La bilirrubina como una hormona metabólica

La evidencia reciente apoya el uso de las concentraciones plasmáticas de bilirrubina como predictores de enfermedades como obesidad y diabetes tipo 2. El nuevo rol de la bilirrubina como hormona explica, en parte, esta relación. Los niveles plasmáticos levemente elevados de bilirrubina han demostrado efectos protectores en varias patologías humanas, mientras la disminución en la concentración plasmática de bilirrubina se correlaciona con un incremento en el riesgo de enfermedad cardiovascular y metabólica. Aunque los niveles extremadamente altos de bilirrubina son inherentes a desordenes del aclaramiento de bilirrubina como el síndrome de Gilbert o el síndrome de Crigler-Najjar, las concentraciones plasmáticas de bilirrubina son usadas en el diagnóstico, pronóstico y tratamiento de otras enfermedades. Además de los potenciales roles en encefalopatía y enfermedad hepática, los datos emergentes sugieren que los bajos niveles de bilirrubina  pueden ser relevantes para muchas patologías humanas.

   Los defectos hereditarios en el metabolismo de la bilirrubina a menudo causan sintomatología relativamente benigna. El síndrome de Gilbert, el síndrome Dubin-Jhonson y el síndrome de Rotor causan leves incrementos en bilirrubina con ocasionales y ligeras presentaciones de ictericia.  Sin embargo, los incrementos extremadamente altos en bilirrubina que frecuentemente se observan en el síndrome Crigler-Najjar a menudo causan daño cerebral en niños. Los niveles extremadamente altos de bilirrubina pueden ser bastante peligroso, pero los bajos niveles de bilirrubina también pueden ser inseguros. Diversos estudios han establecido relaciones entre los bajos niveles de bilirrubina y manifestaciones de enfermedad cardiovascular, enfermedad metabólica, apnea del sueño, artritis y colitis; así como también varios canceres y desórdenes cognitivos.

   La bilirrubina es un producto de degradación del heme, el cual es liberado por lisis de células rojas sanguíneas. La hemoglobina y otras proteínas que contienen heme como los citocromos utilizan el heme para transporte de oxígeno, unión de ligando y regulación a la baja de genes. Las isoenzimas heme oxigenasas (HO-1 y HO-2) son esenciales para el procesamiento catalítico del anillo heme y la posterior formación de hierro ferroso, CO y biliverdina en las células reticuloendoteliales en una reacción que involucra oxígeno molecular (O₂) y NADPH. Cuando estos complejos hierro-porfirina son metabolizados en biliverdina y posteriormente en bilirrubina por la biliverdina reductasa (BVR) los tejidos adquieren una importante capacidad de señalización hormonal. La bilirrubina también tiene propiedades antioxidantes. En las concentraciones plasmáticas normales, la bilirrubina no conjugada sirve como un eficiente atrapador de moléculas de oxígeno, evitando las reacciones en cadena de radicales libres y actuando como un eficiente antioxidante. Esta actividad aumenta cuando las condiciones experimentales se mueven de concentraciones atmosféricas de oxígeno (20%) hacia las concentraciones que se encuentran en los tejidos (2%). Esto puede explicar, en parte, porque la bilirrubina históricamente fue considerada un producto de desecho más que un antioxidante fisiológicamente significativo que es relevante a muchas patologías. En tejido cardiaco, la bilirrubina incrementa la biodisponibilidad de óxido nítrico (NO) y disminuye la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS). En tejido hepático, la enzima biliverdina reductasa A (BVRA) y su producto, bilirrubina, trabajan juntas para reducir la esteatosis hepática. En tejido adiposo, las concentraciones plasmáticas de bilirrubina están asociadas negativamente con obesidad abdominal e hipertrigliceridemia.

   La bilirrubina no conjugada (bilirrubina IXα) no es soluble en agua y, en el hígado, es convertida a su forma soluble en agua por conjugación con ácido glucurónico por la uridin difosfato glucuronosiltransferasa 1A1 (UGT1A1). La bilirrubina conjugada puede ser excretada con la bilis al intestino. En el intestino, la bilirrubina conjugada es procesada por la microbiota intestinal a urobilinoides y estercobilina, la cual es eliminada por las heces. Algunos urobilinoides pueden ser reabsorbidos por la vena porta hepática y procesados por el riñón a urobilinogeno para ser eliminado por la orina. Aunque la bilirrubina conjugada se encuentra principalmente en el intestino, las concentraciones sanguíneas varían de 0,06 a 0,48 µM y representan solo 3%-5% de la bilirrubina total. Los niveles plasmáticos normales de bilirrubina total usualmente están en el rango 1,2 a 0,2 mg/dl (20,52 µM a 3,42 µM). Cuando las concentraciones plasmáticas de bilirrubina total son extremadamente altas (>150 µM), la piel, la esclerótica y las membranas mucosas de los pacientes manifiestan un tinte amarillo. Cuando las concentraciones plasmáticas de bilirrubina total son muy altas, los niveles se vuelven patológicos. En estas concentraciones elevadas, la acumulación de bilirrubina en el sistema nervioso central puede inducir condiciones neurológicas. Las concentraciones plasmáticas de bilirrubina mayores que las normales resultan de varias etiologías, incluyendo efectos colaterales de medicamentos, inflamación del hígado o conducto biliar y anemia hemolítica. En casos raros, las concentraciones plasmáticas elevadas de bilirrubina pueden ser debidas a mutaciones en el sistema microsomal glucosiltransferasa responsable de la conjugación de bilirrubina en condiciones normales. En casos muy raros (aproximadamente uno en un millón), los pacientes pueden presentar síndrome de Crigler-Najjar por disminución o deficiencia de la expresión del gen UGT1A1. En estos casos, las concentraciones plasmáticas de bilirrubina son extremadamente altas y muchos pacientes requieren un trasplante de hígado inmediato para evitar la muerte. Los niveles de bilirrubina muy altos incrementan el riesgo de muchas patologías, mientras las concentraciones plasmáticas normales o  ligeramente elevadas pueden proporcionar efectos protectores por las capacidades hormonales de la bilirrubina.

   El reciente descubrimiento que la bilirrubina es un ligando que se une directamente al receptor activado por proliferador de  peroxisoma α (PPARα) para inducir respuesta de genes, lo cual mejora la resistencia a la insulina y la obesidad, fue la primera función que define a la bilirrubina como una hormona. La bilirrubina fluye por la sangre y entra a la célula vía un sistema de captación, lo cual puede ocurrir vía proteína unidora de ácidos grasos (FABP). En la célula, la bilirrubina se une al PPARα causando un cambio de proteínas correpresoras a coactivadoras para activar el control transcripcional de genes. El PPARα unido a bilirrubina incrementa la ocupación de los elementos de respuesta al PPARα (PPRE) en los genes promotores para incrementar la expresión de los genes factor de crecimiento de fibroblastos 21 (FGF21) y CYP4A o disminuir la expresión de los genes FAS en hepatocitos, y, en adipocitos, activar la transcripción de los genes UCP1 y ADRB3. El control de la respuesta de los genes por el complejo bilirrubina-PPARα provoca respuestas fisiológicas en todo el cuerpo.

   Una hormona debe unirse directamente al receptor para ejercer sus efectos. Como hormona, la bilirrubina se une directamente al PPARα y, más recientemente, hay reportes que indican que en altas concentraciones interactúa con el receptor acoplado a proteína G miembro X4 relacionado con Mas (MRGCPRX4) en neuronas sensoriales primarias. Aunque la bilirrubina puede tener acciones desconocidas que activen otras rutas, estas dos proteínas son las únicas a las  que la bilirrubina se une directamente como un ligando agonista. Como factor de transcripción activado por ligando, el PPARα controla genes involucrados en la β-oxidación de ácidos grasos. La bilirrubina se une directamente al PPARα e incrementa la actividad transcripcional con una EC₅₀= 9,0 µM. La bilirrubina requiere una mayor concentración para excitación del MRGCPRX4 con una EC₅₀= 145,9 µM. Mientras la bilirrubina conjugada también activa al MRGCPRX4, el PPARα no interactúa con la bilirrubina conjugada. Algunos estudios sugieren que la bilirrubina también puede activar al receptor aril hidrocarbono (AHR).En estos estudios, los investigadores reportan que altas concentraciones de bilirrubina (100 µM) incrementa la expresión de Hepa1c1c7 en hepatocitos de ratón y concluyen que esto ocurre vía AHR.

   La bilirrubina aumenta la función metabólica en los adipocitos. Los humanos delgados tienen mayores niveles de bilirrubina en comparación con individuos obesos. La conversión de biliverdina a bilirrubina por la BVRA activa al PPARα en el tejido adiposo blanco (TAB) e incrementa la transcripción de los genes Cpt1, Ucp1 y Adrb3 y aumenta el número de mitocondrias. En conjunto, esto disminuye el número de lípidos intracelulares por β-oxidación de ácidos grasos. En los individuos obesos, las concentraciones plasmáticas de bilirrubina son menores provocando acumulación de lípidos y disminución de la actividad del PPARα y la función mitocondrial.

   La función de la bilirrubina como protector de desórdenes metabólicos es un concepto relativamente nuevo que refuerza su utilidad como potencial agente anti-obesidad. Un estudio reciente reporta una significativa reducción de desórdenes asociados con el microbioma en animales obesos y diabéticos tratados con nanopartículas de bilirrubina, mediada primariamente a través de su unión con el PPARα, lo cual induce el reclutamiento de coactivadores para la activación de genes, aumentando la actividad mitocondrial. Este estudio demostró un incremento en la actividad mitocondrial en el TAB que reduce el tamaño de las células grasas. Esta observación fue apoyada por la hiperbilirrubinemia de modelos de ratones con síndrome de Gilbert con la inducción de coactivadores de PPARα y reducción del tamaño de las células grasas en comparación con controles alimentados con una dieta rica en grasas. En el TAB de ratones obesos tratados con nanopartículas de bilirrubina aumenta significativamente la expresión de Ucp1 y Adrb3, mejorando la función mitocondrial con un incremento en el mecanismo de utilización de grasas por los adipocitos. Los estudios pre-clínicos con nanopartículas de bilirrubina indican que pueden proporcionar protección contra otras complicaciones médicas como isquemia-reperfusión hepática, enfermedad pulmonar inflamatoria, colitis y xenotrasplantes de islotes pancreáticos. Estos y otros estudios emergentes apoyan el rol sustancial que las nanopartículas de bilirrubina pueden tener en la regulación del metabolismo de lípidos para mejorar desórdenes metabólicos.

   La relación entre hiperbilirrubinemia severa y  enfermedad humana está bien establecida. La evidencia emergente sugiere que los bajos niveles plasmáticos de bilirrubina también predicen patologías. Los bajos niveles de bilirrubina (<6 µM) pueden predecir incrementos en el riesgo de lesiones en la sustancia blanca cerebral profunda  y varias enfermedades ateroescleróticas en sujetos aparentemente sanos, con las concentraciones plasmáticas de bilirrubina en correlación inversa con los factores de riesgo cardiovascular incluyendo índice de masa corporal (obesidad), niveles de colesterol y niveles de glucosa sanguínea (diabetes tipo 2).

   Como muchas hormonas, la bilirrubina viaja por la circulación sanguínea para alcanzar sus órganos blancos. Durante este trayecto, la bilirrubina gasta un tiempo significativo interactuando con el sistema circulatorio humano. Los pacientes con síndrome de Gilbert, la causa hereditaria más común de hiperbilirrubinemia leve,  están en el riesgo más bajo de desarrollo de enfermedad arterial coronaria y muestran una reducción en el riesgo de desarrollo de enfermedad cardiaca. Por el contrario,  las concentraciones disminuidas de bilirrubina están asociadas con un incremento en la prevalencia de enfermedad arterial coronaria. La capacidad antioxidante de la bilirrubina contribuye solo parcialmente a este efecto. Los pacientes con síndrome de Gilbert muestran niveles significativamente reducidos de muchos marcadores de riesgo pro-aterogénesis en el metabolismo de lípidos, incluyendo lipoproteína de baja densidad (LDL), triacilglicerol (TAG) y colesterol total. La UGT1A1 es la principal enzima en la conjugación de la bilirrubina. Un polimorfismo en el promotor UGT1A1 (UGT1A1*28) resulta en disminución de la expresión del gen UGT11A1 y un correspondiente aumento en las concentraciones plasmáticas de bilirrubina no conjugada. Además de las propiedades hormonales y antioxidantes, la bilirrubina indirectamente puede inhibir especies reactivas de nitrógeno.

   Aunque la mayoría de la investigación neurobiológica sobre la bilirrubina trata de las secuelas que siguen a la hiperbilirubinemia neonatal o la encefalitis hepática, el rol de la bilirrubina en la abrogación del declive cognitivo relacionado con la edad ha generado significativo interés en la neuropatología de los bajos niveles de bilirrubina. La inflamación es uno de los más importantes disparadores del declive cognitivo en los adultos mayores. Este fenómeno conocido como “inflaimagen” representa adiposidad disfuncional, disturbios del metabolismo del heme y otros procesos altamente relevantes en la fisiopatología de la bilirrubina. Los reportes recientes demuestran los efectos neuroprotectores de la HO, una enzima crucial en la síntesis de bilirrubina, e identifican a la bilirrubina como un posible candidato terapéutico en el tratamiento de algunas neuroenfermedades, Hay dos isoenzimas HO activas: HO-1 y HO-2. La bilirrubina producida por la actividad de la HO-2 puede proteger a las neuronas del estrés oxidativo. Los mecanismos por los cuales la bilirrubina protege contra la enfermedad cerebrovascular o la neuropatología no están claros, pero la evidencia colectiva sugiere que los bajos niveles de bilirrubina pueden ser perjudiciales para la fisiología normal del cerebro humano.

   Las definiciones de “baja bilirrubina” varían, pero los rangos de referencia  generalmente usados son: <10µM en hombres y <8µM en mujeres. Sin embargo, es necesaria una reclasificación de bilirrubina para determinar las verdaderas mediciones en la población. Los investigadores han determinado que los grupos de baja bilirrubina presentan significativos incrementos de la probabilidad de desarrollar síndrome metabólico. En la medida que los niveles de bilirrubina total disminuyen, los pacientes presentan más criterios para síndrome metabólico. Un análisis de National Health and Nutrition Examination revela que los niveles mayores de bilirrubina total imparten una reducción de 26% en el riesgo de diabetes. En mujeres embarazadas, aquellas con niveles bajos de bilirrubina más comúnmente desarrollan diabetes gestacional. No obstante, el rol  que las bajas concentraciones de bilirrubina pueden jugar en la diabetes no ha sido bien establecido. Aunque algunos estudios concluyen que los bajos niveles de bilirrubina predicen incrementos de diabetes, los rangos de las concentraciones consideradas como “baja” o “hipobilirrubinemia” son inconsistentes. Algunos estudios prospectivos sobre el rol de la bilirrubina en las patologías humanas han sido incapaces para demostrar una relación inversa entre concentraciones de bilirrubina y enfermedades como diabetes tipo 2.

   Las concentraciones de bilirrubina son mayores durante el ayuno. Esto es, en parte, explicado  por los mecanismos enzimáticos responsables de la producción de bilirrubina que son regulados al alza por  el ayuno o en un contexto de hipoglucemia, los cuales pueden incrementar la producción de bilirrubina a través de un incremento en la actividad de la HO. Otros estudios sugieren que la hiperbilirrrubinemia relacionada con el ayuno puede ser el resultado de una disminución de la motilidad intestinal y la eliminación de pigmentos biliares. La activación de HO-1 en ratones obesos con deficiencia de leptina incrementa los niveles plasmáticos de bilirrubina y reduce los niveles de heme mientras activa la ruta PPARα, lo cual mejora la glucosa sanguínea y la enfermedad grasa hepática. El conocimiento del mecanismo por el cual la bilirrubina incrementa la sensibilidad a la insulina es incompleto. Varios estudios demuestran una unión hormonal directa entre bilirrubina y PPARα que resulta en la inducción de genes como Fgf21 y angiopoyetina 4 (Angptl4) reguladores de la captación de glucosa en las células. En efecto, ~95% de la expresión de genes modulada por bilirrubina en hepatocitos es mediada por el PPARα. Los ratones db/db diabéticos tratados con bilirrubina muestran un incremento en la expresión de PPARγ y disminución de los niveles sanguíneos de glucosa. El PPARγ regula la sensibilidad celular a la insulina, incrementa la expresión de genes como sustrato del receptor de insulina 2 (Irs2) y causa un flujo neto de glucosa en las células. El PPARγ es blanco de  hipoglucemiantes orales como rosiglitazone y pioglitazone. Se desconoce porque la bilirrubina incrementa los niveles de PPARγ en el estado diabético, pues la bilirrubina no es un agonista del PPARγ y tampoco tiene una unión directa como ligando. Es posible que el tratamiento con bilirrubina en ratones diabéticos pueda activar rutas sensibles a glucosa como la unión a PPARα o por su acción antioxidante inhibir la inflamación, lo cual incrementa los niveles de PPARγ. Por otra parte, los ratones con niveles aumentados de bilirrubina por inducción de la HO-1 muestran incrementos en cAMP, el cual está asociado con disminución de la generación de ROS.  Debido a que la producción de cAMP aumenta la sensibilidad a la insulina en células pancreáticas, esta relación emergente podría ser  significativa en los roles hormonales y antioxidantes de las nanopartículas de bilirrubina en la terapia de la diabetes.

   Los bajos niveles de bilirrubina pueden provocar la manifestación de rutas inmunes pro-inflamatorias, hay una relación entre concentraciones plasmáticas de bilirrubina y enfermedad intestinal inflamatoria y entre PPARα y enfermedad hepática inflamatoria. En algunas infecciones, la bilirrubina actúa concertadamente con el sistema inmune. En infecciones virales, como el VIH, la bilirrubina inhibe la actividad proteasa viral. Por otra parte, la elevada concentración plasmática de bilirrubina se correlaciona inversamente con la enfermedad hepática grasa no alcohólica (NAFLD) y con la esteatohepatitis no alcohólica (NASH). El daño histológico hepático en los pacientes con NAFLD y NASH se correlaciona inversamente con la hiperbilirrubinemia no conjugada. La UGT disfuncional causa elevaciones en las concentraciones plasmáticas de bilirrubina, pero la inadecuada actividad UGT también provoca una reducción de la degradación de carcinógenos. Los estudios de cáncer de vejiga en ratones y humanos sugieren una relación inversa entre la expresión de UGT y el cáncer de vejiga. Las pacientes con cáncer de ovario con concentraciones preoperatorias de bilirrubina total  >9,65 µM y concentraciones de bilirrubina indirecta >6,75 µM muestran mayor supervivencia que las pacientes con concentraciones menores. La disminución en los niveles de bilirrubina total se corresponde con una disminución en la supervivencia de pacientes con cáncer gástrico. El eje PPARα-UGT puede servir como retroalimentación negativa para la acción de la bilirrubina sobre el PPARα, lo cual podría reducir los niveles de bilirrubina y, por tanto, su actividad.  Asas de retroalimentación similares han sido demostradas con otras hormonas, especialmente la señal glucocorticoide con otros factores de transcripción. Dos estudios han demostrado que la apnea severa del sueño está asociada con disminución de la concentración plasmática de bilirrubina. Aunque los pacientes con apnea del sueño obstructiva muestran incremento en las concentraciones de bilirrubina total durante el sueño, la terapia continua con presión positiva de las vías aéreas inhibe significativamente las elevaciones de bilirrubina. Este resultado sugiere que la bilirrubina protege contra la hipoxemia.

   La alta cantidad de ejercicio en poblaciones de pacientes previamente sedentarios incrementa significativa los niveles de bilirrubina. Los cambios inducidos por el ejercicio en la bilirrubina funcionan como un mecanismo por el cual la capacidad antioxidante plasmática puede combatir a las ROS y especies reactivas de nitrógeno generadas durante el curso del ejercicio aeróbico. La pérdida de peso en corto tiempo en pacientes con obesidad causa un aumento de 22µM en las concentraciones plasmáticas de bilirrubina a medida que el peso corporal disminuye por >2%.  El reloj circadiano protege contra  las consecuencias neurotóxicas del incremento de bilirrubina regulando la destoxificación de la bilirrubina, coordinando las variaciones circadianas en los niveles de bilirrubina. Esto puede servir como un potencial mecanismo para incrementar la hipobilirrubinemia. Es posible que el Helicobacter pylori y otros agentes infecciosos puedan alterar las concentraciones plasmáticas normales de bilirrubina. Bacterias patógenas como lactobacillus y clostridium regulan la bilirrubina. El Clostridium perfringens cataboliza bilirrubina en urobilinoides.

   En conclusión, cuando la bilirrubina fluye en la circulación sanguínea, interactúa con los vasos sanguíneos para proporcionar protección y mantenimiento, probablemente como un antioxidante.  Como muchas hormonas, la bilirrubina viaja en la circulación sanguínea y alcanza sus blancos intracelulares, principalmente PPARα para provocar respuestas de los genes. Cuando los niveles de bilirrubina caen, la hipobilirrubinemia puede incrementar las consecuencias clínicas adversas. Los niveles levemente aumentados de bilirrubina tienen significativos efectos protectores en varias patologías humanas. Las nanopartículas de bilirrubina ofrecen una ventaja terapéutica para enfermedades asociadas con hipobilirrubinemia.

Fuente: Creden JF et al (2021). Bilirubin as a metabolic hormone: the physiological relevance of low levels. American Journal of Physiology  Endocrinology and Metabolism 320: E191-E207.