Urolitina A en salud y enfermedad

La urolitina (UA) pertenece a la familia de urolitinas, las cuales se caracterizan por una estructura química que contiene un dominio α-benzo-coumarina. Las urolitinas son producidas en el colon siguiendo la transformación mediada por el microbioma de los polifenoles naturales elagitaninas (ET) y ácido elágico (AE), los cuales están contenidos en productos de la dieta, como granada, fresa, frambuesa y nueces. La UA fue identificada inicialmente como metabolito de AE en ratas en 1980, y la conversión de ET en UA por el microbioma intestinal  demostrada posteriormente en varias especies, incluyendo ratones. Un estudio pionero también demostró la producción de UA a partir de ET por el microbioma intestinal humano, haciendo a la UA la especie urolitina más común producida en la naturaleza. La conversión de precursores de la dieta en UA no ocurre en todos los individuos, el proceso es variable y tiene lugar solo en aproximadamente 40% de la población de adultos mayores. La producción de UA requiere de un microbioma intestinal apropiado y varía con la edad, el estado de salud y la composición de la dieta.

   Los polifenoles ET y AE  están presentes en una variedad de productos de plantas y alimentos y son los principales precursores de UA en la dieta. Los ET tienen muy baja biodisponibilidad y son eliminados directamente en las heces o convertidos en derivados más biodisponibles. Los ET son hidrolizados en AE por las enzimas bacterianas del intestino llamadas tanasas. Reacciones enzimáticas posteriores convierten el AE en UA y otras urolitinas.   La UA y la  urolitina B  (UB) son los productos finales más abundantes y la UA es la urolitina más ampliamente estudiada en las diversas especies. La bacteria que produce UA en el intestino humano es aún desconocida. Después de su producción y absorción en la circulación sanguínea, la UA experimenta la fase 2 del metabolismo para formar conjugados de UA principalmente UA-glucurónido y UA-sulfato. La UA-glucurónido es la forma más abundante de UA detectada en el plasma humano. El rol biológico de los conjugados de UA in vivo aún no está claro. Los experimentos in vitro sugieren que los conjugados de UA, en comparación con la UA,  tienen menor o ninguna actividad biológica. 

   El efecto más consistente de la UA a través de las especies es la mejoría de la salud mitocondrial, un efecto que se ha observado en ratones y humanos. Este beneficio es manejado por el aclaramiento y reciclaje de la disfunción mitocondrial, un proceso selectivo de autofagia, llamado mitofagia. La mitofagia es alterada con el incremento de la   edad y varias enfermedades relacionadas con la edad. La restauración de los niveles correctos de mitofagia es una estrategia prometedora para contrarrestar la disminución de la función de los órganos  relacionada con la edad.

   La mitofagia ocurre cuando las mitocondrias son dañadas o después de la exposición a inductores externos de mitofagia. El proceso procede a través de varias rutas que la UA puede activar. La mitofagia dependiente de quinasa 1 inducida por PTEN (PINK1)/Parkin comienza con la estabilización de la quinasa PINK1, la cual recluta y fosforila la proteína Parquin conjugada con ubiquitina. La Parkin1 a su vez promueve la ubiquitinización de proteínas mitocondriales, las cuales son fosforiladas por PINK1 y sirven como sitios para proteínas adaptadoras como la proteína asociada a microtúbulos LC3 y membranas de fagosomas. Una vez que las mitocondrias son enceradas por las membranas de fagoporo, los lisosomas se encargan del aclaramiento de organelos. La UA también activa  rutas de mitofagias independientes de PINK1/Parkin que activan proteínas mitocondriales como BNIP3, NIX y FUNDC1, las cuales reclutan directamente LC3 para promover la formación de autofagosoma. La LC3 permite la formación de una membrana de autofagosoma alrededor de la mitocondria. El autofagosoma se fusiona con lisosomas, y el bajo pH conjuntamente con las enzimas de los lisosomas se encargan de degradar la mitocondria. La  estabilización de PINK1 por UA ha sido reportada en neuronas de hipocampo en  modelos de ratones con enfermedad de Alzheimer (EA). La mitofagia mejora la calidad del pool de mitocondrias celulares y está relacionada con la generación de nuevos organelos, provocando mejoría de la capacidad respiratoria mitocondrial.

   La UA activa la mitofagia mediada por PINK1/Parkin y por tanto favorece la biogénesis mitocondrial. Consistente con esto, la UA induce proteínas de la fosforilación oxidativa mitocondrial (OXPHOS) en tejido muscular y riñón de ratones. En humanos, la UA regula la función mitocondrial sistemáticamente y en músculo esquelético. Los datos de la  fase I de la administración de UA en humanos indican disminución de varias acilcarnitinas plasmáticas, marcadores que reflejan la eficacia de la oxidación de ácidos grasos mitocondrial y un incremento en la expresión de genes mitocondriales en músculo esquelético.

   Un efecto común en los modelos preclínicos expuestos a UA es la atenuación de la respuesta inflamatoria. Esto es clínicamente relevante porque el envejecimiento y la mayoría de enfermedades relacionadas con el envejecimiento están asociadas con inflamación de bajo grado crónica. Este proceso, llamado “inflamm-aging”, contribuye a la disminución relacionada con la edad de la función celular y corporal. El efecto anti-inflamatorio de la UA fue reportado inicialmente como una disminución en los niveles de mARN y proteínas de los marcadores inflamatorios ciclooxigenasa 2 (COX2) en el colon en modelos de ratas con colitis aguda. Estudios posteriores demostraron una reducción en plasma de las citoquinas proinflamatorias interleuquina 1β (IL-1β), interleuquina 6 (IL-6) y factor de necrosis tumoral α (TNFα). Las mismas citoquinas fueron reducidas en el plasma de ratones diabéticos tratados con UA, donde también se notó un incremento en la citoquina anti-inflamatoria IL-10. La IL-1β es reducida por la UA en hígado de ratones obesos alimentados con dieta rica en grasas. En tejidos neuronales, la UA reduce los niveles de las citoquinas proinflamatorias en el cerebro de modelos de ratones con EA. Estos estudios sugieren que la promoción de la actividad fagocítica de las microglias, células que son cruciales para limpiar de restos celulares al sistema nervioso central (SNC) y controlar las respuestas inflamatorias, contribuye a la protección de la UA contra la neuroinflamación. Una reducción de la infiltración de células inflamatorias ha sido reportada en la sustancia blanca en modelos de ratón con encefalomielitis autoinmune tratados con UA.

   Los mediadores de los efectos anti-inflamatorios de la UA han sido estudiados principalmente in vitro. Estos incluyen al NF-κB, el cual es requerido para la transcripción de varios marcadores inflamatorios y cuya actividad es inhibida por la UA en macrófagos y condrocitos. El mecanismo de acción de la UA en el contexto de la inflamación varía entre los tejidos y las condiciones.

   El envejecimiento altera múltiples procesos celulares y sistémicos y provoca un progresivo declive fisiológico en las funciones del cuerpo. El envejecimiento es también un factor de riesgo para varios desórdenes debilitantes, como enfermedad neurodegenerativa, osteoartritis y desórdenes metabólicos. Una característica fisiológica del envejecimiento es la disfunción mitocondrial, la cual impacta especialmente órganos con alta demanda metabólica, como músculo  esquelético, corazón, riñones y cerebro. Un estudio clínico en humanos muestra seguridad y alta biodisponibilidad de UA en adultos mayores sanos en todas las dosis examinadas. Otros estudios revelan que la UA reduce acilcarnitinas en el plasma y aumenta los genes mitocondriales en músculo esquelético de adultos mayores. Estos biomarcadores proporcionan evidencia que la UA promueve una mejor salud mitocondrial y muscular.

   La UA incrementa los marcadores de función de músculo esquelético en varias especies. El impacto positivo de la UA sobre la salud muscular durante el envejecimiento es conservado en mamíferos. Cuando es administrada intragástricamente a ratones de mediana edad durante 16 semanas, la UA incrementa los marcadores de angiogénesis en músculo esquelético. Esta es una observación relevante pues la alteración de la neovascularización juega un rol importante en las enfermedades musculares del envejecimiento.

   El potencial beneficio de la UA en la enfermedad cardiovascular (ECV) ha sido evaluado en modelos preclínicos de isquemia  cardiaca, ateroesclerosis y cardiomiopatía diabética. Los efectos de la UA sobre la isquemia cardiaca han sido estudiados en modelos de ratones con daño por isquemia reperfusión. Los animales pretratados con UA mostraron una reducción del tamaño del infarto y una preservación parcial de la fracción de eyección en comparación con los animales controles. Esto fue acompañado por una reducción en los marcadores de daño por isquemia reperfusión como los niveles circulantes de creatina quinasa y lactato deshidrogenasa y por pocas células apoptóticas en el corazón. En otra investigación, la UA protegió a las ratas de la ateroesclerosis, reduciendo los niveles plasmáticos de lípidos y las lesiones aorticas. En modelos de ratas con cardiomiopatía diabética inducida por estreptozotocina, el tratamiento con UA mejoró la contractilidad miocárdica.

   Varios estudios demuestran que la UA es neuroprotectora. La molécula muestra beneficios en modelos animales de EA. La UA mejora la memoria asociativa en respuesta a estímulos aversivos en animales con sobre expresión de amiloide beta (Aβ_1-42), un producto de la degradación de la proteína precursora de amiloide (APP) que forma agregados tóxicos en las neuronas. Adicionalmente, la administración de UA incrementa el aprendizaje, la retención de memoria, la supervivencia de neuronas y la neurogénesis en hipocampo en ratones modelos de EA. A nivel celular, la UA disminuye las placas de Aβ_1-42 y los niveles de tau fosforilado, los más relevantes marcadores relacionados con el desarrollo, progresión y severidad de la EA. La muerte neuronal y la alteración neurológica también pueden ocurrir después de shock isquémico, cuando las células cerebrales reciben oxígeno insuficiente por restricción de flujo sanguíneo. La UA protege del shock isquémico inducido por oclusión de la arteria cerebral a través de la reducción del volumen  del infarto y el consiguiente déficit neurológico. Recientemente, se ha demostrado que la UA tiene efecto neuroprotector en modelos de ratón con esclerosis múltiple. La administración de UA en los estadios tempranos y tardíos  reduce la incidencia y severidad de esclerosis múltiple acompañada por disminución de células dendríticas, macrófagos, células T17, inflamación y desmielinización de sustancia blanca.

   El envejecimiento es el principal factor de riesgo para la degeneración de disco intervertebral, un desorden que se caracteriza por daño progresivo de los discos intervertebrales. En ratas, la UA alivia la destrucción del disco y el estrechamiento del espacio intervertebral. La UA también incrementa la producción de proteoglucano y colágeno, moléculas claves de la matriz extracelular. En otro estudio, la protección contra la degeneración de disco intervertebral por la UA está asociada con un incremento en la mitofagia y reducción de la apoptosis en células del núcleo pulposo. En un modelo de osteoartritis, una enfermedad de las articulaciones  relacionada con la edad causada por la degeneración lenta de cartílago, la UA mejora la morfología del cartílago y reduce el estrechamiento del espacio intra-articular.

   La colitis ulcerativa y la enfermedad de Crohn son dos de los principales tipos de enfermedad intestinal inflamatoria (EII). La EII generalmente es causada por una disfunción del sistema inmune que provoca inflamación crónica del tracto digestivo y disbiosis microbiana. La UA tiene un efecto protector en modelos de EII reduciendo los niveles de marcadores de inflamación en el colon y mejorando la integridad de la mucosa. Estos datos están en línea con los resultados de  estudios de suplementación de UA en modelos de ratas con colitis ulcerativa y modelos de ratones con colitis aguda. Estos hallazgos apoyan el uso de UA para tratar otras condiciones que involucran disfunción de la barrera como síndrome de colon irritable, cáncer de colon y enfermedad celiaca.

   El daño renal agudo es un episodio transitorio de insuficiencia renal que puede requerir diálisis, una fracción de pacientes con daño renal agudo desarrolla enfermedad renal crónica. El impacto de la UA, oral o intraperitoneal, ha sido estudiado en ratas y ratones. La UA reduce el daño tubular como ha sido demostrado por histopatología y por una reducción de los niveles circulantes de marcadores de daño renal (creatinina). La administración de UA disminuye el número de células tubulares apoptóticas o la expresión de marcadores de apoptosis en el riñón (actividad de caspasa-3). Cuando es administrada como nanopartícula para incrementar su biodisponibilidad, la UA mejora la supervivencia de ratones que reciben una dosis letal de cisplatina.

   Varios experimentos in vivo han explorado el rol de la UA en los tejidos metabólicos y han documentado su efecto protector contra disfunciones metabólicas como dislipidemia, obesidad e intolerancia a la glucosa. En un modelo de ratón con obesidad inducida por dieta rica en grasas, la administración intraperitoneal diaria de UA atenúa la acumulación de triglicéridos en el hígado y reduce los niveles plasmáticos de colesterol total, lipoproteínas de baja densidad (LDL) y adiponectina. En otro estudio, el tratamiento oral con UA redujo el número de adipocitos y disminuyó la masa grasa y el peso corporal. Estos datos fueron reproducidos en un modelo genético de obesidad de ratones con deficiencia de leptina ob/ob. Además de disfunciones metabólicas relacionadas con lípidos, la UA mejora la sensibilidad sistémica a la insulina medida por la prueba de tolerancia a la glucosa y los niveles plasmáticos de insulina en modelos de ratón con obesidad y diabetes tipo 2. La UA muestra potencial para el manejo de la obesidad y la intolerancia a la glucosa.

   La UA ha sido investigada en dos tipos de estudios clínicos: (i) estudios de asociación, donde los sujetos reciben  un alimento fuente de ET y posteriormente se explora su perfil de producción de urolitina, (ii) intervención clínica, donde los sujetos reciben directamente UA por administración oral.  En los estudios de intervención, la UA es administrada directamente a humanos por primera vez en el contexto de fase I de una investigación doble ciego, controlado por placebo. La UA muestra un perfil de seguridad favorable sin efectos colaterales después de la administración de 2000 mg o una dosis múltiple de 1000 mg diarios por 28 días. La UA también tiene un perfil farmacológico favorable con una vida media de 17-22 horas debido  principalmente a una recirculación enterohepática activa. Los estudios clínicos demuestran que la UA es segura, biodisponible e impacta positiva a las mitocondrias.

   En conclusión,  la UA es un compuesto natural derivado del microbioma intestinal que solo 40% de las personas adultas mayores pueden convertir los precursores de la dieta en UA. Los efectos positivos de la administración de UA en la salud, el envejecimiento y las condiciones relacionadas con la edad que afectan músculo esquelético, cerebro, articulaciones y otros órganos han sido identificados en varios estudios. Los modelos experimentales demuestran que la UA incrementa la mitofagia y la función mitocondrial y reduce la  respuesta inflamatoria. La UA incrementa los biomarcadores de función mitocondrial en adultos mayores sanos. El uso de suplementación nutricional con UA para promover un envejecimiento saludable es apoyado por dos factores claves. Primero, la edad puede reducir la capacidad natural para producir UA a partir de sus precursores. Segundo, las personas necesitan una composición específica del microbioma intestinal para llevar a cabo la conversión de los precursores en UA.  La disbiosis intestinal, una característica común de varias condiciones relacionadas con la edad puede contribuir a la alteración de la producción de UA en el intestino con la edad. Los estudios clínicos en humanos reportan un impacto favorable de los efectos de  la UA en las condiciones relacionadas con disfunción mitocondrial, como declive cognitivo y distrofia muscular. 

Fuente: D´Amico D et al (2021). Impact of natural compound urolitin A on health, disease, and aging. Trends in Molecular Medicine 27: 687-699.