoides en la fisiopatología de la esquizofrenia.  El estudio de muestras de corteza cerebral postmorten de más de 500 casos de esquizofrenia reveló la expresión diferencial de varios genes de la ruta retinoide. La desregulación sistémica de la expresión de genes en la esquizofrenia también es considerada un aspecto importante del desorden. Los genes regulados por RARE pueden proporcionar los mecanismos por los cuales la desregulación retinoide puede estar involucrada en la patogénesis de la esquizofrenia. Por ejemplo, los genes expresados diferencialmente en esquizofrenia próximos a RARE son sobre representados en rutas relacionadas con el neurodesarrollo y la inflamación, los cuales son importantes para la esquizofrenia.

   Los datos extraídos de la literatura sugieren la potencial utilidad de las terapias basadas en retinoides en la práctica clínica. Primero, los retinoides son un blanco particularmente atractivo dado que este sistema puede ser modulado por intervenciones dietéticas. Los alimentos ricos en vitamina A preformada incluyen hígado,  pescado y algunos productos lácteos, mientras muchos productos vegetales son una buena fuente de beta-caroteno, el cual puede ser convertido en retinol. Los datos de estudios clínicos sugieren que el agonista sintético específico de XRX, Bexaroteno, puede ser un adyuvante efectivo para la esquizofrenia. Este compuesto actúa  a través del mecanismo pro-apoptosis del XRX. El estudio de otros compuestos retinoides como las drogas que incrementan la interacción proteína-proteína, como el tamibarotene, sugiere que  actúan a través del RAR.

   Los retinoides también han sido implicados en otros desórdenes psiquiátricos y neurológicos. En vista que  los retinoides juegan un rol intrínseco en el desarrollo embrionario, varios desórdenes que se caracterizan por síntomas relevantes para la esquizofrenia, incluyendo discapacidad intelectual, han sido atribuidos a variantes relacionadas con retinoides.  En los desórdenes del espectro autista, la evidencia preliminar sugiere que el retinol plasmático es  bajo en los individuos afectados; aunque no está claro si esto proviene de alteraciones en la dieta o de un déficit en el metabolismo del retinol. El rol de los retinoides en los desórdenes afectivos se mantiene controversial, particularmente con el estereoisómero sintético de atRA, ácido 13-cis retinoico (isotretinoin), indicado para condiciones dermatológicas, que ha sido asociado con intentos de suicidio. La evidencia in vivo apoya esta observación, particularmente debido a los efectos opuestos del isotretinoin, con relación al atRA, en importantes procesos neurológicos incluyendo la neurogénesis en el hipocampo. Con relación a la fisiopatología específica de la esquizofrenia, el rol de los retinoides sigue siendo difícil de definir, debido principalmente a la heterogeneidad de las  presentaciones clínicas del desorden.

   En conclusión, los retinoides, metabolitos de la vitamina A, son compuestos vitales para el desarrollo embrionario, con particular importancia para la neurogénesis en el cerebro humano. Los retinoides ejercen influencia sobre la expresión de miles de transcriptos en el genoma y actúan como reguladores  master de muchos procesos biológicos.  La evidencia reportada en la literatura apoya la hipótesis que la desregulación del sistema retinoide está involucrada en la etiología de la esquizofrenia. Esto incluye estudios genómicos, transcriptómicos y proteómicos  a gran escala, los cuales implican a la disrupción de aspectos de la biología de los retinoides como transporte, metabolismo y señalización. Como resultado, los retinoides pueden representar una valiosa pieza en la esquizofrenia a través de farmacoterapias e intervenciones dietéticas.  

Fuente: Reay WR, Cairns MJ (2020). The role of retinoids in schizophrenia: genomic and clinical perspectives. Molecular Psychiatry 25:706-718.