La plasticidad de las células β pancreáticas

Los niveles de glucosa sanguínea en el cuerpo son regulados por hormonas secretadas por células endocrinas pancreáticas. Más del 95% del páncreas humano está hecho por tejido exocrino y 3-5% por los islotes pancreáticos. El páncreas humano contiene 3,2-14, 8 millones de islotes, con un volumen total de 0,5-2,0 cm². Las células β representan aproximadamente 60% de los islotes pancreáticos en humanos, mientras en roedores representan aproximadamente 80%. Los islotes pancreáticos están hechos por cinco tipos de células: β, α, δ, PP y ε que secretan hormonas como insulina, glucagón, somatostatina, polipéptido pancreático y ghrelina, respectivamente. La glucosa sanguínea es regulada principalmente por insulina, glucagón y somatostatina para mantener la homeostasis de la glucosa sanguínea. La diabetes tipo 2 (DT2) es causada por la secreción anormal de estas hormonas, lo cual está relacionado con cambios en el número y la masa de células de los islotes pancreáticos.

   La función y la masa de células β pancreáticas aumentan en la etapa temprana de la DT2,  debido a la resistencia a la insulina, pero eventualmente son reducidas. La cantidad de células β en autopsias de pacientes con DT2 ha sido estimada en 24-65% de la correspondiente a individuos sanos. Inicialmente, se pensaba que la principal causa de disminución de función/masa de células β era la apoptosis. La apoptosis de  células β  puede ser  explicada por toxicidad de la glucosa, lipotoxicidad, deposición de amiloide y/o senescencia. La hiperglucemia crónica  induce estrés oxidativo o estrés de retículo endoplásmico (RE), provocando la muerte de células β. La lipotoxicidad crónica provoca disfunción de células β debida a alteración de rutas intracelulares, incluyendo  estrés oxidativo, estrés de RE, autofagia y formación de gotas de ceramida/lípido. El polipéptido amiloide de los islotes (IAPP, amilina) es secretado por las células β junto con insulina e incrementa su expresión con la hiperglucemia, provocando deposición en- y daño de- las células β. Más aún, la senescencia es acelerada debido  al incremento de la resistencia a la insulina y de inhibidores del ciclo celular como P21^Cis1 y P16^Ink4a. Hasta ahora, la apoptosis puede  explicar la causa de la disfunción de células β. Sin embargo, en años recientes, un nuevo concepto sugiere que la principal causa de pérdida de células β es la desdiferenciación  y no la apoptosis o los desórdenes proliferativos. En un estudio con  ratones FoxO1 (forkhead box-O1)  knockout específico de células β, en condiciones de estrés metabólico como envejecimiento y alta fertilidad, se observa una disminución de células β y un incremento de células α que resulta en hiperglucemia. Adicionalmente, las células β expresaron el factor de transcripción neurogenina 3 (Ngn3), un marcador de células endocrinas pancreáticas. Esto sugiere que las células β fueron desdiferenciadas. Algunas células β se convirtieron en células α, lo cual puede explicar la patogénesis de la alteración de la secreción de insulina y la relación células β/células α anormal en los pacientes diabéticos.

   La disfunción de células β en la DT2 sugiere disminución de la síntesis y secreción de insulina. La hiperglucemia crónica provoca activación de la glicación de proteínas y un sistema de transferencia de electrones en las mitocondrias  que resulta en estrés oxidativo. Las células β son particularmente vulnerables al estrés oxidativo debido a sus bajos niveles de expresión y actividad  de enzimas antioxidantes. El estrés oxidativo reduce la expresión de MafA y Pdx-1 (páncreas duodenal homeobox gene-1), los cuales son factores de transcripción esenciales para el desarrollo y mantenimiento de células β, resultando en disminución de la síntesis y secreción de insulina. El FoxO1, un factor de transcripción involucrado en la señal insulina, suprime el estrés oxidativo y protege a las células β a través de la inducción de NeuroD y MafA. El Pdx-1 es importante para la supervivencia, muerte celular y desdiferenciación de células β. En el estado hiperglucémico, la activación de c-Jun N terminal quinasa (JNK) aumenta debido al estrés oxidativo, lo cual a su vez reduce la expresión de Pdx-1 resultando en disminución de la expresión de insulina y alteración de su secreción. Más aún, la sobre expresión de Pdx-1 en modelos de ratones diabéticos restaura  la función de las células β y mejora el control glucémico, sugiriendo que el Pdx-1 está involucrado en la función de las células β. El MafA también está involucrado en la función de las células β,  y en los islotes pancreáticos de modelos de ratones diabéticos se observa aumento de la expresión de c-Jun y disminución de la expresión de MafA e insulina. La sobre expresión de MafA en las células β en modelos de ratones obesos con DT2 causa la recuperación de su capacidad para sintetizar insulina y mejora la secreción de insulina estimulada por glucosa así como también los niveles de glucosa sanguínea. Estos hallazgos indican que la expresión de c-Jun regula a MafA y está involucrado en la disfunción de células β. La carencia de MafA en células β resulta en disminución de la expresión de Pdx-1 indicando una estrecha relación entre MafA y Pdx-1. Entonces, la hiperglucemia crónica incrementa el estrés oxidativo y causa disfunción de células β debido a la disminución de MafaA y Pdx-1.

   La hiperglucemia induce estrés de RE causado por  acumulación de proteínas pobremente plegadas/no plegadas en las células β. En el estrés RE, el incremento en la cantidad de proteínas chaperonas involucradas en el plegamiento de proteínas remueve las proteínas no plegadas. Cuando las proteínas no plegadas no pueden controlar el estrés  RE, resulta la apoptosis de células β. El estrés RE crónico induce numerosas señales apoptóticas incluyendo estrés oxidativo, activación de caspasa-12, caspasa-3 y rutas de muerte celular dependientes de mitocondrias. De esta manera, la hiperglucemia crónica induce estrés oxidativo y estrés RE provocando disfunción de células β y muerte celular.

   En el año 2004, Gershengorn y sus colaboradores propusieron la desdiferenciación de células β pancreáticas por primera vez. Los investigadores observaron que células insulina-positivas desaparecían de los islotes pancráticos humanos y eran reemplazadas por células precursoras similares a fibroblastos. Más aún. Cuando los islotes pancreáticos fueron cultivados en condiciones libre de  suero, las células insulina-positivas y las células glucagón-positivas reaparecieron, sugiriendo que las células son capaces de transdiferenciación y rediferenciación. Los reportes de autopsias de páncreas de pacientes con DT2 revelan que desdiferenciación de células β ocurre 3,5 veces más en los pacientes con DT2 que en los controles. Adicionalmente, se observa una correlación negativa entre desdiferenciación y la capacidad para secretar insulina de las células β. Entonces, mientras la apoptosis es una causa de insuficiencia de células β, la desdiferenciación es ahora considerada también un factor causal de insuficiencia de células β.

   La desdiferenciación de células β demuestra la conversión de las células β maduras en células progenitoras endocrinas en los islotes pancreáticos. Esto está definido por: (1) la pérdida de marcadores de células β maduras como MafA, insulina, Nkx6.1 y Pdx-1. (2) El aparecimiento de marcadores de células progenitoras endocrinas como Ngn3, Oct4, Aldh1a, Nanog, L-Myc y Sox9. La hiperglucemia, las citoquinas inflamatorias, la señal Hedgehog (Hh) (la cual está involucrada en diferenciación y desarrollo), el sistema renina-angiotensina-aldosterona (RAAS) (el cual está involucrado en la regulación de la presión arterial y el volumen sanguíneo circulante), los miARN (ARN no codificantes que regulan la expresión de genes), la noradrenalina y el receptor de dopamina D2 (DRD2) promueven la desdiferenciación de células β.

   La hiperglucemia promueve la desdiferenciación de células β a través del estrés oxidativo (especies reactivas de oxígeno (ROS)). La acumulación de ROS en las células β suprime la expresión de los factores de transcripción Pdx-1 y MafA y reduce la síntesis de insulina. Las citoquinas inflamatorias (IL-1, IL-6, TNF-α) promueven la desdiferenciación de células β y regulan a la baja la expresión de FoxO-1, MafA, Nkx6.1 y Pdx-1. La activación de la señal Hh también promueve la desdiferenciación de células β, disminuyendo la expresión de marcadores de células β maduras como MafA, Nkx6.1 y NeuroD1 y marcadores de células progenitoras endocrinas como Ngn3, mientras incrementa la expresión de marcadores de stem cells como Sox9 y Hes1. El RAAS induce desdiferenciación y disfunción de células β vía NF-κB. Los ARN no codificantes que regulan la expresión de genes como miR24 y miR302s promueven la desdiferenciación de células β. En particular, el miR302s suprime la expresión de genes marcadores de células β maduras como NeuroD1, PPARA, DRD1 y SLC7A2. El miR24 aumenta la expresión de Ngn3 y Sox9 y también suprime la apoptosis inducida por estrés oxidativo. Recientemente, las neuronas noradrenérgicas han sido involucradas en la desdiferenciación y disfunción de las células β humanas. Las fibras nordrenérgicas tirosina hidroxilasa (TH) positivas aumentan en los islotes pancreáticos de pacientes diabéticos y se correlacionan positivamente con los marcadores de desdiferenciación de células β y negativamente con la secreción de insulina. El DRD2 también promueve la desdiferenciación de células β y la administración de domperidona, inhibidor de DRD2, a células de islotes pancreáticos de ratón reduce la desdiferenciación celular.

   El principal factor que promueve la desdifernciación de células β es el estrés oxidativo. En condiciones hiperglucémicas,  la hipersecreción de insulina es acompañada con activación de la función mitocondrial en las células β, resultando en la producción de ROS. La administración de antioxidantes protege  contra el estrés oxidativo a través de la modulación de los niveles de dopamina en las células β, resultando en inhibición de la desdiferenciación y  la muerte celular. Recientemente, el FoxO1 ha ganado mucha atención como inhibidor de la desdiferenciación de células β. El FoxO1 se localiza en el citoplasma de la célula β y translocado al núcleo en condiciones de estrés metabólico debido a hiperglucemia (incluyendo el estrés oxidativo). Cuando la hiperglucemia persiste, el FoxO1 es proteolizado y eliminado. Posteriormente, la expresión de Ngn3, que es suprimida por el FoxO1, aumenta y promueve la  desdiferenciación de células β.

   La desdiferenciación de células β pancreáticas es definida como la transdiferenciación en células indiferenciadas. Esto provoca el incremento de la glucosa sanguínea debido a la disminución de la secreción de insulina en la diabetes. Si la pérdida de masa de células β puede ser suprimida y la regeneración de células β así como la transdiferenciación de células no β en células β maduras progresan, entonces la masa de células β será mantenida y hasta podría ser incrementada. Esto mejoraría la diabetes contrarrestando la hiperglucemia. En otras palabras, la transdiferenciación de células no β en células β maduras puede ser una nueva estrategia terapéutica para la diabetes. En este contexto, la transdiferenciación de las células α de los islotes pancreáticos, las cuales secretan glucagón y están involucradas en la elevación de la glucosa sanguínea, en células β secretoras de insulina tiene el potencial de mejorar dramáticamente los niveles de glucosa sanguínea. 

   La transdiferenciación en células β maduras ha sido reportada en muchos tipos de células, incluyendo células de los conductos pancreáticos, hepatocitos, células intestinales así como células α y δ de los islotes pancreáticos. Hay también reportes de transdiferenciación de células α en células β in vivo usando un modelo de ratones diabéticos. Adicionalmente, un estudio usando adenovirus que expresan GLP-1 en ratones reporta que el GLP-1 promueve la transdiferenciación de células α en células β vía FGF21. Esto es apoyado por el hecho que el análogo  de  GLP-1 liraglutide y el inhibidor de la dipeptil peptidasa 4 (DDP-4) sitagliptin suprimen la conversión de células β en células α en un modelo de ratones diabéticos. Por otra parte, la administración de ácido g-aminobutírico (GABA) a ratones y humanos induce la transdiferenciación de células α en células similares a  las células β de los islotes pancreáticos. La suplementación con GABA en islotes pancreáticos humanos aislados resulta en la pérdida de masa de células α y en el incremento de la masa de células β. En islotes pancreáticos humanos, la administración de la droga antimalárica artemisinina aumenta la señal GABA y promueve la transdiferenciación de células α en células β a través de la regulación a la baja de Arx, un gen específico de células α.

   El primer reporte sobre el mecanismo molecular de la transdiferenciación de células α pancreáticas en células β fue un experimento con la línea de células α-TC1-6, secretoras de glucagón. La expresión del gen Ins1 fue inducida por la sobre expresión de PDX-1 en las células α-TC1-6. Similarmente, la expresión ectópica de Pax4 en células α que producen glucagón causó la transdiferenciación en células β resultando en un engrandecimiento del páncreas con hiperplasia de células β. La transdiferenciación inducida por Pax4 de las células α en células β fue dependiente de Ngn3. A partir de esto hallazgos, la inhibición específica de Arx en células α está involucrada en la conversión de células α en células β y el Pax4 es esencial para este proceso. Más aún. En ratones adultos, la inactivación simultánea de ADN-metiltransferasa 1 (Dnmt1) y Arx promueve la transdiferenciación de células α en células similares a las β. Las células similares a las β transformadas adquieren funciones electrofisiológicas similares características de células β y exhiben secreción de insulina estimulada por glucosa. Adicionalmente, la MafaA actúa sobre el Pdx-1 para promover la inducción de células β a partir de progenitoras endocrinas Ngn3-positivas. Las células α también son convertidas en células β funcionales cuando son infectadas con virus que inducen la expresión de Pdx-1 y MafA a través de los conductos pancreáticos.  En otras palabras, en las células α, la supresión de marcadores de células maduras como Arx y la promoción de marcadores de células β maduras como MafaA y Pdx-1 puede aumentar la transdiferenciación de células α en células β. Entonces, es posible convertir recíprocamente células en los islotes pancreáticos usando técnicas de manipulación genética.

   Actualmente, el remedio para la diabetes es el tratamiento sintomático. En este contexto, el  reemplazo de la masa de células β perdida y la restauración de su función es la manera ideal para resolver este problema. Adicionalmente, la transdiferenciación de células α en células β puede proporcionar una cura para la diabetes insulinopénica. Las ventajas de este procedimiento son: (1) la transdiferenciaciación de células α en células β puede mejorar dramáticamente  los niveles de glucosa sanguínea, (2) las células α son embriológicamente similares a las células β y tienen un alto potencial de reprogramación, (3) las células α y β están localizadas en los islotes pancreáticos, (4) la proporción de células α es particularmente alta en los islotes pancreáticos humanos en comparación con los islotes de roedores. No hay duda que mejorar la hiperglucemia es la manera más útil para proteger y regenerar células β. Por otra parte, actualmente varias drogas (por ejemplo, ácido tauroursodeoxicólico,  artemisinina e imeglimina) están siendo desarrolladas y examinadas para la protección de células pancreáticas. Estas drogas que suprimen la muerte y desdiferenciación de las células β pancreáticas y contribuyen a su protección han atraído mucha atención.

   En conclusión, la DT2 es causada por  alteración de la secreción de insulina y/o resistencia a la insulina.  La pérdida de masa de células β pancreáticas detectada en pacientes diabéticos humanos es considerada una causa mayor de alteración de la secreción de insulina. La pérdida de masa de células β es inducida cuando la muerte celular (por ejemplo, por apoptosis) excede a la proliferación de  células β. Sin embargo, recientemente, la desdiferenciación de células β en células progenitoras endocrinas pancreáticas y la transdiferenciación de células β en células α han sido reportadas en islotes pancreáticos humanos, lo cual permite un nuevo mecanismo molecular subyacente. La hiperglucemia inhibe la translocación nuclear y  expresión de FoxO1 e induce la expresión de Ngn3, la cual es requerida para el desarrollo y mantenimiento de células progenitoras endocrinas pancreáticas. Esta nueva hipótesis ha atraído la atención porque explica los mecanismos moleculares que subyacen a la plasticidad de las células β. Las investigaciones revelan que la contribución de la desdiferenciación es mayor que la de la apoptosis de células β en la pérdida de masa de células β. Adicionalmente, las células de los islotes pancreáticos se transdiferencian unas con otras, como, por ejemplo,  la transdiferenciación de células β en células α y viceversa. Las células de los islotes pancráticos pueden exhibir plasticidad y tienen la capacidad  para rediferenciarse en cualquier  tipo de célula.

Fuente: Honzawa N, Fujimoto K (2021). The plasticity of pancreatic β-cells. Metabolites 11:218.