Ritmos circadianos y tracto gastrointestinal

Los ritmos circadianos, ritmos biológicos de 24 horas generados internamente, son críticos para el establecimiento de la homeostasis del organismo a través del ciclo día-noche. Virtualmente todos los procesos biológicos son regulados por el reloj circadiano y los estudios en animales han relacionado definitivamente la disrupción circadiana con el desarrollo de un amplio rango de enfermedades. En un estudio que  incluyó más de 3000000 sujetos se encontró que el cambio de horario de trabajo diurno a nocturno está asociado con un incremento en el riesgo de sobrepeso, obesidad y diabetes tipo 2 (DT2). Los tejidos metabólicos incluyendo islotes pancreáticos, tejido adiposo, músculo esquelético y tracto gastrointestinal (TGI) expresan relojes autónomos que actúan conjuntamente para coordinar la homeostasis metabólica. El TGI tiene un rol único en el “reloj metabólico” porque está situado en el primer punto de contacto de los nutrientes después de la ingesta de alimentos.  Aunque las principales funciones del intestino son relacionadas con la digestión y absorción  de nutrientes, esta serie integrada de distintos tejidos también  es crítica para reducir la inflamación metabólica a través del mantenimiento de la integridad de barrera y la presencia de un  sistema inmune activo. Más aún, el TGI es el órgano endocrino más grande en el cuerpo, responsable de secretar numerosas hormonas intestinales que son esenciales para facilitar adecuadas respuestas pre- y postprandiales.

   El término circadiano deriva de las palabras latinas “circa” (cerca) y “diem” (día) indicando que los ritmos circadianos tienen un período de aproximadamente de 24 horas o un día en la tierra. Estos ritmos, los cuales se han desarrollado con la evolución debido a constantes cambios ambientales predefinidos, proporcionan a todos los organismos biológicos conocidos la capacidad para anticipar y responder adecuadamente a factores externos. En el organismo, la ritmicidad circadiana es generada por genes reloj, los cuales son autónomamente expresados en todas las células nucleadas del cuerpo.

   La maquinaria molecular circadiana comprende un brazo positivo, en el cual los factores de transcripción BMAL1 (brain and muscle ARNT-like 1), codificado por ARNTL,  y CLOCK (circadian locomotor output cycles kaput) se heterodimerizan  y se unen a los elementos promotores de los genes PER 1/2/3 (period 1, 2 y 3)) y CRY ½ (cryptochrome 1 y 2)) que constituyen el brazo negativo  y forman un complejo que  inhibe la expresión de ARNTL y CLOCK, formando un asa de retroalimentación transcripcional/traslacional autorreguladora. Adicionalmente, el complejo BMAL1/CLOCK activa a Rev-Erbα/β y RORα/γ (receptor orfan relacionado con ácido retinoico), los cuales tienen efectos opuestos en la regulación de Bmal1, mientras Rev/Erbα/β reprime la transcripción de ARNTL, RORα/γ estimula la expresión de ARNTL. La tasa de degradación de PER y  CRY mediada por la caseínas quinasas 1 (CK1) δ/ε y Fbox/proteína rica en leucina 3, las cuales fosforilan a las proteínas PER y CRY, respectivamente, causando su desestabilización y posterior degradación, genera el período circadiano de 24 horas.  Todos estos genes están involucrados en la regulación transcripcional por lo que son llamados genes controlados por reloj. La regulación transcripcional  de los genes controlados por reloj (CCG) establece un ritmo circadiano en un amplio rango de funciones celulares. Está demostrado que aproximadamente 43% de todos los genes que codifican proteínas exhiben un ritmo circadiano en su expresión en uno o más tejidos por unión directa de la maquinaria reloj o a través de las acciones de otros genes controlados por reloj expresados rítmicamente.

   Aunque actualmente está bien establecido que el reloj es expresado en todas las células nucleadas del cuerpo, originalmente fue descrito en el núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo. El NSQ es llamado el “reloj master” y es regulado principalmente por la luz, la cual es designada con la palabra alemana zeitgeber (ZT “dador del tiempo”). El entrenamiento  del NSQ por la luz ocurre cuando la luz es recibida por las células ganglionares de la retina que contienen melanopsina y la señal es enviada al NSQ por el tracto retinohipotalámico. El NSQ envía señales humorales y no humorales para sincronizar los tejidos periféricos. La coordinación de la ritmicidad de los tejidos periféricos por el NSQ se piensa que se lleva a cabo a través de las divisiones simpática y parasimpática del sistema nervioso autónomo. Otra ruta clave por la cual el reloj master alinea los relojes periféricos es a través de la regulación del ciclo actividad/reposo, el cual determina el ciclo alimentación/ayuno, regula la liberación de hormonas relacionadas con la alimentación y, posteriormente, la producción y deposición de metabolitos.

   Además de la luz como ZT para el reloj master, algunos estudios sugieren la presencia de osciladores que son entrenados por alimento (FEO). Las conductas anticipadoras en respuesta a alimento persisten en animales con lesiones en el NSQ, indicando la presencia de FEO que pueden actuar de manera independiente del NSQ entrenado por la luz. En línea con la evidencia de la existencia de FEO periféricos, tejidos metabólicos como islotes pancreáticos, hígado, tejido adiposo, músculo esquelético y TGI tienen ritmos autónomos que son entrenados principalmente por la ingesta de nutrientes. Estos tejidos metabólicos son responsables de coordinar la digestión, absorción y utilización de nutrientes a lo largo de las 24 horas del día y colectivamente son conocidos como “reloj metabólico periférico”. Dado que el TGI es el primer punto de entrada de nutrientes en el cuerpo, su función a través del ciclo ayuno/alimentación es un determinante esencial  de la homeostasis metabólica circadiana.

   El epitelio gastrointestinal está yuxtapuesto a la luz intestinal y constituye la primera capa de contacto con los nutrientes ingeridos. El epitelio, compuesto por varios tipos de células, exhibe la expresión de genes reloj, los cuales son grandemente entrenados por la ingesta de nutrientes. La inervación vagal del intestino no parece ser un mayor ZT para el reloj gastrointestinal y la vagotomía no afecta la expresión de genes reloj circadianos gástricos e intestinales. Actualmente, se desconoce si el ejercicio, un conocido ZT de tejidos periféricos como el músculo esquelético, afecta la ritmicidad del intestino. Sin embargo, la microbiota intestinal exhibe fluctuaciones circadianas en composición y función y es considerada como un jugador clave en la regulación de la ritmicidad circadiana en el epitelio  intestinal.

   Una función crítica del TGI es asegurar una adecuada digestión y absorción de los nutrientes ingeridos. El tiempo de transito de los nutrientes depende de la motilidad intestinal, la cual está bajo la regulación del reloj circadiano. Debido a que muchas hormonas del TGI son secretadas en respuesta a la presencia de nutrientes en la luz intestinal, el tiempo de transito juega un rol importante en su liberación y, por consiguiente, en la homeostasis metabólica. La digestión y absorción de los tres macronutrientes, carbohidratos, lípidos y proteínas, es controlada por el reloj circadiano para asegurar la sincronía con la disponibilidad de alimentos. La expresión de enzimas disacaridasas involucradas en la digestión de carbohidratos aumenta durante la fase activa/alimentación en anticipación a la ingesta de alimentos. Similarmente, las enzimas involucradas en la digestión de lípidos y proteínas exhiben un pico durante el período de alimentación. La absorción de nutrientes también está bajo regulación circadiana, manejada por un incremento en la expresión de hexosa, péptidos, así como transportadores de triglicéridos y colesterol (por ejemplo, apolipoproteína B y la proteína de transferencia de triglicéridos microsomales intestinales) en el intestino durante el período de alimentación. La expresión rítmica de algunos de estos transportadores, como el transportador de glucosa dependiente de sodio 1, puede tener implicaciones importantes en el establecimiento de los ritmos de secreción de las hormonas intestinales, pues la glucosa es un conocido secretagogo de hormonas incretinas. De acuerdo con estos hallazgos, la disrupción de los ritmos de alimentación, como el incremento en la ingesta de alimentos durante la fase oscuridad/inactividad en individuos con trabajo nocturno, resulta en disrupción de la respuesta postprandial en términos de secreción de hormonas y control metabólico.

   La inflamación metabólica se caracteriza por respuestas inflamatorias sistémicas de bajo grado y está fuertemente asociada con la disfunción metabólica, incluyendo resistencia a la insulina y disglucemia. Debido a que el TGI está expuesto continuamente a antígenos de la dieta, el mantenimiento de la integridad de la barrera intestinal y la capacidad del intestino para generar respuestas inmunes adecuadas juegan roles importantes en la prevención de la inflamación metabólica. Estudios recientes demuestran que las proteínas de las uniones estrechas, ocludina y claudina-1, exhiben patrones circadianos de expresión en el colon que son manejados por la unión rítmica del heterodímero BMAL1/CLOCK a sus respectivos promotores de los genes. La función de las uniones estrechas para proporcionar una barrera a los contenidos de la luz intestinal también muestra fluctuaciones diurnas. Los ratones expuestos a luz permanente exhiben incrementos en la apoptosis en las criptas del ileum en respuesta a la administración de la citoquina TNF-α. El reloj circadiano también es un importante regulador de las respuestas inmunes intestinales,  estableciendo ritmos diarios de generación, translocación y función de las células inmunes. Más específicamente, hay un incremento en la migración de leucocitos al intestino en el inicio del período activo, así como en la expresión de componentes del sistema inmune innato, lo cual le confiere al intestino mayor sensibilidad a los patógenos. Un trabajo reciente ha identificado a los lipopolisacáridos (LPS) como secretagogo de la hormona incretina péptido similar a glucagón-1 (GLP-1), el cual puede actuar localmente para reducir la inflamación intestinal a través de la activación del receptor GLP-1R en los linfocitos intraepiteliales. Un trabajo posterior implica al sistema inmune intestinal como un determinante mayor de la biodisponibilidad de GLP-1, pues  estas células pueden secuestrar al GLP-1 secretado, previenen su entrada a la circulación sanguínea. Entonces, la disrupción de la ritmicidad circadiana endógena resulta en alteración de la función inmune intestinal, provocando un incremento en la inflamación.

   La ghrelina es una de las pocas hormonas orexigénicas del TGI, liberada principalmente por las células X/A gástricas durante la fase preprandial y suprimida por la ingesta de alimento. Los ritmos diurnos de la ghrelina han sido reportados en humanos y roedores, con niveles pico en el período reposo/ayuno. La ghrelina también estimula la liberación de hormona de crecimiento (HC), la cual exhibe un patrón diurno de expresión  con un pico en período reposo /ayuno. Aunque el ritmo de secreción de ghrelina se pierde en ratones Per^-/- el mecanismo exacto por el cual el reloj circadiano regula la liberación de ghrelina aún no ha sido dilucidado.

   La liberación en la circulación de las hormonas incretinas, polipéptido insulinotrópico dependiente de glucosa (GIP) y GLP-1,  es responsable de aproximadamente 50-70% de la respuesta de insulina a la ingesta de nutrientes. Sin embargo, la secreción de insulina también exhibe un patrón diurno, con la mayor secreción en asociación con el período actividad/alimentación en humanos y roedores. El ritmo de secreción diaria de insulina es más pronunciado en respuesta a la alimentación oral que a la alimentación IV, implicando un rol clave de las hormonas incretinas en el entrenamiento circadiano de la secreción de insulina.

   Algunas evidencias indican que la secreción de GIP sigue un patrón circadiano. La ingesta de nutrientes es el principal ZT para el ritmo circadiano de GIP. El estatus metabólico también afecta la secreción circadiana de GIP. Sin embargo, la expresión funcional de la maquinaria reloj en las células K productoras de GIP aún no ha sido demostrada. El GLP-1 es liberado por las células L, las cuales se encuentran principalmente en intestino delgado distal y colon. La investigación en humanos indica que la mayor respuesta del GLP-1 a la ingesta de nutrientes ocurre en la mañana en comparación con la tarde en individuos con comidas idénticas aunque con diferente duración del período de ayuno. Esta secreción diferencial de GLP-1 se pierde cuando los sujetos son expuestos a la luz nocturna. Estudios cuidadosamente controlados en ratas y ratones reportan que la secreción de GLP-1 sigue un significativo patrón de 24 horas en respuesta a idénticas cargas de glucosa administradas después de idénticos períodos de ayuno. La ingesta de nutrientes es el mayor ZT de las células L. La idea que las dietas obesogénicas afectan la secreción diurna de GLP-1 es apoyada por la evidencia de estudios en humanos que indica que los individuos obesos pierden su ritmo de secreción  de GLP-1. La relevancia fisiológica de la secreción circadiana de GLP-1 ha sido demostrada en roedores donde la administración de dosis idénticas de GLP-1 (en combinación con una carga IV de glucosa para permitir el efecto incretina) resulta en una secreción de insulina dependiente del momento del día con una mayor respuesta de las células β pancreáticas en el tiempo del pico normal de liberación de GLP-1 e insulina. Estos datos sugieren que la secreción circadiana de GLP-1 puede ser importante en el entrenamiento de la secreción de insulina por las células β y, por tanto, en la homeostasis metabólica diurna.

   Además de las hormonas incretinas, otras hormonas intestinales también exhiben patrones circadianos de secreción. La oxintomodulina, una hormona de la saciedad que es co-sintetizada con el GLP-1 en las células L intestinales,  muestra un patrón circadiano de liberación con un pico en la mitad del período oscuridad/actividad. El péptido YY (PYY), otra hormona anorexigénica secretada por las células L, alcanza niveles pico durante el día en humanos. Los niveles de PYY en un ciclo de 24 horas se correlacionan significativamente con la tasa metabólica en reposo, un determinante mayor del gasto de energía y la homeostasis metabólica. Los ritmos circadianos también han sido demostrados  con la  neurotensina, una hormona producida por las células N del intestino delgado distal que juega un rol clave en la deposición sistémica de grasas. Aunque la expresión de neurotensina ha sido detectada en las células L productoras de GLP-1, los ritmos de estas hormonas parecen ser distintos, con la neurotensina alcanzando un pico en  el inicio del período de luz y disminución en el inicio del período de oscuridad. La secretina, una hormona producida por las células S del duodeno  que estimula la secreción exocrina pancreática y la colecistoquinina (CCK) producida por las células I, también están bajo control circadiano. Los ritmos circadiano han sido observados en los niveles plasmáticos de gastrina, en el receptor de gastrina en la mucosa del estómago y en el pH intragástrico resultante. Aunque es aparente que múltiples hormonas enteroendocrinas exhiben patrones circadianos de secreción, se desconoce cómo los péptidos que son co-expresados (por ejemplo, GLP-1, PYY, neurotensina, secretina y CCK) por las células L pueden mostrar patrones de liberación diferentes de acuerdo con el momento del día. Estudios recientes han demostrado que las células L difieren en sus patrones de expresión de genes a lo largo del intestino, sugiriendo la existencia de distintas poblaciones de células L.

   La creciente evidencia sugiere que la disrupción  circadiana puede resultar en numerosas patologías del TGI, alterando la función de barrera y, al menos potencialmente, afectar la homeostasis metabólica. Varios polimorfismos de nucleótidos han sido identificados en los genes reloj asociados con alteración de la motilidad gástrica. Más aún, los polimorfismos de nucleótidos en los genes reloj también han sido asociados con incrementos en la susceptibilidad a enfermedades del TGI como enfermedad intestinal inflamatoria, colitis ulcerativa y enfermedad de Crohn, las cuales se caracterizan por incrementos en la inflamación intestinal. Varios estudios reportan que las biopsias de mucosa del colon de sujetos con colitis ulcerativa o enfermedad de Crohn muestran disminución de la expresión de los genes reloj BMAL1, CLOCK y CRY1/2. Además de los componentes genéticos del reloj, la disrupción ambiental, como cambio en el horario laboral, también está relacionada con enfermedades del TGI. En el trabajo nocturno, los patrones irregulares  de comida han sido asociados con inflamación intestinal en la forma de síndrome de colon irritable. Esta evidencia sugiere que la disfunción circadiana causada por perturbaciones genéticas o ambientales resulta  en patologías relacionadas con la inflamación intestinal.

   La cronoterapia se refiere a la administración de medicamentos en cierto momento del día, tomando en cuenta la ventaja de los ritmos circadianos en  la fisiología del cuerpo para maximizar la respuesta terapéutica y minimizar los efectos adversos. Por ejemplo, en el sistema neuroendocrino, el agonista de receptor de incretinas DA-JC1 exhibe efectos cronoterapéuticos y la oxintomodulina resetea el reloj hepático regulando la transcripción de los genes reloj Per1/2. Además de las intervenciones farmacológicas circadianas, hay evidencia de la importancia de  consumir las comidas en ciertas horas del día. Esta noción está basada en la idea que el metabolismo de los mamíferos es regulado por la ingesta de nutrientes durante las horas de vigilia, resultando en la coordinación de digestión, absorción y deposición de nutrientes y secreción hormonal para optimizar la homeostasis metabólica. Las dos principales actividades centradas en el tiempo de la ingesta de alimentos son: el ayuno intermitente (por ejemplo, restricción calórica 2 o 3 días por semana) y la alimentación restringida en el tiempo (por ejemplo, limitar la ingesta de nutrientes a aproximadamente 8 horas de vigilia). Los análisis recientes reportan que tanto el ayuno intermitente como la alimentación restringida en el tiempo inducen mejoría significativa en el control glucémico, la resistencia a la insulina  y el peso corporal. Algunos estudios sugieren que estos cambios beneficiosos pueden ser resultado de  la reducida ingesta  calórica y la pérdida de peso. Sin embargo, dado que procesos gastrointestinales claves están involucrados en todos los aspectos del manejo de nutrientes en el organismo, incluyendo motilidad del TGI, vaciamiento gástrico, permeabilidad intestinal y secreción de enzimas digestivas y hormonas enteroendocrinas, los cuales son afectados por el tiempo del día, estos hallazgos sugieren que esos efectos beneficiosos pueden ser, al menos en parte, dependientes de la funcionalidad circadiana del TGI.

   En conclusión, la importancia de la ritmicidad circadiana en el mantenimiento de la homeostasis metabólica está bien establecida de acuerdo con los estudios en humanos y modelos de animales. Los tejidos metabólicos son grandemente responsables del establecimiento de la homeostasis metabólica diurna y expresan en sus células relojes autónomos que son entrenados por la ingesta de nutrientes.  El TGI, primer punto de contacto con los nutrientes ingeridos,  es un sistema esencial en la regulación del metabolismo a través de funciones como digestión y absorción de nutrientes, defensa contra antígenos que disparan la inflamación y la secreción de hormonas enteroendocrinas. El intestino exhibe ritmicidad circadiana en todos estos parámetros, la cual es disparada por el patrón en la ingesta de nutrientes. La disrupción  del sistema circadiano confiere un riesgo significativo para el desarrollo de enfermedades metabólicas como diabetes tipo 2 y obesidad.

Fuente: Martchenko A et al (2020). Circadian rhythms and gastrointestinal tract: relationship to metabolism and gut hormones. Endocrinology 161 (12):1-13.